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Titel Lautsprechernmehrwegmemebrane mit mechanischer
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Frequenzweiche Blatt I Anwendung gebiet: Die Grfindung betrifft eine
Membrane , die nach dem elcktrodynamischen Prinzip angetrieben die Auslenkungen
dienr Spule als akustische Schwingungen ohne besondere Schallführug direkt aut'
die Luft überrrägt, Zwecks :ine solche Membrane soll die Auslenkungen einer Spule
so auf die Luft übertragen, daß der von der Membrane abgegebene Schalldruck in ainem
bestimmten Frequenzbereichden die Spule durchfließenden Strömen proportional ist.
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Stand der Technik: Bekanntlich kommt es zu Interferenzen, wenn der
Membrandurchmesser größer als die wellenlänge des abgestrahlten challg ist, Das
bedeingt für hohe Frequenzen sehr klene Membrandruchmesser, da sonst der Schall
stark gerichtet abgestrahlt wird, Ausßerdem wird durdch Interferenz der Frequenzgang
boeinträchtigt.
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Andererseits bedarf es zür Abstrahlung tiefer Frequenzen möglichst
großer Membrandurchmesser, damit die Membrane für den nötigen Schalldruck nicht
zu wit ausgelenkt werden muß.Denn dies würde starke Beschleunigugen bedingen und
dadurch eine Zunahme der Dämpfung bedeuten, die ungefähr der Geschwindigkeit proportional
iet,und ebenso eine Zunahme von Teilschwingungen der Membrane, was Verzorungen bedoutet,
Aus diesen (Gründen wird das abzustrahlende Frequenzspektrum in wenigstems zwei
Frequenzbänder aufgeteilt auf entsprochend viele Membranen verteilt, was durch eine
elektronisene Frequenzweiche bewerkstelligt wird.
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(Quelle: Hifi-Jahrbuch 8/Verfasser: Dipl. Phys. K. Breuh/Verlag: G.Braun-
Verlags- GmbH, Karlsruhe/S. I50) Kritik am stand der Technik: In allen mit einer
elektroniscdhen Frequezweiche ausgestatteten HiFi-Boren findet eine Phasenveschiebung
und somit Verfälschung des Eingangssignals atatt. Da Frepuenzweichen aus Spulen
und kondensatoren aufgebaut sind und diese Bautelle naturgemäß die Phase zwischen
Stromn und Spanung veschieben, lievt hier eine physikallsche Grenze.
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Andererseits wei en alle Breitbandsyateme, dle keine Frequenzweiche
entbalten, Interferenzen im Hochtonbereich auf. Um dennoch die für das Stereohören
unerläßliche breite Abstrahlcharakteristik in der Horizontalen zu erzielen, wurden
bisher zwei Wege eine.
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schlagen: - indem die Interferenz Konstruktiv bedingt nur in der Vertikalen
auftritt, z.B. bei dem in der OhM-E realtsierten Walsh - US - Patent 3424 873.Dieser
Yyp strahlt laut Herstellerangaben im Prospekt vertikal nur über einen Winkel von
16° linear ab.
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- indem die Winde do:; Benutzers zur Verteilung der Sohallenergie
herangezogen werden, z.B. bei sog. omnidiroktionalen Systemen wie dem Typ 90I der
US-Pirma Bose und auoh der o.g. OHM-F. Solche Konstruktionen fügem dem Klangbild
Hall su,der nicht im
Titel: Lautrsprechormehrwogmembrane mit mechanischeber
Prequenzweiche/Blatt 2 Programmaterial enthalten ist. Vkon"naturgetrsuer Musikreproduktion"kann
sOmit nioht die Rede sein.
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Da durch Interferenz auch der Frequenzgang beeintrzächtlgt wird ,
sind konstruktive Maßnahmen zu dezson Linoarisierung nötig. Bei der OHM-F ist der
Tieftonbereich bedämpftl. Bei der Bose 901 wird ein Equaliser eingssetst, der naturgemä
Phasenverschisbungen erzeugt.
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Außerdem entstohen Phasenvorsohiebungen durch Masse und Dämpfung der
Membranen. Sie nehmen mit Nasse und Dämpfung su, sind also bei großen Membranen
größer als bei kleinen .Aus diesem Grunde findet auch in Breitbandsytemen chne Frequenzweichen
eine Phasenverschiebung statt.
