DE2801227B2 - Lautsprecherbox mit Hornresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Lautsprecher, insbesondere für Tieftonwiedergabe, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Zur verstärkten Baßwjedcrgabe sind sogenannte Baßreflexboxen bekannt (beispielsweise AT-PS 212 897λ bei welcher ein Heftonlaiitsprecher an einer Wund einer Kammer angeordnet ist und durch eine Schallöffnung in dieser Kammerwand nach außen abstrahlt, wahrend von der Membranrückseite des Lautsprecherchassis die im Kammervolumen einge schlossene Luft in Schwingungen versetzt wird. Die Kammer weist außer der Schauöffnung noch eine zweite öffnung auf, die sogenannte Reflexöffnung, die mit einem eine Luftsäule einschließenden Schacht in Verbindung steht, der zur Verlängerung dieser Luftsäule auch mehrfach abgewinkelt sein kann und der meist durch Einbauten innerhalb der Lautsprecherbox gebil-

is det wird. Diese Luftsäule bildet zusammen mit dem in der Kammer eingeschlossenen Luftvolumen und der Membran des Chassis ein schwingungsfähiges Gebilde, dessen Resonanzfrequenz um den Faktor 1/^Z tiefer liegt als bei geschlossenen Boxen, so daß die gesamte Box auch tiefe Frequenzen noch mit großem Vers'.-hiebungsvolumen abstrahlt; allerdings ist dabei die Abstrahüläche viel zu Wein. Die Größe einer Baulautsprechermembran sollte nämlich, um verzerrungsfrei zu arbeiten, das gleiche Größenverhältnis zur durchschnittliehen Plazierungswand haben, wie das großflächigste Musikinstrument zur Plazierungswand des Aufführungsraumes — oder noch besser, «ie die durchschnittliche Gesamtfläche der vorhandenen Musikinstrumente zur Plazierungswand, und dieser Ausdruck gebrochen

jo durch die Wurzel aus der Gesamtzahl der vorhandenen Musikinstrumente. Membranen dieser Größe wären aber zu schwer und zu wenig steif, woraus wieder neue Verzerrungen resultieren würden. Außerdem würden dann die Gehäusevolumina zu groß.

Es ist ferner aus den DE-OS 21 11 581, 21 16 962 und 26 38 053, der AT-PS 3 05 403 sowie aus der Zeitschrift »Radio & Television News« vom November 1953, Seiten 68,69 bekannt durch Cehäuseeinbauten ein sich an eine relativ kleine Lautsprecherkammer anschließendes Exponentialhorn nachzubilden, welches den von der Membranrückseite des Lautsprechers abgestrahlten Schall unter Senkung der an der Membranrückseite herrschenden Strahlungsimpedanz großflächig ebenfalls in den Wiedergaberaum übertragen soll. Diese Einbauten sind jedoch ziemlich kompliziert und aufwendig — insbesondere im Falle der »Radio & Television News«, wo sie zur Änderung der Hornform zwecks Optimierung des persönlichen Klangeindrucks auch noch verstellbar sind — und haben sich daher in der Praxis nicht durchgesetzt, zumal die untere Grenzfrequenz bei solchen Konstruktionen relativ hoch liegt (bei einem nach neueren Tendenzen kleiner gebauten Gehäuse plus Horn steigen die Resonanzfrequenz fo und die untere Grenzfrequenz /fe noch weiter an. Bei einer dritten Variante, ein Horn zu verkürzen, verkleinert man als Ausgleich den Erweiterungsmodul m% und den Hommunddurchmesser d_e nochmals, um das dynamische Luftgewicht zu erhöhen. Ein solches Horn verfärbt jedoch den Kkng auf Grund der Bildung

μ stehender Wellen: es »röhrt«.

Aus der bereits erwähnten Zeitschrift »Radio & Television News«, allerdings aus der Ausgabe vom Dezember 1954, Seiten 46 und 47, ist weiterhin eine Lautsprecherbox bekannt, bei welcher der Lautsprecher mit einem relativ großen Kammervolumen zusammenarbeitet und diese Kammer über eine öffnung mit einem sich trichterartig erweiternden Horn verbunden ist. Die Verbindungsöffnung zwischen Kammer und Horn ist

jedoch relativ groß gehalten, um den in der Kammer erzeugten Schall möglichst unbeeinflußt in das Horn Obertreten zu lassen. Auch ist keine besondere Dimensionierung des Homes erkennbar, welches durch die Bodenwand des Gehäuses und einer von dessen den s Lautsprecher tragenden Vorderwand schräg nach hinten unten verlaufenden Trennwand gebildet wird und offenbar lediglich der besseren Anpassung der Abstrahlfläche an den Uniraum dienen soll

Um eineii Ausweg aus den UnvoUkonunenheiten der bekannten ein Horn verwendenden Boxen aufzuzeigen, hat der Anmelder bereits eine als sogenanntes Kammerhorn bezeichnete Lautsprecherbox entwickelt, bei welcher ein verkleinertes Exponentialhorn an die Reflexöffnung einer Kammer angesetzt ist Das Volumen der Kammer zusammen mit der Resonanzfrequenz des Lautsprecherchassis und der Größe der Verbindungsöffnung (die Reflexöffnung hat hier die Wirkung eines Tiefpaßfilters) zwischen Kammer und Horn wird im Sinne einer gewünschten tiefen Resonanzfrequenz gewählt, wöbet das Exponentialhorn dann eine wesentliche Verbesserung der Strahlungsimpedanzanpassung (Abstrahlflächenanpassung) von Kammeröffnung an den Umgebungsraum entsprechend den bekannten Impedanztransformationseigenschaften eines Exponentialhornes bewirkt' Da wegen der erwähnten Bemessung der Kammer auch die tiefen Baßfrequenzen an der Verbindungsöffnung zum Horn mit relativ großer Schwingungsamplitude und gleichphasig mit den von der Membranvorderseite abge- strahlten Schallwellen zur Verfügung stehen und die Kammer durch diese Verbindungsöffnung auch ils Druckkammer wirkt, kann das Exponentialhorn für die Baßabstrahlung wesentlich geringere Abmessungen haben, als es bei einem üblichen Exponentialhornlaut-Sprecher für eine vergleichbare Baßabstrahlung erforderlich wäre. Man erhält also mit einfachen Mitteln eine gute und kräftige Baßwiedergabe.

