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Lautsprechersystem Die Erfindung bezieht sich auf ein Lautsprechersystem
mit einem im wesentlichen strömungsdichten Gehäuse mit paralleler Front- und Rückwand
und einem an der Frontwand angebrachten hochwertigen Tieftonlautsprocher mit direkter
Abstrahlung in den Zuhörerraum sowie einer Strahlungsquelle für hochfrequente, nach
rückwärts gerichtete Energiestrahlung.
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Die bekannten Lautspre che rsysteme dieser Art (BOSE-Lautsprechen
901, vogt. die Druckschrift "ON TEE DESIGN, MEASDREMENT AND EVALUATION OF LOUDSPEAKERS"
von Dr.A.G.
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Bose, veröffentlicht auf der Tagung der Audio Engineering Society,
1968) sind acht Lautsprecher an zwei Rückwandungen eines Lautsprechergehäuses, deren
Jede mit der Raumwand, gegen welche die Lautsprecher gerichtet sind, einen Winkel
von etwa 30° bildet, angebracht tnid ein in den Zuhörerraum gerichteter Lautsprecher
an der Frontwandung des Lautsprechergehäuses. Diese bekannte Anordnung erfüllt zwei
wesentliche
Voraussetzungen filr de Erzielung einer höchst wirksamen, naturgetreuenReproduktion.
Zunächst wird dadurch das gewünschte Verhältnis von 8:1 zwischen reflektiertem Schall
und direktem Schall erzielt. Zum anderen wird durch Wahl des 30°-Winkels der Rückwandung
des Gehäuses zur Raumwandung erreicht, daß die Schallquelle um etwa einen Fuß ()0
cm) hinter die Raumwand verlegt wird, wenn sich das Lautsprechergehäuse etwa in
einem Abstand von einem Fuß vor der Raumwand befindet. Durch diese Anordnung gelingt
es, ein Schallbild zu erzeugen, das es ermöglicht, die volLe Stereo-Ausbreitung
in einem weiten Bereich des Zuhörerraumes bis unmittelbar vor dem Platz eines Lautsprechergehäuses
wahrzunehmen und auszunutzen - ein Kunststück, das mSt den früheren Lautsprechersystemen
nicht zu verwirklichen war.
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Der Erfolg dieses berUimten BOSE-Lautsprechersystems beruht auf dem
Umstand, daß mit diesem System eine im wesentlichen gleichmäßige Energievertellung
als Funktion der Frequenz erzielt wird. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß bei
Aufstellung des Lautsprechersystems in normaler Stellung ein auf den Eingang des
Systems gegebenes Signal mit konstariter Schwelle über den flörfrequenzbereich die
als Funktion der Frequenz abgestrahlte akustische Energie im wesentlichen konstant
ist.
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Um dieses Ergebnis zu erzielen, war es nach den Untersuchungen von
BOSE erforderlich, eine Schalldruckcharakteristik der Einzellautsprecher von mit
der Frequenz wachsender Amplitude zu erzielen. Um dies zu verstehen> muß man
sich vergegenwärtigen, daß die Charakteristik bei niederen Frequenzen eine im wesentlichen
kugelförmige Gestalt amlimmt. Bei höheren Frequenzen dagegen ist die Richtcharakteristik
schärfer gebündelt; daraus ergibt sich aber, daß der Schalldruck des einzelnen Lautsprechers
in seiner Achsrichtung mit der Frequenz anwachsen muß, um einen gleichmäßigen Schalldruck
über den gewünschten Frequenzbereich zu erzielen. Ein anderer Grund für das verstärkte
Ansprechen besteht darin, daß die einzelnen Lautsprecher bei niederen Frequenzen
gleichphasig abstrahlen, so daß die gesamte abgestrahlte Energie proportional. dem
Quadrat der Summe der einzelnen Schalldrücke ist. Bei höheren Frequenzen dagegen
ist die Abstrahlung von den einen Lautsprechern inkohärent und die abgestrahlte
Gesamtenergie ist proportional der Summe der Quadrate der von den einzelnen Lautsprechern
erzeugten Schalldrücke. Die Summe der Quadrate ist aber kleiner als das Quadrat
der Summe.
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Die Bedeutung, dieser Feststellung wird besonders anschaulich bei
Betrachtung der Natur eines Musikinstrumentes, wie z.B. einer Geige. Es ist klar,
daß die Charakteristik
des Strahlungsdruckes eines so unregelmäßig
geformten Instrumentes als Funktion der Frequenz alles andere als gleichförmig ist.
Wenn man Jedoch einem Geigenspieler zuhört, ändert sich der allgemeine Klangcharakter
nicht durch Veränderung der Haltung des Geigenspielers. Obwohl sich der Schalldruck
mit der Richtung ändert, tritt keine Änderung der gesamten Energiestrahlung ein.
