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Akustischer Wandler Die Erfindung bezieht sich auf einen akustischen
Wandler zur Erzeugung von Nutzschall, insbesondere zur Sprach- und Musikwiedergabe,
als Schallgenerator und zum Einsatz als Antischallgeber.
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Bei den bekannten Lautsprechern handelt es sich - gemessen an der
Schaliwellenlange - um mehr oder weniger punktförmige Schallquellen. Aus diesem
Grund haben diese Systeme vor allem im unteren Frequenzbereich einen sehr schlechten
Abstrahlgrad.
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Außerdem ist der Frequenz und Phasengang der bekannten Lautsprechertypen
wegen der unvermeidlichen mechanischen Eigenfrequenzen sehr problematisch und läßt
sich nur unvollkommen kompensieren.
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Zur Erzeugung einer Richtwirkung ist bekannt, zwei oder mehrere Lautsprecher
in einer Linie anzuordnen und.mit einer Zeitverzögerung entsprechend dem gegenseitigen
Abstand zu betreiben. Nachteilig bei diesem Prinzip ist, daß entsprechend viele
Einzel
lautsprecher und eine aufwendige Laufzeitverzögerung notwendig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines akustischen Wandlers,
der hohe Frequenz- und Phaentreue und ine gerichtete Abetrahlung des Nutzschalls
hat.
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Erfindungsgenäß wird diese Aufgabe durch die Anordnung eines eindimensionalen
schwingungsfähigen Kontinuums - im folgenden Itt Linienschwtnger bezeichnet - mit
einer effektiven Breite möglichst kleiner als die halbe zu übertragende Wellenlänge
und einer Fortpflanzungsgeschwindigkeit gleich oder vergleichbar der Schallgeschwindigkeit
des Umgebungemediums gelöst, dessen Ende in an sich bekannter Weise reflexionsfroi
abgeschlossen ist und an dessen anderem ebenfalls reflexionsfreien oder halbunendlichen
Ende sich ein Schwingungserreger, 1. 8.
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ein Magnet/Tauchspulsystem, befindet, durch den der Linienschwinger
zu einer Schwingbewegung iu wesentlichen normal zur Oberfläche des Linienschwingers
entsprechend dem zu übertragenden Schall signal angeregt wird, wobei eine Oberflächenseite
durch ein abgeschlossenes, mit schallabsorbierendem Material gefUlltes Gehäuse akustisch
abgetrennt ist, so daß sich bezogen auf das Umgebungsmedium eine Querschnittsänderung
mit einer Fortpflanzungsgeschwindigkeit gleich oder vergleichbar der Schallgeschwindigkeit
des Umgebungsmediums über das System Linienschwinger/Gehäuse fortpflanzt. Die über
den Linienlautsprecher laufende Querschnittsschwingung strahlt durch die dadurch
verursachte lokale Volumenänderung Schall ab, der durch die Spuranpassung entsprechend
dem Verhältnis von Länge des Linienlautsprechers zur Schallwellenlänge gerichtet
ist. Die Länge des Linienlautsprechers bestimmt sich nach der gewünschten Lautstärke
und Richtwirkung und wird begrenzt durch die Dämpfung der durchlaufenden Querschnittsschwingung.
Die Breite des Linienscbwlngers sollte, um eventuelle störend Reflexionen von den
Seitenlinien zu vermeiden, kleiner als die Hälfte der
zu übertragenden
Wellenlänge sein. Dazu kann der Linienschwinger in parallele, getrennte Streifen
aufgeteilt werden.
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Als Schwingungsmechanismen können im besonderen Longitudinal-, Quasilongitudinal-,
Torsions-, Membran-, Biege-, Schub-, Ral.eigh-, Loveschwingungen usw. oder Kombinationen
der einzelnen Schwingungsarten verwendet werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß als
Linienschwinger ein Torsionsstab mit momentschlüssig daran befestigten Flügeln verwendet
wird, wobei das System Torsionsstab/Flügel eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit gleich
oder vergleichbar der Schallgeschwindigkeit des Umgebungsmediums hat, daß an einem
Ende des Linienschwingers ein Drehspul/Magnet-System angeordnet ist, das zu Drehschwingungen
entsprechend dem zu übertragenden Schallsignai anregbar ist, wobei eine Flügelseite
durch ein mit schallabsorbierendem Material gefülltes Gehause abgetrennt ist.