Die Aufgabe der nachfolgend zu beschreibenden Erfindung besteht nun in der weiteren Verbesserung der Baßwiedergabe im Sinne einer Herabsetzung der unteren Grenzfrequenz und außerdem einer größeren Impulstreue ohne Vergrößerung des konstruktiven Aufwandes. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 erwähnten Merkmale gelöst Zwei alternative Realisieningsmöglichkeiten des nachfolgend erläuterten Grundgedankens der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben; die weiteren Unteransprüche betreffen konstruktive Ausgestaltungen der Erfindung.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, vom Prinzip des bekannten Helmholtz-Resonators Gebrauch zu machen, dessen gesamtes eingeschlossenes (eingespanntes) Luftvolumen bei seiner durch seine Abmessungen bestimmten Resonanzfrequenz als aktive Membran schwingt Für einen beispielsweise zylindrischen Helmholtz-Resonator läßt sich bei vorgegebener Resonanzfrequenz für jeden Durchmesser eine zugehörige Länge angeben, und für al! diese Parameterpaare haben die zugehörigen Helmholtz-Resonatoren _Μ das gleiche »dynamische Luftgewicht«.

Der Erfinder hat nun erkannt, daß man ausgehend von einem (hinsichtlich seines Querschnitts bzw. Durchmessers) geeignet gewählten Helmholtz-Resonator gemäß der ersten Variante diesen durch propor- «,5 tionale Vergrößerung seiner Länge und seines Durchmessers in Richtung zum Umgebungsraum hin unter Beibehaltung des dynamischen Luftgewichts, also ohne df d#bitl zu verändern, zu einem hornartiRen R«|PB»lpr(nachfolgend Homresonatpr gpnannt) erweitem Jcpn, welcher dieselbe Resonanzfrequenz wb der Auigaiigs-Helmboltz-Resonator (nachfolgend auch Basisresonator genannt) hat und dessen »eingespanntes« LHftVoIumen ebenfalls wie beim Helmholtz-Resonator als aktive JSrtwnbran schwingt Außerdem hat dieser Hornresonator »bei wegen der Hornform auch gleichzeitig die Eigenschaft einer Verbesserung der Strahlungsimpedanzanpassung (Verbesserung der Abstrahlflächeuanpassung) -zwischen seiner Hornhalsdffnung und seiner Hornmundöffnung, und erfüllt somit bei der erfindungsgemäßen Lautsprecherbox die doppelte Funktion einer schwingenden Luftmembran von der Fläche des Honnmundes und damit auch der Verbesserung der Impediinzflächenanpassung zwischen Kammeröffnung und Wiedergaberaum. Ein solches relativ kleines Horn funktioniert, da seine Halsöffnung mit dem Anfangsdurchmesser d_o wie beim erwähnten Kammerhorn auch als Druckkammer (daher Hornverkleinerungsfaktc; und ais Tiefpaßfilter wirkt Hierdurch werden weitere wecentliche Verbesserungen der Baßwidergabe erreicht: Man kann nicht nur bei vorgegebenen Abmessungen der Kammer die untere Grenzfrequenz tiefer legen, sondern erhält dabei auch eine signalgetreuere, verzerrungsärmere Impulswiedergabe, die gerade beim Musikprogramm von erheblicher Bedeutung ist Es wird hier ein optimales Verhältnis zwischen tiefer Grundresonanz und guter Anpassung der Abstrahlung an den Umgebungsraum erreicht

Eine andere Möglichkeit zur Abwandlung eines ursprünglich zylindrischen Helmholtz-Resonators unter Beibehaltung seines dynamischen Luftgewichtes in einen Hornresonator besteht darin, unter Beibehaltung der Länge des Helmholtz-Resonators den Durchmesser seiner einen Endöffnung in einem zu wählenden Maßstab zu vergrößern und gleichzeitig den Durchmesser seiner anderen öffnung derart zu verkleinern, daß mit noch besserer Genauigkeit — und zwar hinsichtlich eines möglichst glatten Frequenzganges und einer optimalen Anpassung der Strahlungsimpedanz des Gebildes: Chassis-Kammer-Resonator an diejenige des Umraumes — als bei der soeben beschriebenen proportionalen Vergrößerung von länge und Durchmesser d^s Helmholtz-Resonators dessen dynamisches Luftgewicht, und damit seine untere Resonanzfrequenz, erhalten bleibt Dies geschieht, indem man feststellt, welche (höherliegende) untere Resonanzfrequenz ein Helmholtz-Resonator gleicher Länge, aber des gewünschten Enddurchmessers d_c (Hornmund) besitzt Dann wird ein dritter Helmholtz-Resonator gesucht, dessen untere Resonanzfrequenz bei wiederum gleicher LL'/ige um die Differenz der Resonanzfrequenzen zwischen erstem und zweitem Helmholtz-Resonator unter der Resonanzfrequenz des als Ausgangspunkt gewählten Helmholtz-Resonators (Basisresonator) liegt Der Durchmesser dieses dritten Resonators ergibt dann den Anfangs- oder Halsdurchmesser d„ des gesuchten Hornresonators, dessen Resonanzfrequenz f_o damit gleich derjenigen des Basisresono'.ors ist.