Diese Versuchsergebnisse stützen die Theorie der Bedeutung einer gleichmäßigen Energiestrahlung
als Funktion der Frequenz, damit der Lautsprecher in jedem Frequenzband dieselbe
relative Energie abstrahlt wie das wiederzugebende Musikinstrument.
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Das BOSE-Lautsprechersystem 901 erfüllt diese Voraussetzung mit Hilfe
einer Einrichtung zum aktiven elektroniscllen Ausgleich unter Aufwand von mehr als
hundert Bauteilen und Transistoren. Der Gebrauch von vielen Vollbereichlautsprechern
unterstützt die Ausschaltung hörbarer Resonanzen und vermeidet die Nachteile, die
mit der Anwendung von Tieftonlautsprechern, Hochtonlautsprecher und kombinierten
Systemen solcher Lautsprecher verbunden sind. Der Einatz so vieler Lautsprecher
und elektrischer Dauteile in der Ausgleichschaltung ist jedoch kostspielig.
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Hin weiterer Nachteil eines solchen Systems besteht darin, daß es
mit Abstand von der Raumwand und vom Fußboden aufgestellt werden muß, um befriedigende
Ergebnisse zu zeitigen.
Der Erfindung liegt die Autgabe zugrunde,
ein Lautsprechersystem zu schaffen, mit dem sich die Vorteile des bekannten BOSE-Lautsprechersystems
901 mit geringeren Kosten verwirklichen Lassen.
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Des weiteren besteht dle Aufgabe der Erfindung darin, bei im wesentlichen
gleichmäßiger Energlestrahlung, befriedigenden Verhältnis der reflektierten zur
direkten Strahlung, realistische Wiedergabe und voller Stereowirkung über einen
weiten Bereich des Zuhörerraumes ein Lautsprechersystem zu schaffen, claus auf dem
Fußboden und an der Wand aufgestellt werden kann und dabei einfach und billig ist.
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Diese AufgabEn lassen 5 ich erf irldungsEgemäß dadurch Lösen, daß
bei einem Lautsprechersystem der eingangs bezelenneten ArBt die Hochtonstrahlungsquelle
rückwärts und entgegengesetzt seitwärts gerichtete Komponenten der Energlestrahlung
aufweist und über der Tieftonkammer angeordnet ist, und daß sie über passive frequenzempfindliche
Dämpfungsmittel so mit dem Systemeingang verbunden ist, daß nur oberhalb einer vorgegebenen
niederen Frequenz Signale vom Eingang auf die Hochtanstrahlungsquelle übertragen
werden Mit einem derartigen System lassen sich weitgehend alle Vorteile verwirklichen,
wie sie für den BOSE-Lautsprecher 901 bekannt sind, Durch entsprechende
Bemessung
der Tiefe des Systemgehäuses läßt sich der Abstand des Hochtonstrahlungæsystems
von der Zimmerwand bei Aufstellung unmittelbar an der Zimmerwand verwirklichen.
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Dabei wird man die Hochtonstrahlung so einrichten, daß der von der
Wand reflektierte Schall die Hochtonlautsprecher selbst ungehindert passiert. Vorzugsweise
besteht die Hochtonstrahlungsquelle aus zwei kleinen, so auf dem Tieftongehäuse
angeordneten Lautsprechern, daß die Achsrichtungen mit der Ebene der rückseitigen
Gehäuseplatte Winkel von etwa 50 - 450 bilden. Die Hochtonstrahlungsquelle ist mit
dem Signaleingang zweckmäßig über ein passives Netzwerk gekoppelt, durch dessen
Dämpfungscharakteristik die tieferen Frequenzen stärker gedämpft werden als die
höheren Frequenzen derart, daß sich eine im wesentlichen gleichmäßige Energie strahlung
ergibt. Dabei wird zweckmäßig durch das elektrische Netzwerk zwischen Signaleingang
und Tieftonlautsprecher in dessen Charakteristik innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches
oberhalb der Baßtöne, vorzugsweise im Bereich von etwa 200 bis 800 Hz, eine Senkung
erzeugt.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Es zeigt Fig. 1 ein Lautsprechersystem nach der Erfindung, in Außenansicht,
Fig
2 einen Vertikalschnitt durch das System nach Fig. 1, von der Seite gesehen, Fig.
3 eine Draufsicht auf das System, mit Teilschnitt durch die obere Systemkammer,
Fig. 4 das Schaltbild des Systems, lig. 5A Charakteristiken der Tiefton- und Hochtonlautsprecher
des Systems, und Fig. 5B eine resultierende Charakteristik des Gesamtsystems.
