DE2601888C3 - Anordnung zur räumlichen Abstrahlung akustischer Schwingungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur räumlichen Abstrahlung akustischer Schwingungen mit einer räumlich gekrümmten elastischen Membran. Eine solche Anordnung wird als »atmender« Strahler bezeichnet.

Aus der DE-AS 10 89 415 ist ein Strahler bekannt, dessen Membran einen Druckraum bildet und innenseitig über ein Zwischenmedium von den Druckwellen eines Primärschallerzeugers beaufschlagt ist, wobei im Druckraum ein Füllkörper enthalten ist. Als Zwischenmedium wird vorzugsweise Wasserstoff verwendet. Die Membran ist kugelförmig gekrümmt, wodurch eine kugelförmige Abstrahlcharakteristik erstrebt und erreicht wird.

Neuere Forschungsergebnisse in der Wiedergabetechnik haben jedoch gezeigt, daß sich ein natürliches Hörbild aus ganz bestimmten Anteilen von direkt und indirekt aufgenommenem Schall zusammensetzt. Das bedeutet, insbesondere im Hinblick auf die heutige Mehrkanal-Wiedergabetechnik, daß die Lautsprecher gezielt solche Abstrahlcharakteristikcn aufweisen müssen, daß ein richtiges Verhältnis zwischen den direkt und indirekt abgestrahlten Schalleistungen gewährleistet ist.

Hierbei hat sich gezeigt, daß eine Kugelcharakteristik b5 nicht befriedigt, da sie zwar einen guten Raumklang vermittelt, die Ortungsmöglichkeit des virtuellen Klangbildes aber mangelhaft ist, weil das oben erwähnte optimale Abstrahl verhältnis nicht verwirklicht ist

Hier setzt die Erfindung ein. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, mittels einer einzigen Abstrahlanordnung eine verschieden festlegbare räumliche Abstrahlcharakteristik bei kleinsten Abmessungen und bestem Wirkungsgrad zu verwirklichen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung der einleitend bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die tvtaterialstrukturierung der Membran und/oder die Krümmung ihrer atmenden Absi rahloberfläche örtlich unterschiedlich ist.

Da die Erfindung eine atmende Hohlmembran voraussetzt, bei der die Bewegungsrichtung der Oberflächenelemente zur Abstrahloberfläche im wesentlichen senkrecht ist, werden entsprechend der örtlich unterschiedlichen Krümmung der Abstrahloberfläche unterschiedliche Schallenergieanteile in die verschiedenen Raumrichtungen abgegeben. Unter der Materialstrukturierung der Membran werden deren Dicke, Elastizität, Dichte, der Dämpffaktor und dergleichen Eigenschaften verstanden. Die örtlichen Unterschiede der Materialstrukturierung bewirken eine entsprechende Schnelleverteilung, d. h. Unterschiede in den Beträgen der Schnellevektoren der Abstrahloberfläche. Somit läßt sich durch eine bestimmte räumliche Form und/oder Materialstrukturierung der schallabstrahlenden Oberfläche eine solche Richtcharakteristik (Polardiagramm) des Strahlers verwirklichen, wie sie im Hinblick auf die Form und Eigenheit des auszuschallenden Raumes gewünscht wird. Da die Richtcharakteristik auch von dem Verhältnis der Wellenlänge zur Strahlerabmessung mitbestimmt ist, ergibt sich für die festzulegende Richtcharakteristik ein bestimmtes Gebrauchs-Frequenzintervall. Darunter wird das Frequenzintervall verstanden, in dem die Anordnung bestimmungsgemäß vorwiegend betrieben werden soll. Für die Bewegung der räumlichen Abstrahlmembran kommen außer dem indirekten Antriebsprinzip mit einem Zwischenmedium alle anderen Antriebsprinzipien in Betracht, also auch das direkte elektrostatische oder piezoelektrische Antriebsprinzip. Im Hinblick darauf wird zur Vereinfachung der Abstrahlanordnung vorgeschlagen, daß ein die Schwingung erzeugender elastischer Schichtenverband die Membran bildet und auf einem elastisch-plastischen Trägermaterial installiert ist.

Im Falle des indirekten Antriebs, wenn also ein Priimärschallerzeuger vorgesehen ist und ein Zwischenmedium sich zwischen diesem und der Membran befindet, kann die Masse des Zwischenmediums mit Hilfe eines Füllkörpers im Druckraum und dessen Dimensionierung auf das Übertragungsverhalten genau abgestimmt werden. Insbesondere bei einer Flüssigkeit als Zwischenmedium wird in Weiterbildung der Erfindung diese Abstimmung in der Weise vorgenommen, daß die akustische Impedanz der Induktivität der Flüssigkeitsmasse etwa gleich der Kapazität des hinter der Membran des Primärschallerzeugers eingeschlossenen Luftpolsters ist. In diesem Fall ist nämlich der Strahlungswiderstand der Membran des Primärschallerzeugers reell und maximal.