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chließlioh bewirkt die konusform und die räumliche Verteilung von
Membranen über eine Schallwand Phasenverschiebungen.
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Wenn auch die Grundlsgenforschung nooh nicht genau klaren konnte,welche
Phaienverschiebungen hörbar sind und welche nicht, so läßt sich doch ein Unterschied
feststellen zwischen Breit.
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band-Kopfhörersyustemem, die ein Minimum an Phasenverschiebungen aufweisen,
und beliebigen, üblichen Mehrweg- HiFi- Boxen.
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Unabhängig vom Boxentyp sind Stimmen und Orohester auffällig von Zisch-und
Lispelgeräuschen durchsetzt und die räumliche Darstellung ist. was ihre Tiefanstaffelung
angeht, diffus und flaoh.
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Die übliche Mehrwegtechnelogie erfordert naben der Frequenzweiche
mindestens zwei Lautsprecherchasdis je Box. Die Bauteile der Frequenzweichen haben
üblicherweise Toleranzen von + 20% Auch die Magnetstärken und Spulenimpedanzen streuen
innerhalb der Produktion Das bedautet eine Stroung der Frequenzgangsdaten bei Boxen
eines Typs. Werden jedooh zwei Boxen im Stereobetrieb verwendet, deren Frequensgönge
nicht übereinstimmen, so wird im Obertonberetoh eine andere räumliche Information
abgestrahlt als im Tieftonbereichb. Dar Klangbild wird also unscherf und onzilliert
abhängig von der Tonhöhe.
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Durch Zahl und Präzision der Teile ist der Rerstellungsaufwand im
allgemeinen groß.
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Aufgabe: Die Erfindung sell - eine olektronische Frequenzweiche erübrigen.
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-Interferonzen ausschalten, -Phasanverschiebungen durch Masse, Dämpfung
und Membranform reduzicren, - einen linearen Frequenzgang ohne Streuung der Daten
innerhalb der Produktion bewirken, -Teilsohwingungen in der Membrane reduzieren,
-den Berstellunsaufwand verringern, Lösung: bie Membrane besteht aus beliebig vielen,
konzentrisch angeordneten Elesenten, die durch Federn verbunden sind. Die Kernzone
die allein den obersten Frequenzbereich abstrablt, ist starr mit dcl Antrieb berbunden.
Die . Dußerste Zese, die nur den untersten Frequenzbereich
Titel:
Lautsprschermchrwegmembrane mit eohanischer Frequenzweiche/Blatt 3 abstrahlt, ist
mit einer Feder im Lautsprecherkorb aufgebängt und bederfzmeise mittels eier luftdichten
Sicke gegem diesen abgeschlossen. (s. Abb. I) Weitere Ausgestaltung der erfindung:
Die Nembranelemente bilden eine glatte, kuppelförmige Fläche mit einheltlicher Obrrflächenkrümmung.
Sie sind auf der Rückseite zur VErstelfung gerippt und mit bellobigen fasern armiürt.Die
Federn sind luftdicht und bedarfsweise mit Gewebe ver tärkt.
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Federn und Membranelemente werden durch Kleben verbunden, sofern sie
aus verscbiedenem Material sind.
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Als Membranmaterial ist vorgesehen:bellebige Harze und barte Thermoplaqte,die
mit Glas-. Karbon, Bor-oder Kunstfasern armiert werden.
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Ala Federnmaterial ist vorgesehem: bellebige flexible Kunstasteffe
wie Silikonkautscuk, Gummi, PU-HJarz, PVC.
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Vorteile: Durch die Erfindung erübrigt sich eine elcktronlsche Frequenzweiche
Damit aind die daurch dieses Bautell bedingten Nachtlle vermioden. Interferenzen
lassen sich durch richtige Bemssung der Membranelem endurchmesser völlig ausschalten,
Die Phasenverschiebungen durch Masse und Dämpfung werden dadurch beseitigt.
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daß der Antrieb des n-ten Membranelementen, das zur Abstrahlung der
tieferen Frequenzanteile in die Bewegung eingekopnelt wird, bereits selbst diese
Frequenz abstrahlt. Dadurch ist die Lage der Nulldurchgänge in der Zoit nur noch
duroh die äußerst geringe Masse der Kernzone verschoben. Damit ist eine bislang
undcnkbare Phasentreue möglich, Die einheitliche Krümmung der Mehrwegmembrane verindert
Phasenvor:chiebungen,wie sie ich ilblicherwolse durch die Geometrie der Membranen
und deren räumliche Verteilung über eine Schallwand ergeben Es ergit sich eine nahezu
ideale Kugslwellenabstrahlung mit dei Mittelpunkt in der Kernzone.