Bei dieser, sowie auch bei der vorangegangenen Konstruktionsweise ist derjenige (Horn) Resonator der richtige, dessen Abmessungen d_a L und c\_e das gleiche Verhältnis zueinander haben wie die enilsprechenden Werte eines Exponentialhornes in Originalgröße für den gleichen Einsatzzweck (bezüglich /_C/i

Bei einer praktischen Ausführungsform einer Laut-

sprecherbox wird das Gehäuse durch eine Trennwand in einen Kammerraum und einen Hornraum unterteilt, der sich von der in der Trennwand ausgebildeten Kammer-Öffnung, aber welche die Kammer mit dem Hornhals in Verbindung steht, gemäß der durch die entsprechend gestaltete Trennwand nachgebildeten Hornform zu dem im Gehäuse vorgesehenen Hommund erweitert Auf dieie Weise bleibt der bauliche Aufwand klein, da man außer den ohnehin vorhandenen Gehäusewänden praktisch nur eine in der erfindungsgemäßen Weise geformte Trennwand einzubauen braucht

Zweckmäßigerweise ordnet man das Lautsprecherchassis außerhalb der Gehäusemitte an und verlegt außerdem die Kammeröffnung in der Trennwand außerhalb des rückwärtigen Abstrahlfeldes des Lautsprecherchassis. Außerdem empfiehlt es sich, die Kantenlängen der Kammer im Verhältnis 1 : f2:2 zu wählen, unter näherungsweiser Einhaltung dieser Verhältnisse die Kammerwände unparallel zueinander anzuordnen und gegebenenfalls die Kammer mit Dämpfungsmaterial auszukleiden. All diese Maßnahmen dienen der Verbesserung des erwünschten Frequenzverhaltens, der Vermeidung unerwünschter Resonanzen sowie stehender Wellen usw.

Die Erfindung sei nun nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittansicht einer Lautsprecherbox nach der Erfindung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Erweiterung eines Helmholtz-Resonators zum Hornresonator,

F i g. 3 eine Skizze zur Erläuterung der Verkleinerung eines Hornresonators auf die Abmessungen eines verkleinerten Exponentialhornes,

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer zu noch exakteren Ergebnissen führenden Umwandlungsmöglichkeit eines Helmholtz-Resonators in einen Hornresonator und

Fig. 5 ein Diagramm zur Ermittlung der Abmessungen eines Helmholtz-Resonators bei vorgegebener Resonanzfrequenz.

In F i g. 1 ist nach Art einer Röntgendarstellung eine Lautsprecherbox dargestellt, deren Gehäuse mit 1 bezeichnet ist Im Inneren des Gehäuses befindet sich eine Kammer 2, die im wesentlichen den unteren Teil des Gehäuses einnimmt An der Vorderwand ist gegen die Gehäusemitte versetzt ein Lautsprecherchassis 3 montiert. Zur Vermeidung von Gehäuseresonanzen sollen sich die Kantenlängen der Kammer wie 1 : ψί : 2 verhalten, und die Kammer soll mit Dämpfungsmaterial 4 ausgekleidet sein.

Den oberen Teil des Gehäuses nimmt ein hornförmiger Resonator 13, nachfolgend als Hornresonator bezeichnet, ein. Er wird durch die obere Gehäusewand 5 und eine eingebaute Trennwand 6 sowie durch die Vorder- und Rückwand des Gehäuses begrenzt Die Trennwand 6 besteht aus zwei unter einem Winkel zueinander angeordneten Teilen 6a und 66, welche die Erweiterung des Helmholtz-Resonators zum Hornresonator bedingen. Da die obere Wand des Hornresonators durch die ebene Gehäusewand 5 gebildet wird, ist der Hornresonator nicht geradlinig, sondern geknickt, wie auch durch seine strichpunktierte geknickte Mittellinie angedeutet ist Links oben in der Figur am Hornhals ist die das Horn mit der Kammer verbindende Kammeröffnung 7 erkennbar; rechts oben befindet sich der Hornmund 8, dessen Umfang durch die gestrichelte Kontur verdeutlicht ist Das im Hornresonator eingeschlossene Luftvolumen schwingt als ganzes als aktive Membran gleichphasig mit der Baßchassis-Membran und bewirkt damit eine wesentlich bessere Anregung der außerhalb der Lautsprecherbox befindlichen Luft des Wiedergaberaumes, als es bei einer Anregung nur durch eine Lautsprechermembran (- '/2 Fläche) der Fall wäre. Der Grund liegt in einer besseren Anpassung des durch die Kammeröffnung 7 aus der Kammer 2 austretenden Schalles an den Umgebungsraum, wie dies

ίο auch bei bekannten Exponentialhörnern zur Anpassungsverbesserung der von der am Hornhals befindlichen Lautsprechermembran abgegebenen Schalleistung an die Umgebung der Fall ist.

Man sieht aus Fig. I, daß der Hornresonator in außerordentlich einfacher Weise durch die geknickte Trennwand 6 im Lautsprechergehäuse 1 realisiert werden kann, ohne daß aufwendige Einbauten wie bei dem eingangs erörterten Stand der Technik, soweit er hornartige Schallführungen benutzt, erforderlich wären.

Der Hornmund 8 liegt etwas schräg im Gehäuse, wie in der Zeichnung angedeutet, so daß der aus dem Hornmund austretende Schall auch bei Aufstellung der Box in Wandnähe möglichst ungehindert in den Umgebungsraum übertragen werden kann. Der schräge Hornmund ergibt sich dadurch, daß die vordere Gehäusewand eine Ausnehmung gemäß den Kanten 9 und 10 hat.

Es sei nun an Hand von F i g. 2 die Erweiterung eines Helmholtz-Resonators zum üornresonator erläutert.