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Erfindungsgemäß kann als Arbeitsmittel Druck- oder Saugluft verwendet
werden, wobei der Linienschwinger lediglich den Luftstrom entsprechend der Anregung
und entsprechend der angepaßten Spurgeschwindigkeit moduliert.' Um annähernd frequenzunabhÄngige
Richtcharakteristik zu erhalten, uerden nach einem weiteren Merkmal der Erfindung
mehrere, parallel angeordnete Linienschwinger verwendet, die jeweils nur einen bestimmten
Frequenzbereich übertragen. Dabei wird das Verhältnis der Lange der Linienschwinger
zu der mitteleren Wellenlänge des zu übertragenden Frequenzbereichs gleicEgemacht.
Bei Linienschwingern mit frequenzabhängiger Fortpflanzungsgeschwindigkeit wird zusätzlich
die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der einzelnen Linienschwinger an die einzelnen
Frequenzbereiche angepaßt.
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Um ungerichtete Schallabstrahlung zu erhalten, wird nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung der Linienschwinger von einem
Schallkanal
umgeben, der in Fortpflanzungsrichtung offen ist, wobei das entgegengesetzte Ende
z. p. reflexionefrei abasn schlossen ist. Zur Verkürzung der Baulänge ist es möglich,
Schallkanal und Ltnienschwinger zu wendeln.
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Des weiteren kann der reflexionsfreie Abschluß des Linienschwingers
durch einen Schwingungsabsorher mit geschwtndigw keitsproportionaler Dämpfung gleicher
Dämpfungskonatants wie der Wellenwiderstand des Linienschwingers erreicht werden.
Der Schwingungsabsorber kann z. B. durch ein Kolben-Zylindersystem mit Überströmöffnungen
realisiert werden.
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Ebenso kann ein Tauchspul(Drehspul)-Magnetsystem mit gleicher Dämpfungskonstante
wie der Wellendwiderstand des Linienschwingers verwendet werden.
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Der reflexionsfreie Abschluß des Linienschwingers läßt sich in bekannter
Weise dadurch erreichen, daß das abschließende Stück des Linienschwingers bedämpft
wird. Um eine optimale Ausnützung der Baulänge zu erreichen, wird an den Linienschwinger
ein obenfalls linienförmiges Schwingelement angeschlossen, das denselben Wellenwiderstand
hat, wie der Linienschwinger und bedämpft wird.
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Um BaulXnge einzusparen, wird das anschließende Schwingelement so
angebracht, daß die Schwingbewegung in dt. entgegengesetzte Richtung umgelenkt wird.
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Der Erfindungagegenstand ist anhand einiger Ausführungsbeispiele dargestellt.
Es zeigen: Fig. la einen Linienlauteprecher mit Biege- und/oder Membranschwingungen
im Längsschnitt; Fig. 1b den Linienlautsprecher nach Fig. 1a im Querschnitt entlang
der Linie A-A der Fig 1a; Fig. 2 einen Linienlautsprecher mit Biege- und/oder Saitenschwingungen
mlt Luftfederung;
Fig. 3 einen Linienlautsprecher mit Longitudinalschwingungen;
Fig. 4 einen Linienlautsprecher mit Torsionsschwin-gung; Fig. 5 einen Linienlautsprecher
mit Torsionsschwingung; Fig. 6 einen Linieniautsprecher fiir Druck- oder Saugluft;
Fig. 7 einen Linienlautsprecher mit Schiebesteuerung; Fig. 8 einen Linienlautsprecher
für Druck- und Saugluft; Fig. 9 einen Linienlautsprecher mit gewendeltem Linienschwinger.
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Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel einer reflexionsfreien Lagerung.
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In Figur ia und ib ist im Langs- und Querschnitt ein Ausführungsbeispiel
eines Linienlautsprechers dargestellt. Ein streifenförmiger Membran- oder Biegeschwinger
1 wird an einem Ende durch ein Magnet-Tauchspul-System 4, 3 zu Schwingungen angeregt,
die sich im dargestellten Fall yon links nach rechts mit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
des Membran- oder Biegeschwingers fortpflanzen. Diese wird durch Dimensionierung
und/oder Vorspannung so gewählt, daß sie gleich oder ungefahr gleich der Schallgeschwindigkeit
des Umgebungsmediums ist. Der Membran-oder fliegeschwinger 1 ist am dem Magnet-Tauchspul-System
4, 3 entgegengesetzten Ende durch einen Schwingungsabsorber 5 abgeschlossen. Dieser
besteht z. B. aus einem an sich bekannten Zylinder/Kolbensystem mit Überströmöffnungen,
durch die das bei der Kolbenbewegung verdrängte flüssige oder gasförmige -Nedium
hindurchströmt, wodurch sich eine geschwindigkeitsproportionale Dämpfung ergibt.