Es ist denkbar, die Membran in beispielsweise zwei Bauformen auszuführen: Für kleinere Räumlichkeiten mit wenig Reflexionen und Hall wählt man etwa eine Membran mit weniger Richtwirkung als für größere Räume, in denen genügend Reflexion und Hall vorhanden ist. Welche Richtcharakteristik bzw. Krümmung und Strukttirierung der Membran besonders

günstig ist, läßt sich berechnen oder durch Versuche ermitteln, wenn man berücksichtigt, ob die Wiedergabe ein- oder mehrkanalig erfolgen soll und wie die Raumverhältnisse für die Wiedergebe hinsichtlich Größe, Dämpfungsfaktor, Proportion usw. sind. Gegebenenfalls kann sich eine völlig unregelmäßige, unsymmetrische Form und Inhomogenität der Membran als für den speziellen Fall günstig erweisen. Neben diesen Kriterien ist nur das gewünschte Verhältnis von direkt und indirekt abgestrahltem Schall zu berücksichtigen.

Um eine besondere Wirtschaftlichkeit der Anordnung zu erreichen, ist vorgesehen, mit einem einzigen Produktionstyp ein breites Spektrum von verschiedenen Richtcharakteristika durch Variieren der Einflußparameter Krümmung und Materialstrukturierung der Membran zu erzielen. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, daß die Membran verschieden tief über einen Haltewulst gezogen werden kann, wobei deren Form, zum Beispiel größere oder geringere Abflachung, und deren Elastizitätseigenschaften durch die zusätzliche statische Vordehnung geändert werden, sofern nur die Masse des Zwischenmed'ums unverändert bleibt. Ein anderer Vorschlag geht dahin, zum gleichen Zweck einer Variierung der Richtcharakteristik ein Ventil zum Ablassen von Zwischenmedium vorzusehen, dessen Masse also gezielt zu verändern.

Schließlich ist es auch möglich, die Membran nach außen hin räumlich sternartig an einer Anzahl von elastischen Fäden aufzuhängen, wobei diese Fäden an ihrem anderen Ende an einem Gestell derart befestigt sind, daß durch variable Vorspannung der elastischen Fäden die Raumform, also die Krümmung der Abstrahloberfläche verändert werden kann. Im Falle der vorerwähnten Impedanzabstimmung ist dann die von der Aufhängung herrührende kapazitive Impedanz derjenigen des Luftpolsters hinzuzuschlagen.

Im folgenden werden, teils anhand der Zeichnung, Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch ein elektro-pneumatisches Lautsprechersystem und

Fig.2 verschiedene Ausführungsformen der Membran.

F i g. 1 ist eine Prinzipdarstellung eines Lautsprechersystems, das sich zur Abstrahlung von im Wohnbereich üblichen mittleren Leistungen sowie mittleren und hohen Frequenzen eignet.

Als Primärschallerzeuger ist ein elektrodynamischer Wandler vorgesehen, bestehend aus einem Magnet 1, einer Wandlermembran 2, die auf ihrer unteren Seite eine vom elektrischen Strom durchflossene Spule trägt, und einer Abschlußplatte 3, die eine kreisförmige öffnung mit Wulst hat. An der Abschlußplatte ist eine räumliche Membran 4 befestigt, vorzugsweise angeklebt. Das Innere der Membran ist mit einer Flüssigkeit 5 gefüllt, die gleichfalls mit der Wandlermembran 2 in Kontakt steht. Ferner enthält der Innenraum der Membran, der sogenannte Druckraum, einen starren Hohlkörper 6, der über Streben 7 fest mit dem Magnet 1 und dadurch auch mit dem Chassis verbunden ist. Der Hohlkörper 6 dient dazu, der Masse der eingeschlossenen Flüssigkeit 5 ein ganz bestimmtes akustisches Verhalten zu verleihen. Der Hohlkörper ist nämlich so bemessen, daß die akustische Impedanz der Induktivität der Flüssigkeitsmasse etwa gleich der Kapazität des hinter der Wandlermembran 2 eingeschlossenen Luftpolsters 9 ist Diese Abstimmung ist für ein auch durch die Bauabmessungen mitbestimmtes Gebrauchs-Freqvienzintervall vorgenommen.