Ausgehend von einer gewünschten Größe der Box legt man zunächst das Kammervolumen fest und wählt einen passenden Lautsprechertyp (Tiertonlautsprecher geeigneter Leistung, kleineren Klirrgrades und hoher Membransteife, sowie geeigneter Resonanzfrequenz und passenden Membrandurchmessers). Aus dem Gehäusevolumen und den Daten des Lautsprechers läßt sich die Resonanzfrequenz f_o, nachfolgend auch Grundfrequenz genannt der aus Lautsprecher und Kammer bestehenden Einheit, etwa nach den folgenden Gleichungen, bestimmen:

_ 4,03 ₂
^Sl - ~\ÖÖÖ"^Jtn

/n —

110000 T⁴^

ψ"

/S ,.T

S₁.

Hierbei ist foa die Resonanzfrequenz des Lautsprecherchassis, r sein Membranradius in m, V das Luftvolumen der Kammer in m³ und m die Membran masse (mit Schwingspule und Einspannungen) in Gramm.

Infolge der Kammeröffnung ändert sich diese für eine geschlossene Kammer geltende Grundfrequenz um den Faktor 1 V£ se daß die Grundfrequenz foO oder fc für die mit der Kammeröffnung als Verbindung zum Hornresonator versehene Kammer mit dem Lautsprecherchassis nunmehr ist

f - ^f°

Stellt es sich heraus, daß diese Grundfrequenz zu hoch ist dann muß man die Auseaneswerte der

Berechnung entsprechend ändern, also entweder das Kammervolumen variieren oder, was wegen des vorgegebenen Boxvolumens meist zweckmäßig ist, ein anderes Lautsprecherchassis auswählen, z. B. mit weicherer Einspannung, und die Berechnung wiederholen. Durch — gegebenenfalls mehrfaches — Probieren kann man an die gewünschte Grundfrequenz herankommen.

Ausgehend von dieser Grundfrequenz wählt man nun aus bekannten Tabellen oder Diagrammen einen Helmholtz-Resonator für die Ableitung des Hornresonators aus. Diagramme zur BefMmmung der Abmessungen von Helmholtz-Resonatoren bei verschiedenen Resonanzfrequenzen finden sich beispielsweise in dem Lautsprecherbuch von Jürg Jecklin, erschienen in der Franckh'schen Verlagsbuchhandlung W. Keller & Co, Stuttgart 1967, auf Seite 93. (An dieser Stelle sei hinsichtlich der Größe der Kammeröffnung beispielsweise auf das Buch »Kleines ABC der Elektroakustik« von fiustay Büscher, erschienen Ϊ™ Franzis-Verlag, München, 1967, verwiesen, wo u.a. auf Seite 39 Reflexöffnungen für Baßreflexgehäuse berechnet sind.) Für die Wahl eines speziellen Helmholtz-Resonators auf Grund der erwähnten Grundfrequenz sind im wesentlichen die Dimensionen des Lautsprechergehäuses maßgebend, da ja der aus dem Helmholtz-Resonator konstruierte Hornresonator im Gehäuse Platz finden soll.

In Fig.2 ist nun veranschaulicht, wie aus dem mit dem Durchmesser d_o und der Länge L ausgewählten Helmholtz-Resonator durch hornartige Erweiterung unte- Beibehaltung seines dynamischen Luftgewichtes der (Horn)Resonator 13 konstruiert wird. Wenn man den Anfangsdurchmesser d„ des Helmholtz-Resonators unter Verdopplung von dessen Länge auf IL ebenfalls auf den doppelten Wert 2d₀ vergrößert erhält man einen Hornstutzen 14, der das gleiche dynamische Luftgewicht wie der in F i g. 2 angedeutete zylindrische Helmholtz-Resonator 12 hat. Dieses dynamische Gewicht des im Resonator eingespannten Luftvolumens bleibt auch erhalten, wenn man den Rohrstutzen 14 unter proportionaler Vergrößerung seiner Länge und seines Duichmessers weiter vergrößert In Fig.2 ist zunächst eine Verlängerung auf 4L unter Vergrößerung des Durchmessers auf 4d_o und dann eine weitere Verlängerung auf den Enddurchmesser d_t entsprechend einem Faktor k ■ d_o bei gleichzeitiger Verlängerung auf k ■ L veranschaulicht Der sich an den Hornstutzen 14 anschließende Trichterteil des (Horn)Resonators ist mit 15 bezeichnet. An der Verbindungsstelle ergibt sich ein gleichartiger Knick 16, wie er auch in F i g. 1 zwischen den Trennwandteilen 6a und 6b zu sehen ist Wegen der Gleichheit des dynamischen Luftgewichts ist auch die Resonanzfrequenz des erweiterten (Horn)Resonators 13 gleich derjenigen des Helmholtz-Resonators 12. Wenn man sich mit einer Erweiterung des Hornresonators bis zum Durchmesser d_e gleich dem Membrandurchmesser des Lautsprecherchassis 3 zufrieden gibt, ist der Entwurf des Hornresonators hiermit beendet, und man kann ihn mit den ermittelten Abmessungen in die Box einbauea Man erhält dabei für den rückwärts vom Lautsprecherchassis abgestrahlten Schall praktisch die gleichen Abstrahlungsverhältnisse wie für den von der Membranvorderseite abgestrahlten Schall, wobei die Abstrahlung gleichphasig erfolgt und somit die insgesamt von der Box abgestrahlte Baßleistung so groß ist, wie die einer Gegenrcfiexbox, also praktisch doppelt so groß wie bei einer geschlossenen Box. Zusätzlich zu diesem Vorteil erhält man durch die gleichzeitig um 100% verbesserte Anpassung der Baßabstrahlung an den Umraum eine signalgetreuere, verzerrungsärmere Umwandlung der zugeführten elektrischen Energie in Schallenergie, was auch zu einer Verbesserung des Impulsverhaltens, also zu einer getreueren Wiedergabe impulsartiger Schwingungsvorgänge führt, wie sie beispielsweise bei Musikwiedergabe von großer Wichtigkeit ist Praktische Ausführungen haben ergeben, daß keinerlei Verfärbungen mehr auftreten und

ίο auch sonst keine Verzerrungen zu beobachten sind. Vielmehr erhält man eine reine und durchsichtige Wiedergabe bis hinab zu den ganz tiefen Baßlagen.