Für den reflexionsfreien Abschluß ist die Dämpfungskonstante gleich dem Wellenwiderstand
des Membran-oder Biegeschwingers 1. Durch Abschluß- und Spannflächen 2 wird der
Membran- oder Biegeschwinger 1 gehalten, so daß sich auch ein akustischer Abschluß
mit dem Gehäuse 7 ergibt. Im Gehause 7 befindet sich - ohne die Schwingbewegung
im Membran-oder Biegeschwinger 1 zu stören - ein Schallabsorber 6, z. 13.
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Glaswolle, der die Schallwellen im Gehause ausschaltet.
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flei einer Schwingungsanregung durch das Magnet-Tauchspul-System 4,
3 kommt es aufgrund der durchlaufenden Auf- und Abbewegung des Membran- oder Biegeschwingers
i zu einer eitlichen Querschnittsdnderung
und damit zu einer Volumenänderung.
Diese strahlt Schall ab, der dank der Spuranpassung gerichtet ist.
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Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist analog zu dem von Fig.
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la und 1b. Ein streifenförmiger Xembranschwinger 11 ist vorgespannt
und bildet einen hermetischen Abschluß eines Gehäuses 17. Durch die Membranen 12
werden einzelne Luftkammern abgeteilt, die als zusätzliche Federung wirken. Durch
ein Magnet Tauchspul-System 14, 13 wird an einem Ende eine Auf-Ab-Schwingbewegung
eingeleitet, die am anderen Ende durch einen Schwingungsabsorber 15 mit D.impfungsbohrungen
16 abgedampft wird.
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Das von der Schwingbewegung des Membranschwingers 11 verdrängte Luftvolumen
atrömt durch die Dämpfungsbohrungen 15, so daß sich eine geschwindigkeitsproportionale
Dämpfung ergibt. Die Spannung des Xembranschwingers 11 und die Federsteifigkeit
der Luftkammern wird so eingestellt, daß die Spurgeschwindigkeit der Schallgeschwindigkeit
des Umgebungsmediums gleichkommt.
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ei einer Reihe von Schwingungsarten, wie z. B. Biegeschwingingen und
federunterstützten Membranschwingungen, ist die Spurgeschwindigkeit frequenzabhängig.
In diesem Fall kann ea zweckmäßig sein, mehrere Linienlautsprecher zu verwenden,
die jeweils nur einen bestimmten Spektralbereich übertragen, für den sie die entsprechend
angepaßte Spurgeschwindigkeit aufweisen. Die Linienlautsprecher für den oberen Frequenzbereich
können dabei entsprechend den kleineren Wellenlängen kürzer sein. Eine solche Anordnung
hat zudem den Vorteil, daß die Richtwirkung wegen des gleichen Längen- und Wellenlängenverhältnisses
für alle Frequenzen ungefähr gleich ist.
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Während in den Beispielen der Fig. 1 und 2 die Schallabstrahlung dadurch
erfolgte, daß eine Querschnitts- und damit eine Volumenänderung entsprechend dem
angeregten Signal hervo@rgereifen wurde (Monopolquelle), wird der Schall im Ausfiihrungebeispiel
der Fig. 3 durch eine Kraftnderung erzeugt (Dipolquelle
). Ein Longitudinalschwinger
21 mit einer Fortpflanzungsgeschwindigkeit gleich oder ungefähr gleich der Schallgeschwindigkeit
des Umgebungsmediums wird an einer Seite von einem Elagnet-Tauchspul-Systen 24,
23 zu Schwingungen in Ausbreitungsrichtung angeregt. Am Longitudinalschwinger 21
befinden sich in einem gegenseitigen Abstand, der klein gegenüber der abzustrahlenden
Wellenlänge ist, Schirme 22. Zur Erhöhung der Steifigkeit haben diese kegelförmige
Gestalt. Sie werden entsprechend der Schwingbewegung im Longitudinaischwinger hin-
und herbewegt und üblen so eine Wechselkraft auf das Umgebungsmedium'aus.