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Der Herstellungsaufwand ist durch Erübrigung der Frequenzweiche, mehrerer
Lautsprecherkörbe und Antriebe verringert. Durch die Verwendung eines einzigen Antriebes
Je Box sind streuungen der Frequenzgangsdaten durch Streuung der Magnetstärken,
Spulenimpedanzen und Frequenzweichenbauteile ausgeschlossen.
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Durch die Rippung und Armierung der Membranelemente sind Teilschningungen
und dadurch bedingte Frequenzgangeeinbrüche und klangbverfärbungen reduziert.
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Bei der Frequenzgangalinearisierung eine Typn pielen nur nooh die
Masean der Membranelemate und Federn, deros Dämpfung und Faderkonstante und die
Dämpfung durch das Gebäuse eine Rolle.
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Sie sind in der Pertigung innerhalb goringster Toleranzen einzubaiten.
Eine Streuung der Frequenzgangsdaten zun Gründen unter;'chiedlicher wirkungsgrade
der einzelnen Chassis bei der üblichen Konstruktionen ist also ausseschlossen, Ein
Versuchsmodell bestätigte. daß die Erfindung eine entscheidende Verbesserung der
Musikreproduktion bewirkt.Diese betrifft jinsbesondere die räumliche Darstellung
des Klangbildes. Die Lautsprecheerbex selbst ist praktisch nicht mehr ortbar.Die
stereophon
Titel: Lastsprecaermehrwegmembrane mit eohani soher Frequenzweiche/Blatt
4 erzeugten virtuellen Schallquellen jedoch sind räumlich sehr genau definiert,vor
allem in der Tiefe. Dies kommt besonder zum Ausdruck bei Musik kleiner Esembles,
die mit hnur zwei Mikro-Phonen aufgerommen wurde. Dies wird offensichtlich durch
die genau reproduzierte zeitlidche Zuordnung von Schall-zu Hallan teilen bewirkt,
deng bei elektronisch erzeugtem Hall, der nicht mit einer Laufzeitdifferenz zwischen
linkem und recbtem Kanal verachen wurde, wirkt die Aufnahme Künstlich und flach.
Solche Laufzeitdlfferenzen können allerdinge bei den üblichen konstruktionen garaicht
wahrgonommen werden, well sie derch die Geometrie der Membranen und deren Anordnung
verwi ctit werden.
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Es ergibt sich außerdem eine größere Klarbeit und Dynamik der Reproduktion,
wiel sich ja die Schallantelle, die vom menschlichen Hörsystem, nicht einer Quelle
zugeordnet erden können, als Störschall dem Klangbild inspesamt überlagern und so
dessen Zh\ahrnehbarkeit bseinträchtigen (HiFi-Jahrbuch 8/w. 0/Kapitel "Vordeckungseffekt"S.
45 ff).
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Dank verringerter Abmessungen einer Mehrwegkonstruktion bezogen auf
den Baßmembrandurchmesser erlaubt die Erfindung außerd in den Einsatz von HiFi -
Lautsprechern in Bereichen, so dies bisher nicht möglich war. z. B. in kassettenrecordera,
Kofferradies. Aute-Stereoanlagen, Regieeinrichtungen und Durchsageamlagen.
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Wirkungsweise der Erfindung erläntert am Beispiel einer Zweiwesmembrane
mitteln Abbildun, I: Die Zweiwegemebrane be::teht aus der Kernzone M,die starr mit
der Antriebsspule A vorbunden ist.Dan Membraneiemont M ist ilber eine luftdichte
Fedor F mit dem Membranslement M' verbunden, das seinersseits mit der Feder F' im
Lautsprscherkorb LK aufgehängt ist und zur Vermeidung von akusttschem Kurzschluß
noch mit der luftdlchten Sicke S gegen LK abgeschlossen int. Die Abb. zeigt die
Erfindung von der Seite im Schnitt.
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Über den Antrieb A geht das gesamte Frequenzspektrum auf die Membrane
M . Diese sxhwingt im obersten Frequenzbereich allein.