Man kann nun zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades, der insbesondere für die tiefen

is Frequenzen im Interesse einer ausgewogenen kraftvolleren Wiedergabe anzustreben ist, den Hornresonator auch auf einen größeren Enddurchmesser als der Membrandurchmesser des Lautsprecherchassis in der angegebenem \Vc;sc erweitern. Em gföGcicr Hornreso nator kann beispielsweise durch Faltung in einem Lautsprechergehäuse kleinerer Abmessungen untergebracht werden, jedoch kompliziert dies die Einbauten etwas. Eine zusätzliche Maßnahme hierbei besteht darin, einen über den Membrandurchmesser des Lautsprecherchassis hinaus erweiterten (Horn)Resonator in einer bestimmten Weise in seinen Abmessungen zu verändern (und zwar ist das proportionalgleiche Verhältnis mit den Abmessungswerten eines Exponentialhornes in Originalgröße, dessen Grundfrequenz /c eine halbe Oktave höher oder niedriger als f„o sein kann, zu finden). Man konstruiert hierzu zunächst ein bekanntes Exponentialhorn, dessen Halsdurchmesser do dem Membrandurchmesser des Lautsprecherchassis entspricht und dessen Hornmunddurchmesser d_e' sich

J5 für eine perfekte Anpassung der am Hornhals zur Verfügung stehenden Leistung an den Umgebungsraum nach der Formel

109,43 fo

bestimmt wobei fo als Horngrundfrequenz zweckmä-Digerweise gerade eine halbe Oktave tiefer oder höher als die bereits erwähnte Resonanzfrequenz f_o der Kammer mit Chassis bei Kammeröffnung gewählt werden soll. Die Länge des Exponentialhornes berechnet sich nach der Formel

(der Erweiterungsfaktor für den e-funktionsförmigen Verlauf des Homes beträgt dann in=0,0365 · f_G in %> (Ein solches Exponentialhorn hat für eine Heimlaut sprecherbox natürlich erheblich zu große Abmessun gen.) Für die vorliegende Anwendung nun wird es zunächst auf eine geeignete Größe verkleinert Dies geschieht durch proportionale Verringerung der Abmessungen (Halsdurchmesser, Munddurchmesser und Länge), bis der Halsdurchmesser des verkleinerten Exponentialhornes mit dem durch den anfangs gewählten Helmholtz-Resonator bestimmten Halsdurchmesser des (Horn)Resonators übereinstimmt Der nächste Schritt besteht nun darin, den (Horn)Re sonator mit dem verkleinerten Exponentialhorn zur Kongruenz zu bringen, wobei nicht nur sein Halsdurchmesser, sondern auch sein Munddurchmesser und seine Länge mit den entsprechenden Werten des verkleiner-

ten Exponentialhorns übereinzustimmen haben. Eine solche Kongruenzfindung ist deshalb möglich, weil sich bei konstanter Resonanzfrequenz die Länge eines Helmholtz-Resonators nicht proportional zu seinem Durchmesser ändert. Vielmehr ergibt sich bei einer relativ geringen Durchmesseränderung d_o eine ziemlich groBe Änderung seiner Länge L Wenn nun also der (Horn)Resonator, dessen Halsdurchmesser mit demjenigen des verkleinerten Exponentialhornes übereinstimmt, z. B. länger als das verkleinerte Exponentialhorn ist, aber die (Horn)Resonatcrwand bei d_e des verkleinerten Exponentialhornes schneidet, kann man den Hornresonator bei der Länge des verkleinerten Exponentialhornes enden lassen, also abschneiden, wobei sich das dynamische Luftgewicht aus den bereits erläuterten Gründen nicht ändert, so daß also Halsdurchmesser, Länge und Hornmunddurchmcsser des Hornresonators und des verkleinerten Exponeintialhornes übereinstimmen. Normalerweise sind aber die Munddurchmesser auch hoch verschieden. Um auch diesbezüglich Übereinstimmung zu erreichen, muß man je nach Art und Größe der Abweichungen der Munddurchmesser aus den erwähnten Diagrammen einen anderen Helmholtz-Resonator für die gleiche Resonanzfrequenz auswählen und das beschriebene Verfahren wiederholen. Wegen der erwähnten Ur.proportionalität von Durchmesser und Längenänderungen eines Helmholtz-Resonators für eine bestimmte Resonanzfrequenz läßt sich auf diese Weise tatsächlich ein geeigneter Helmholtz-Resonator als Ausgangsbasis für einen Hornresonator finden, der hinsichtlich Halsdurchmesser, Munddurchmesser und Länge mit einem verkleinerten Exponentialhorn übereinstimmt. Hierbei werden auch die Abweichungen der Hornform kompensiert (und zwar folgt einer kleineren Erweiterung des Exponentialhornes nach dem Hals eine größere vor dem Mund, da d_o und d_e in beiden Fällen gleich sind), so daß die erwünschte Doppelfunktion des Hornresonators eintritt, nämlich einerseits mit seinem gesamten Luftvolumen als aktive Membran zu wirken und andererseits die akustische Anpassungsverbesserung zwischen Hornhals und Hornmund zu bewirken.