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Der Longitudinalschwinger 21 ist an einer Seite durch einen Schwingungsabsorber
25 reflexionsfrei abgeschlossen. Analog zum Ausführungsbeispiel der Fig. ia ist
dies durch die Kolben/Zylinderanordnung 24, 23 verwirklicht. Ein Rahmen 27 spannt
den Longitudinalschwinger 21 auf. Anstelle der einzelnen Schirme 22 ist es auch
möglich, eine Wendelfläche, die sich um den Longitudinalschwinger 21 windet, zu
verwenden. In diesem Fall kann der Longitudinal schwinger 21 durch einen Torsionsschwinger,
z. B. einen Drehstab, ersetzt werden. Dieser wird dabei zu Drehschwingungen angeregt.
Onne die Schirme 22 kann auch die Abstrahlung der Quasilongitudinalwellen in Schwinger
21 benützt werden.
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In Fig. 4 ist ein Linienlautsprecher mit zwei Torsionsschwingern 31
und daran momentschlüssig angebrachten Flügeln 32 dargestellt. Flügel 32 und Gehäuse
37 bilden eine akustisch abgeschlossene Einheit. Das Gehäuse ist mit einem schallabsorbierenden
Material 36 ausgefüllt. An einem.Endenpaar der Torsionsschwinger 31 befinden sich
zwei (hier nicht gezeichnete) Drehspulsysteme, über die eine blomentschwingung gleich
aber gegensinnig in die beiden Torsionsschwinger 31 eingeleitet wird. Die anderen
Enden der Torsionsschwinger 31 sind reflexionsfrei abgeschlossen.
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Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist analog zu dem in Fig, 4.
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Ein Torsionsschwinger 41 mit Doppel flügel 42 wird an einem Ende durch
ein (nicht dargestelltes) Drehspulsystem angeregt, das
andere Ende
ist reflexionsfrei abgeschlossen. Die Flügel 42 drehen sich berührungsfrei in einem
Gehäuse 47. Das Innengehäuse ist dabei wieder mit schallabsorbierendem Material
46 ausgefüllt. Die Nutzschall abstrahlende Flügelseite ist mit einer perforierten
Schutzhülle 43 abgeschlossen.
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Bei einer nicht perforierten Schutzhülle 43 läuft der Nutzschall in
den Kanal und kann über eine Öffnung bzw. daran angeschlossenen Schalitrichter abgestrahlt
werden.
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Bei den Ausfiihrungsbeispielen der Figuren 6 bis 8 wird ein Druck-
oder Saugmedium, z. B. Druckluft, als Energieträger verwendet, wobei der Linienschwinger
lediglich den Luftstrom entsprechend der Anregung und entsprechend der angepaßten
Spurgeschwindigkeit moduliert. Diese Ausführungsformen sind jeweils im Querschnitt
dargestellt.
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In Fig. 6 wird ein Torsionsschwinger 51 mit einem momentschlüssig
angebrachten Ventil flügel 52 an einem Ende von einem (nicht dargestellten) Drehspulsystem
angeregt, wobei die Erregerschwingung mit der Spurgeschwindigkeit über den Torsionsschwinger
51 läuft und über den Ventilflügel 52 eine Ventilöffnung 53 steuert. Durch eine
Druckluftführung 58 wird über Öffnungen 59 Luft in das mit schallabsorbierendem
Material 56 gefüllte Innere des Gehäuses 57 eingeleitet. Eine luftundurchlässige
balgartige Membran 54 ist zwischen dem Ventilflügel 52 und den Gehäuse 57 angeordnet.
Die Luftausströmung durch die Ventilöffnung 53 wird dabei in 0. g. Weise moduliert.
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In Fig. 7 wird ein Torsionsschwinger 61 mit dem momentschlüssig angebrachten
Drehschleber 62 durch ein (nicht dargestelltes) an einem Ende des Schwingers angebrachtes
Magnet-Drehspul-System in Drehschwingungen versetzt, wodurch die Ventilfläche 63
moduliert wird. Das Druckmedium wird durch ZufUhrungen
68 zugeführt.
Schwingungsanregung, Spuranpassung und reflexionsfreier Abschluß sind analog den
oben beschriebenen Beispielen. Das Gehäuse ist mit 67 bezeichnet.
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In Fig. 8 ist schließlich eine Ausführungsform zur gleichzeitigen
Anwendung eines Druck- und Saugmediums dargestellt. Durch eine Druckzuführung 78
wird dabei über die Bohrungen 79 z. B.