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Sobald die zbzustrahlende Frequenz unterhalb der Normalfreuqenz des
Masse- Fedor- Systems MFM' liegt,wird F pegenüber M' zur quasistarren Verbindung.
Damit wird M' in die Bewegung von M eingekoppelt.Die Wirkung des Manse- Feder- Systems
ist also die eine Tiefpaßfilters.
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I. Ausführugsbeispiel , erläutert durch die Abbildungen 2, Bund 4:
Das Beispeil ist eine Dreiwegmembrane, die in Abb. 2 von vorne und in Abb. : von
der geite i Schnitt gezeigt ist. sie bentcht sus den Membranelementen M.M' und den
Federn F. F' und F" In die Feder F" ist die Sicke S integriert. Die Feder F" enthält
eine Gewsvbenrmierung, die die Foderlänge radial verkürzt. jedech auch bei großen
Auslenkungen von M" einen kleinen winkeloc bedeutet.Dies dient der Vermeidung von
Amplitudenverxerungen, denn die rücktreibende Kraft von P" ist proportional tan
dessen Graph nur in der Nähe des Nuldurchganges annähernd linear ist.
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Titl: Lautsprechermchrwegmembrane mit mechanischer Frequenzweiche/Blatt
5 zur die Membranen und Federn rollen folgende Abmessungen gelten: Radius von M-
I9mm + radiale Länge von F- 3mm /untere Grenzfrequenz für M sei 3 Khz Radius von
M- 55mm + radiale Länge von r'- 6mm /untere Grenzfrequenz für M sel 500 Hz Radlus
von M" - 28. ma + radiale Länge von S - Iomm / F"= 70mm / untere Grenzfrequenz für
M" sei 20 Hz Bei projektierten Grenzfrequenzen müssen Membranmassen und Federkonstanten
durch Versuch ermittalt werden, da die Dämprung von so vielen Faktoren abhängt,
daß deren Messung und die rech= nerische Ermittlung dr Daten für Membranslemente
und Federn schwieriger ist, Als Richtwert für den Ausganspenkt der Versuche kann
gelten, daß die Masse pro abstrablflächaneingbeit Für alle Elemente die gleiche
ist, wobei die Masse von A zu der von M zu addieren ist.Ziel der Versuche muß ein,
die Membranmasse durch Änderung der lederkontanten möglichst klein zu mactlen, da
bei einem wert von ca. o,7 g/cm³ (ausgehend von 4R fiir M+ A ) M" mit ea. 400 g
noch sehr schwer ist, Das Membranmaterial ist Epoxydharz mit Glasfaserarmierung
. Das Federmaterial ist flexiblen PU- Harz. Die Gasebearmierung G ist dünnes Kunstfasergewebe,
dessen Ränder druch Verschmelzen der Fasern eine Konstante Dimensien erhalten.
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Abb.4 zeigt die Verbindung der Feder F mit M und M' mittes einem
Zweikonponentenkleber auf Epoxydharzgbasins. Dieser Kleber E bildet einen Toil der
Anschlußstege für dl Foder an den Membranen,damit die Teile ohno Hlnterschneidungen
sind und in einfachon Formen hergestellt werden können.
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2. Ausführung beispiel erläutert durch die Abbildungen 5 und 6: Das
Bei Piel zeigt, wie eine Drelwegemembrane im Spritzgußver= fahren inelusive spulenblattantrieb,
Lagern für Fedorzuteitungselemente und Membranträgertell als vollintegriertes Bauteil
ausgeführt wird. Die Konstruktion ist in Abb.5 von vorne und in Abb.6 von der Seite
im Schnitt gezeigt.
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Für Membranen und Fodern sollen dieselben Abmegsungen wie im I. Ausführungsbeispiel
geltebn mit Ausnahme von F"- 80 mm an te le von 5 Dabei sind dio Mombranelemente
M,M'und M" durch Rippen versteift und die Fodern F, Flund F" konzentrisch gelaltet.
Die projektierten Übergangsfrequenzen antsprechen denen aus dem I. Ausführugsbeispeil.
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Der Antrieb A enthält ein in einem vorangegangenen Arbeitsgang hergestelltes
Spulenblatt, dasmittels einer Lochung auf Dorne in der Form gestockt, paßgenau eingegessen
wird, Als Gußmasse eingnen sich alle nicht zu spröden oder zu weichen Thermoplaste.
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Diese Ausführug erlaubt einen automatisierten Herstellungsprozeß