An Hand der in F i fc. 3 dargestellten Skizze sei dieses Verfahren der Hornresonatorverkleinerung nun im Prinzip veranschaulicht Das in Originalgröße, ausgehend vom Membrandurchmesser 2_r des Lautsprecherchassis, konstruierte Exponentialhorn 20 ist gestrichelt gezeichnet, aus diesem Originalexponentialhorn ist durch proportionale Verkleinerung seiner Abmessungen (Halsdurchmesser, Munddurchmesser und Länge) das verkleinerte Exponentialhorn 21 entstanden, dessen Halsdurchmesser d_o mit dem Halsdurchmesser des Hornresonators 13 übereinstimmt Im dargestellten Falle ragt der Hornresonator 13 mit seiner Länge über die Länge des verkleinerten Exponentialhornes 21 hinaus, und bei Abschneiden auf dessen Länge feist sein Munddurchmesser, der ursprünglich größer als der Munddurchmesser des verkleinerten Exponentialhornes 21 gewesen sein kann, dann jedoch kleiner als dieser. Mit dem ursprünglich gewählten Helmholtz-Resonator läßt sich also eine Übereinstimmung aller drei Abmessungen (Halsdurchmesser, Munddurchmesser und Länge) nicht erreichen, so daß man einen anderen Helmholtz-Resonator gleicher Resonanzfrequenz als Ausgangsbasis wählen muß.

Wählt man nun bei dem in Fig.3 veranschaulichten Beispiel einen Helmholtz-Resonator geringerer Länge L, so hat dieser wegen des erwähnten Zusammenhangs einen nur geringfügig kleineren Durchmesser, so daß entsprechend dieser Durchmesserverkleinerung auch das verkleinerte Exponentialhorn 21 (in proportionalem Maßstab!) ebenfalls nur geringfügig kleiner wird.

-, Während der Munddurchmesser des Hornresonators wegen des proportionalen Zusammenhangs (Proportionalitätsfaktor k gemäß F i g. 2) im selben geringen Maße kleiner geworden ist wie der Halsdurchmesser des Hornresonators, ist seine Länge dagegen wesentlich

in kleiner geworden, da die Länge L des neu gewählten Helmholtz-Resonators wesentlich stärker als sein Durchmesser geschrumpft ist. Die Länge des aus dem neu gewählten Helmholtz-Resonator erweiterten neuen Hornresonators wird jetzt bereits erheblich besser mit

ι -, der Länge If. des verkleinerten Exponentialhornes übereinstimmen, so daß wesentlich weniger vom Hornresonator abgeschnitten zu werden braucht und demzufolge auch der Munddurchmesser an «,icr Abschnittsstelle entsprechend größer als im vorigen Halle ist, also bereits eine Verbesserung der angestrebten Kongruenz erreicht ist. Falls nötig, muß man dnen noch kürzeren Helmholtz-Resonator gleicher Resonanzfrequenz als Ausgangsbasis wählen und das Verfahren nochmals wiederholen. Andererseits kann

>-, aber auch der Fall eintreten, daß man die Länge des zweiten Helmholtz-Resonators bereits zu kurz gewählt hat, so daß die Länge des daraus erweiterten Hornresonators kleiner als die Länge k des verkleinerten Exponentialhornes ist: Dann ist der Hornresonator bis auf diesen Wert zu verlängern, wobei sich sein Munddurchmesser natürlich vergrößert. In jedem Falle läßt sich jedoch eine beliebig genaue Kongruenz von Halsdurchmesser, Munddurchmesser und Länge zwischen Hornresonator und verkleinertem Exponential-

j5 horn finden, was auf graphischem Wege durch Versuche ohne weiteres möglich ist, oder aber auch auf rechnerischem Wege bewerkstelligt werden kann.

Es sei nun eine weitere, noch wirkungsvollere Methode für die Umwandlung eines Helmholtz-Resonators in einen Hornresonator erläutert. Die Werte d_o (Halsdurchmesser), L (Länge) und d_e (Munddurchmesser) des mit dem Exponentialhorn hinsLhtlich dieser Werte zur Kongruenz zu bringenden Hornresonators werden dabei in folgender Weise ermittelt Zunächst

seien jedoch noch einige grundsätzliche Überlegungen vorausgeschickt:

Eine Verkleinerung des Querschnitts an einem Ende eines Helmholtz-Resonators von seinem ursprünglichen Durchmesser d auf einen gewünschten Halsdurchmesser d_o des zu konstruierenden Hornresonators erfordert für eine Konstanthaltung des dynamischen Luftgewichtes (= Konstanthaltung der Resonanzfrequenz) eine entsprechende Verkleinerung der Lufteinspannung (Einspannung der Luft) im Resonator. Dies kann man entweder durch eine Verkürzung der Resonatorlänge L bei konstantgehaltenem Querschnitt am anderen Ende oder aber bei konstanter Resonatorlänge L durch eine Vergrößerung des Querschnittes am anderen Ende erreichen. (Wenn nachfolgend statt der Querschnittsflächen der Einfachheit halber vom Hornhals- bzw. Hornmunddurchmesser do bzw. d_e gesprochen wird, so ändert dies nichts an den hier dargelegten Ergebnissen.) Von den beiden soeben erwähnten Möglichkeiten, das dynamische Luftgewicht und damit die Gnindfrequenz zu erhalten, ist die Vergrößerung des Hornmunddurchmessers wegen der dabei besseren Anpassung der Abstrahlfläche die wünschenswertere, weil hierbei die »Luftmembrane« vergrößert wird.

worin ein wesentlicher Gesichtspunkt des Hornresonators besieht.