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Das in Fig. 1 bis 3 dargestellte Lautsprechersystem 11 besteht aus
einem Lautsprechergehäuse mit einer Tieftonkammer von etwa 1,5 Kubikfuß (0,04 m))
mit einer Frontplat te 12, die einen nach vorn gerichteten 10 Zoll -(25 cm) -Tieftonlautsprecher
15 trägt, der durch ein Gittertuch 14 abgedeckt ist, das aus ästhetischen Gründen
sich über drei Seiten des Gehäuses erstreckt. Die Decke 16 der Tieftonkammer ist
in Fig. 1 mit Strichlinien angedeutet und trägt an der leichten und linken Seite
Tragbrettchen 17,18 für kleine Lautsprecher 19 und 20, die schräg rückwärts nach
entgegengesetzten Seiten gerichtet sind und sich beide dicht an der oberen Vorderkante
21 der Tieftonkammer befinden. Eine Abdeckung 22 aus Glaswolle verhindert die rückseitige
Strahlung der Lautsprecher 19 und 20 in einem
bestimmten höheren
Frequenzbereich, vornehmlich oberhalb 1,0 kHz, während die Tiefenfrequenzen vom
Tieftonlautsprecher 13 frei passieren, womit eine störende Beeinflussung und Verschiebung
der Membranen der Hochtonlautsprecher vermieden wird, wie sie bei in getrennten
Gehäusen angeordneten Hochton- und Tieftonlautsprechern sonst zu beobachten ist.
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Die kleinen Hochtonlautsprecher 19 und 20 befinden sich in einer oberen
Hochtonkammer, die nach unten durch die Decke 16 der Tieftonkammer und nach oben
durch eine Decke 23 begrenzt ist, die von zwei vorderen Eckpfosten 25 und 26 und
einer von unten bis oben duchgehenden Rückwand 24 getragen wird. Im Bereich der
Hochtonkammer oberhalb der Decke 16 ist das Gehäuse somit an den Seiten für alle
Frequenzen akustisch transparent und an der Frontseite nur für die Tiefenfrequenzen.
Die obere Deckplatte 23 ist ohne akustische Störung als Tischplatte verwendbar.
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Die Rückwand 24 ist zur Aurnahme von Eingangsklemmen 31,32 des Systemeingangs
ausgespart. Das elektrische Netzwerk kann innen auf der Rückwand 24 angepaßt werden;
es ist in Fig0 2 und 3 nicht mit dargestellt. Dieses Netzwerk ist, wie aus Fig.
4 zu ersehen, so ausgebildet, daß alle drei Lautsprecher 13,19 und 20 in Phase betrieben
werden. Die Leitungen zu den kleinen Lautsprechern 19 und 20 werden
durch
Öffnungen in der Decke 16 hindurchgeführt, die durch geeignete Mittel abgedichtet
werden.
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An der Unterseite der Decke 23 befinden sich Blockstücke 27 zur Befestigung
der Oberkante des Gittertuches 14.
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Die Tragbrettchen 17 und 18 haben eine zentrale Bohrung zur Aufnahme
einer Befestigungsschraube für die Hochtonlautsprecher l9-und 20.
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Die Eingangsklemmen 31 und 32 haben einen Nennwlderstand von etwa
4 Ohm. Der Tieftonlautsprecher 13 ist mit dem Eingang 31, 32 über ein Netzwerk verbunden,
das aus einem Ohmschen Widerstand 36 mit parallel liegender Induktivität oder Spule
37 besteht. Die Lautsprecher sind einpolig unmittelbar mit der Eingangsklemme 32
verbunden, während der andere Pol des Lautsprechers 13 über das Netzwerk 36,37 und
der beiden Hochtonlautsprecher 19 und 20 über ein getrenntes Netzwerk mit der Eingangsklemme
31 verbunden sind.
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Das Netzwerk für die Hochtonlautsprecher besteht aus einem Kondensator
33, der in Reihe mit einer Parallelschaltung aus einem Kondensator 34 und einem
Ohm'schen Widerstand 35 liegt.
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Der Tieftonlautsprecher 13 empfängt Energie niederer Frequenzen, während
der Kondensator 33, mit einer Größe von z.B. 10 Mikrofarad, den unteren Bereich
dieser Frequenzen,
yornehmlich bis zu 1 kHz, blockiert. Im Frequenzbereich
oberhalb 1 kHz empfangen alle drei Lautsprecher 13, 19 und 20 Energie. Bei noch
höheren Frequenzen, vorzugsweise oberhalb 3 kHz, wird durch die Induktivität der
Lautsprecherspule die Energie unterdrückt. Im mittleren Frequenzbereich empfängt
der Tieftonlautsprecher ausreichend Energie, um ein verhältnismäßig kleinen Energiebetrag
auf direktem Wege zum Zuhörer zu leiten.