Wird die Wandlermembran 2 in Bewegung gesetzt, so entsteht im Innern der Membran ein sich änderndes Druckpotential, das die Membran in die eingangs erwähnte atmende Bewegung versetzt, wobei die Bewegung örtlich von der Druckänderung und der Strukturierung des Membranmaterials abhängt Die Gesamtgröße der Membranoberfläche ergibt sich aus der erwünschten abgestrahlten Schalleistung sowie der dazugehörigen, insbesondere tiefen Frequenz unter Berücksichtigung der baulichen praktischen Möglichkeiten.

Wie aus Fig.2 ersichtlich, hat die dort gezeigte Membran 4" die Form eines Dreh ellipsoids. Seine örtlichen Krümmungsunterschiede ergeben sich aus der angestrebten Schallenergieverteilung im Raum. Je abgeflachter das Drehellipsoid ausgeführt wird, desto größer wird der Anteil des direkt abgestrahlten Schalles, wobei die Drehachse die Hauptabstrahlrichtung 8, d. h. die auf die Zuhörer gerichtete Achse ist Die Dicke 10 der Membran ist an der Durchstoßstelle der Achse am größten und nimmt nach allen Richtungen hin ab. Damit ist auch eine örtlich unterschiedliche Membranstrukturierung verwirklicht, die das Schnelleverhalten beeinflußt.

Zur Veranschaulichung lassen sich folgende qualitativen Überlegungen anstellen: Dabei soll angenommen werden, daß die Normalkomponente der Schnelle auf der Abstrahloberfläche gleichmäßig verteilt ist Hätte die Membran Kugelform, so würde sich eine kugelförmige Richtcharakteristik ergeben. Die Einspannung der Membran bleibt hierbei unberücksichtigt. Plattet man die Kugel jedoch immer mehr ab, so entstehen zunächst das durch die Membran 4" dargestellte Drehellipsoid, sodann ein weiteres, flacheres Drehellipsoid, das durch eine gestrichelte Membran 4' angedeutet ist, und im Extremfall eine atmende Kreisscheibe, die mit einer in einer starren Wand schwingenden Membran gleichgesetzt werden kann. In diesem Extremfall ergibt sich eine bekannte Richtcharakteristik, die davon abhängig ist, in welchem Verhältnis die Strahlerabmessung zur Wellenlänge steht. Es ergibt sich somit für die Zwischenabstufungen der Abplattung jeweils eine andere Richtcharakteristik, wobei allerdings, wie oben erwähnt, die Wellenlänge im Verhältnis zur Strahlerabmessung maßgebend ist.

Außer dieser Möglichkeit der Beeinflussung der Richtcharakteristik durch die örtliche Krümmung läßt sich die Richtcharakteristik auch durch eine variable Schnelleverteilung oder durch die kombinierte Anwendung beider Parameter beeinflussen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel beruht darauf, daß die Membran nach dem elektrostatischen Antriebsprinzip angetrieben wird. Hierbei ist der zur Schwingungserzeugung notwendige elast'sche Schichtenverband auf

bo einem elastisch-plastischen Trägermaterial installiert und der gesamte Schichtenverbund ist räumlich geformt, also mit einer bestimmten räumlichen Krümmung versehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur räumlichen Abstrahlung akustischer Schwingungen mit einer räumlich gekrümmten elastischen Membran, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstrukturierung der Membran (4, 4', 4") und/oder die Krümmung ihrer atmenden Abstrahloberfläche örtlich unterschiedlich ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Schwingung erzeugender elastischer Schichtenverband die Membran bildet und auf einem elastisch-plastischen Trägermaterial installiert ist

3. Anordnung nach Anspruch!, mit einer einen Druckrsum bildenden Membran, welche innenseitig über ein Zwischenmedium von den Druckwellen eines Primärschallerzeugers beaufschlagt ist, wobei im Druckraum ein Füllkörper enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß für ein bestimmtes Gebrauchs-Frequenzintervall die akustische Induktivitätsimpedanz der Masse des Zwischenmediums (5) etwa gleich der Kapazitätsimpedanz des hinter der Membran (2) des Primärschallerzeugers eingeschlossenen Luftpolsters (9) ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) verschieden tief über einen Haltewulst ziehbar ist

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil zum Ablassen von Zwischenmedium (5) vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran an einer Anzahl außen angreifender, räumlich sternartig angeordneter elastischer Fäden aufgehängt ist, deren Vordehnung durch die Art der Befestigung ihres anderen Endes an einem Gestell veränderbar ist.