Für die Konstruktion des Hornresonators geht man wiederum von einem Helmholtz-Resonator aus, dessen Resonanzfrequenz wie im vorigen Falle gleich der Resonanzfrequenz foO von Lautsprecherchassis und Kammer mit öffnung ist Man sucht sich dabei (beispielsweise aus der Jecklin-Tabelle) einen Helmholtz-Resonator mit einer Länge aus, welche in etwa der gewünschten Länge des Hornresonators entspricht. Dieser Helmholtz-Resonator, der in Fig. 4 mit der Bezugsziffer 22 bezeichnet ist, bildet den Ausgangspunkt der Konstruktion und wird daher als Basisresonator bezeichnet Man vergrößert nun den Durchmesser d dieses Basisresonators auf den gewünschten Munddurchmesser de des Hornresonators und denkt sich einen weiteren Helmholtz-Resonator (Hi in Fig. 4), vom Durchmesser d_c und der gleichen Länge L und

Helmholtz-Resonators, die wegen des größeren Durchmessers ur.j einen Betrag At'höher als die Resonanzfrequenz fc ι des Basisresonators 22 liegt. Nun zieht man diese Differenz Af von der Resonanzfrequenz fc ι des Basisresonators ab und erhält schließlich eine weitere, niedrigere Resonanzfrequenz fc2- Man ermittelt nun wiederum aus der erwähnten Tabelle oder entsprechenden Diagrammen, welcher Durchmesser zu einem Helmholtz-Resonator gleicher Länge L wie der Basisresonator und der Helmholtz-Resonator Hi zu dieser Grundfrequenz /c 2 gehört. Dieser Durchmesser ist dann der Halsdurchmesser d„ des zu ermittelnden Hornresonators, welcher die gleiche Länge L wie der Basisresonator und wegen des Zusammenhangs zwischen der Vergrößerung seines Hornmundquerschnitts mit der Verkleinerung seines Hornhaisquerschnitts auch das gleiche dynamische Luftgewicht und damit die gleiche Resonanzfrequenz wie der Basisresonator hat. In Fig.4 ist dick gestrichelt ein (theoretischer) Kegelstumpf eingezeichnet, der die Länge L, den Halsdurchmesser d_o und den Munddurchmesser d_e hat. Diese drei Werte sind wie im vorigen Fall diejenigen Größen, für welche Kongruenz mit einem Exponentialhorn zu finden ist

Es sei nun die Umwandlung eines Helmholtz-Resonators in einen Hornresonator gemäß der zweiten Alternative an Hand der Fig.4 und 5 im einzelnen erläutert Man wählt sich aus einer Tabelle (beispielsweise aus dem Buch von Jecklin) gemäß Fig.4 als Basisresonator 22 einen Helmholtz-Resonator gewünschter Länge L und Resonanzfrequenz fc 1. Dieser Basisresonator hat den Durchmesser d Außer den Werten L und fei ergibt sich aus der Größe der konzipierten Lautsprecherbox in etwa auch der Hornmundquerschnitt und damit der Hornmunddurchmesser d_c (meist wählt man ihn in der Größenordnung des Membrandurchmessers des Lautsprecherchassis). Über den Basisresonator 22 zeichnet man also gemäß F i g. 4 einen weiteren Helmholtz-Resonator //3 gleicher Länge L wie der Basislautsprecher, aber i.iit dem gewünschten — größeren — Durchmesser d_e des Hornmundes. Für diesen Helmholtz-Resonator Hz mit

') Ein Hornresonator besitzt — was gedanklich zu trennen ist — als Resonator wirkend eine Resonanzfrequenz (Q und als Horn wirkend eine Gnmdfrequenz faX Beim Hornresonator ist nun /O=fc, so daß der Einfachheit halber hier — wie auch schon bei der Konstruktion — immer das Symbol fc verwendet werden kann.

dem Durchmesser d_e ermittelt man nun aus der Tabelle die zugehörige Resonanzfrequenz fc 3 und stellt fest, um welche Frequenzdifferenz Af sie höher als die Resonanzfrequenz f_G 1 des Basisresonators Xl liegt.

Nun bildet man die Differenz fo 1 -4/und erhält eine weitere — kleinere — Resonanzfrequenz la 2 (die man auch nach der Beziehung

/g 2 = 2 fc 1 — fc 3

berechnen kann, da ja

fc,, - fc, ,

'Af- fen -fc.

ist). Für diese Resonanzfrequenz fr, 2 ermittelt man nun wiederum aus der Tabelle oder aus einem der Tabelle π entsprechenden Diagramm gemäß Fig.5, welches den Zusammenhang zwischen Länge und Durchme.ser eines Helmholtz-Resonators der Frequenz fc 2 (für ein bestimmtes Gehäusevolumen) wiedergibt, welchen

A <*in

crtnatrtr A

t*r f^riinH-

frequenz fc 2 und der gleichen Länge L wie die beiden anderen Helmholtz-Resonatoren hat. Dieser zuletzt ermittelte Helmholtz-Resonator ist ebenfalls in Fig. 4 eingetragen und mit Hi bezeichnet Sein Durchmesser do ist der Halsdurchmesser des gesuchten Hornresonators vom Munddurchmesser d_c mit gleicher Länge, gleichem dynamischen Luftgewicht und gleicher Resonanzfrequenz fc 1 wie der Basisresonator 22. Damit hat man die drei Dimensionen d„, L und d_c, also Halsdurchmesser, Länge und Munddurchmesser, des

jo gesuchten Hornresonators gefunden.

Für die drei Helmholtz-Resonatoren 22, f/2 und Hi und den ermittelten Hornresonator gilt die Beziehung, daß die Grundfrequenz fc des Hornresonators gleich der Resonanzfrequenz fc 1 des Basisresonators 22 gleich dem Durchschnittswert aus den Resonanzfrequenzen fc 2 und fc 3 der beiden Helmholtz-Resonatoren Hi und Hi (im Zusammenhang hiermit sind die theoretischen Begrenzungswände eines kegelförmigen Gebildes mit den Dimensionen d_o , L und d_e in F i g. 4 eingezeichnet).