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Druckluft in das rechte Innengehäuse zugeführt. Entsprechend wird
durch die Saugzuführung 78' über die Bohrungen 79' dem linken Innengehäuse Luft
entzogen. Der Druck- und Saugstrom nach außen wird durch ein Flügelventil 72, das
momentschlüssig an einem Torsionsschwinger 71 befestigt ist, gesteuert. Der Torsionsschwinger
wird an einem Ende über ein Drehspulsystem zu Torsionsschwingungen angeregt, wo'trend
das andere Ende reflexionsfrei abgeschlossen ist. Das Innere des Gehäuses 77 ist
zur Dämpfung der Schallwellen mit absorbierendem Material 76 ausgefüllt.
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In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel mit gewendeltem Linienschwinger
81 dargestellt. Der Linienschwinger 81 ist im dargestellen Beispiel ein Nembranstreifen
und ist auf einem Zylindermantel wendelförmig aufgewickelt. Die Breite des Linienschwingers
- die Streifenbreite - ist kleiner als die halbe zu über tragende Schallwellenlänge.
Der Linienschwinger 8i wird dabei durch die ebenfalls gewendelte Halterung 82 gehalten.
Bei membranförmigem Linienschwinger 81 ist die Halterung 82 hart, um ein Überschwingen
zur benachbarten Wendel auszuschalten. An einem Ende des Linienschwingers 81 wird
über ein Magnet/Tauchspul-System 84, 83 eine Schwingung eingeleitet, während das
andere Ende reflexionsfrei abgeschlossen ist. Durch die Spannung der Membran wird
die Ausbreitungsgeschwindigkeit an die Schallgeschwindigkeit des Umgebungsmediums
angepaßt. Die Membranspannung kann dabei s. B. durch einen Über- oder Unterdruck
im von dem gewendelten Linienschwinger'81 gebildeten Inneren des Getnäuses 87 eingestellt
werden. Um eine Schallausbreitung im
Innenzylinder abzudämpfen,
befindet sich darin ein Absorptionsmaterial 86. Das Gehäuse des Linienschwingers
ist mit 87 bezeichnet. Da ein gewendelter Linienschwinger 81 eine sehr selektive
-entsprechend dem Verhältnis von Wendeldurchmesser zu Schallwellenlänge - Abstrahlung
hat, ist der mit einem ebenfalls gewendelten Schallkanal 89 versehen. Dieser ist
auf der dem reflexionsfrei abgeschlossenen Ende des Linienschwingers 8i zugeordneten
Seite 88 offen und endet z. B. in einem Schall trichter.
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Fig. 10 stellt ein Beispiel einer reflexionsfreien, halbunendlichen,Lagerung
eines Linienschwingers 91 dar. Dieser endigt in eine Schiene 98, die durch Kugeln
oder Rollen 99 gegenüber dem Gehäuse 97 verschiebbar gelagert ist. An der Schiene
98 befindet sich der Scawingungserreger, z. 13. ein Magnet/Tauchspulsystem 94/93
ueber den eine Normalenbewegung auf den membranförmigen Linienschwinger 91 eingeleitet
werden kann. Die tasse der Schiene 98 und der Rollen 99 kann bei dieser Konstruktion
eine elektrische Entzerrung des Frequenzganges ersetzen. Da die Abstrahlung eines
Linienschwingers im Quadrat der Frequenz stcigt und die Dämmwirkung dieser Massen
den umgekehrten Frequenzgang aufweist kompensieren sich beide Effekte zu einem linearen
Frequenzgang. Anstelle der Rollenlagerung ist auch eine elektromagnetische oder
eine Luftlagerung möglich.
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Wenn beide Enden des Linienschwingers 91 mit einer solchen Lagerung
abgeschlossen und gleichartig angeregt werden, so erlinlt man beidseitige Abstrahlung.
er reflexionsfreie Abschluß kann in diesem Falle auf aktivc Weise erreicht werden.
Dazu wird den Schwingspulenströmen in an sich bekannter Weise ein Stromsignal zugemischt,
das gegenüber dem Erregersignal um den Laufzeitunterschied im Linienschwinger verzögert
und auf die Abschlußimpedanz abgestimmt ist.
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Um das Bauvolumen eines Linienlautsprechers zu verringern und den
Frequenzgang durch die Luftfederung nicht zu heeintrSchtigen, ist es möglich, mehrere
Linienschwinger 91 in der Tiefe gestaffelt zu verwenden.