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Bei höheren Frequenzen wird der Widerstand 35 des Netzwerkes 33,34,35
in zunehmendem Maße überbrückt, so daß den Hochtonlautsprechern 19 und 20 mit anwachsender
Frequenz zunehmend Energie zugeleitet wird. Bevorzugte Werte ftlr den Kondensator
34 und den Widerstand 35 sind 2,0 Mikrofarad und 6,2 Ohm.
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Durch das aus Widerstand 36 und Induktivität 37 bestehende Netzwerk
im Stromkreis des Tieftonlautsprechers 13 wird zusammen mit dem Ohm'schen Widerstand
und der Induktivität der Lautsprecherspule eine Einsenkung in der Charakteristik
des Tieftonlautsprechers erzeugt, die sich vornehmlich von 200 - 800 Hz erstreckt,
in welchem Bereich die Charakteristik sonst im wesentlichen flach verlaufen würde.
Die Induktivität 37 liegt in einem Bereich von 1 bis 4 mh und der Widerstand des
Widerstandes 36 in einem Bereich von 2,2 bis 8 Ohm für einen 10 Zoll-Tieftonlautsprecher
mit 4 Ohm.
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Fig. 5A veranschaulicht die Widerstandsbeziehung zur Erzeugung einer
solchen Einsenkug, Vorzugsweise ist die Einsenkung in der Größenordnung von 3 db,
wie in Fig. 5B dargestellt ist. Während die als Ausführungsbeispiel gezeigte bevorzugte
Ausführungsform lediglich zwei billige Schaltelemente zur Erzeugung der Charakteristk-Einsenkung
erfordert, kann diese Einsenkung auch durch andere Mittel herbeigeführt werden,
beispielsweise auch mechanische Mittel im Tieftonlautsprecher.
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Der Tieftonlautsprecher 15 und das RL-Netzwerk, bestehend aus Widerstand
56und Induktivität 57, haben die dargestellte Impedanzcharakteristik. Die Wirkung
besteht darin, daß es eine Dämpfung im Ansprechen des Tieftonlautsprechers hervorrufftn
wird, wo die Impedanz des RL-Netzwerkes größer ist als diejenige des Tieftonlautsprechers,
wodurch sich die aus Fig. 5B ersichtliche Einsenkung der Charakteristik ergibt.
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Der Tieftonlautsprecher 13 kann aus einem 10-Zoll-Lautsprecher hoher
GUte mit einem Alnico-Magneten von 18 Ounces (500 g) Gewicht bestehen. Die Hochtonlautsprecher
19 und 20 bestehen vorzugsweise aus Vier-Zoll (10 cm)-Lautsprechern einer 8 Ohm
Lautsprecherspule. Mit diesem Parameterwerten ergibt sich am Eingang 31, 52 eine
Impedanz von im wesentlichen 4 Ohm. Zum Betrieb kann ein verhältnismäßig billiger
Verstärker Verwendung finden.
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Die Abmessungen des Lautsprechergehäuses betragen beispielsweise 14,5
Zoll ()7 cm) Breite, 14,5 Zoll (57 cm) Tiefe und 24 Zoll (61 cm) Höhe. Vorzugsweise
wird das Lautsprechergehäuse an die Wand gestellt und hat von der nächsten Raumecke
zweckmäßig einen Abstand von 2 Fuß (60 cm);fUr Stereowidergabe werden zwei solcher
Systeme benötigt. Die Widergabequalität des neuen Lautsprechersystems nähert sich
derwenigen des BOSE-Lautsprechersystems 901 mehr als irgendein anderes bekanntes
Lautsprechersystem.
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Versuche haben gezeigt, daß sich ausgezeichnete Ergebnisse auch ohne
die Widerstände 55 und 36 sowie den Kondensator 34 und die Induktivität 37 erzielen
lassen. Die Eingangsklemme 31 ist in solchem Fall nur über den Kondensator 33 mit
den Hochtonlautsprechern 19 und 20 verbunden und der Tieftonlautsprecher 15 ist
unmittelbar an den Eingang 51,52 angeschlossen. Eine ausreichend gleichmäßige Energieabstrahlung
und ein gen wender Anteil der reflektierten Energie im Verhältnis zur direkten Abstrahlung
ist durch das System nach der Erfindung gewährleistet derart, daß es jedes bekannte
Lautsprechersystem der Preisklasse des BOSE-Lautsprechersystems 901, ausgenommen
dieses System selbst, übertrifft. Dabei kostet das Lautsprechersystem nach der Erfindung
(BOSE-Lautsprechersystem 501) nur wenig mehr als die Hälfte des BOSE-Lautsprechersystems
901.