Diese Resonanzfrequenzbeziehung entspricht auch der Konstanz des dynamischen Luftgewichtes, also des dynamischen Gewichtes der im gegenüber dem Basisresonator abgewandelten Hornresonatnr eingespannten Luft.

Die Kongruenzfindung eines Exponentialhornes mit den Werten d₀ , d_e und L erfolgt in ähnlicher Weise wie bei dem zuerst beschriebenen Verfahren. Ergibt sich, daß die angestrebte Kongruenz mit dem verkleinerten Exponentialhorn nicht herstellbar ist, dann muß man — wie im ersten Falle — die Ausgangswerte (also etwa L und d des Basisresonators bzw. den Hornmunddurchmesser d_c) für den zu ermittelnden Hornresonator so lange verändern und den Ableitungsgang mit neuen Werten wiederholen, bis sich schließlich die Kongruenz des Hornresonators mit dem verkleinerten Exponentialhorn bezüglich der Dimensionen do, L und d_c erreichen läßt Die Wandung des durch diese drei Kennwerte bestimmten Hornresonators soll nach der e-Funktion des verkleinerten Exponentialhornes verlaufen; damit ist die Transformation optimal. Die Resonatoreigenschaften des auf diese Weise bestimmten Hornresonators leiden darunter nicht, weil eine schwächere Erweiterung des Hornresonators unmittelbar nach dem Hornhals durch die entsprechend stärkere Erweiterung vor dem Hommund (im Vergleich zum dick gestrichelt angedeuteten Resonator) genau kompensiert wird.

Bei dem zuletzt erläuterten Verfahren der Ableitung des Hornresonators aus einem Helmholtz-Resonator

erhält man noch pnudsgerechtere Ergehnisse und einen noch gleichmäßigeren Frequenzgang bis in die tiefsten Baßlagen, so daß die angestrebten Effekte in noch besserer Qualität erreicht werden.

Durch die Erfindung kann man die untere Grenzfrequenz einer Lautsprecherbox gegenüber einer herkömmlichen Box gleichen Volumens wesentlich besser übertragen, erhält einen besseren Wirkungsgrad für die Baßabstrahlung und eine verzerrungsfreiere BaB-

wiedergabe als bei Herkömmlichen Boxen.

Bei der praktischen Ausbildung einer Lautsprecherbox, welche den gesamten Hörfrequenzbereich wiedergeben sou, werden selbstverständlich noch Hoch- und Mitteltonsysteme vorgesehen, wobei der oder die Hochtöner — gegebenenfalls etwas schräg — nach vorn abstrahlen und der MUteltöner beispielsweise an der Trennwand 6b schräg nach oben gelichtet seitlich aus der Box abstrahlt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1. Patentansprüche;

   t. Lautsprecher, insbesondere RIr Tjeftonwiedergab«, mit einem GjcWuse, das eine Kammer umschließt, die eineSchallöffnung mit anmontiertem Lautsprecherchassis aufweist, und aber eine weitere Kammeröffnung mit einem Horn in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Kammeröffnung (7) mit dem sich anschließenden Horn einen akustischen Tiefpaß (Druck kammer) bildet, dessen Grenzfrequenz gleich der Resonanzfrequenz des aus Lautsprecherchassis (3) und Kammer (2) mit der weiteren öffnung (7) bestehenden Gebildes ist, und daß da» vom Originalborn ausgehend nach dem Maß des Tiefpasses proportional verkleinerte Horn (Horn- resonator 13; 23) die Umwandlung eines HeIm- holtz-Resonators derselben Resonanzfrequenz darstellt
2. 2. Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halsquerschnitt des Homes (Hornrcsonator i3) gleich dem Querschnitt des umzuwandelnden Helmholiz-Rcsonators (12) ist und das Horn sich vom Querschnitt dieses HeImholtz-Resonators unter Beibehaltung von dessen dynamischen Luftgewicht hornartig zum gewünschten Mundquerschnitt erweitert
3. 3. Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halsquerschnitt des Homes (23) gleich dem Querschnitt eines Helmholtz-Resonators (H₂) ist, dessen Länge gleich der Länge (L) des umzuwandelnden Helmholtz-Resonators (22) und dessen Resonanzfrequenz (to 2) um soviel unter der Resonanzfrequenz (tc\) des umzuwandelnden Helmholtz-Resonator? liegt, wie dessen Resonanzfrequenz /Tc 1) unter derjenigen (fa) eines dritten Helmholtz-Resonators (H₃) ebenfalls gleicher Länge (L), aber vom gewünschten Mundquerschnitt, liegt
4. 4. Lautsprecher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse durch eine Trennwand (6) in einen Kammerraum (Kammer 2) und einen Hornraum (Hornresonator 13) unterteilt ist der sich von der in der Trennwand ausgebildeten Kammeröffnung (7) gemäß der durch die entsprechend gestaltete Trennwand (6a, 6b) nachgebildeten Hornform zu einer im Gehäuse vorgesehenen Hornöffnung (Hornmund 8) erweitert
5. 5. Lautsprecher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammeröffnung (7) in der Trennwand (6) außerhalb des rückwärtigen Abstrahlfeldes des Lautsprecherchassis (3) liegt
6. 6. Lautsprecher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lautsprecherchassis (3) außerhalb der Gehäusemitte angeordnet ist
7. 7. Lautsprecher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Seitenlängen der Kammer (2) 1 : j/2~: 2 beträgt
8. 8. Lautsprecher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Kammer (2) unparallel zueinander sind.