DE2929802C2

DE2929802C2 - Exponentialtrichter für Trichterlautsprecher

Info

Publication number: DE2929802C2
Application number: DE2929802A
Authority: DE
Inventors: Tomiyo Ryoutsu Niigata Nakagawa
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-08-01
Filing date: 1979-07-23
Publication date: 1985-03-14
Also published as: DE2929802A1; US4324313A; JPS5521620A; JPS5731351B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Exponentialtrichter für Trichterlautsprecher nach dem Gattungsbegriff von Anspruch 1.

Ein Trichterlautsprecher dieser Art ist in der Deutschen Gebrauchsmusterschrift IS 10 568 offenbart. Diese Druckschrift betrifft einen elektroakustischen Wandler mit trichterartiger Schallführutig, bei welchem die Schallöffnung des Wandlersystems der öffnung des Trichters entgegengesetzt ist, und bei welchem der Strömungsquerschnitt des Trichters von der Schallöffnung des Wandlers bis zur Trichteröffnung etwa exponentiell zunimmt. Der Trichter weist in den senkrecht zu seiner Längsausdehnuiig verlaufenden Ebenen einen annähernd elliptischen Querschnitt auf. Sein Querschnitt in einer seine Längsachse und die größere Halbachse der Ellipse enthaltenden Ebene ist im wesentlichen V-förmig und schließt einen Winkel ein, welcher erheblich kleiner als 90° ist.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Exponentialtrichter der vorstehenden Art in der Weise weiter zu entwickeln, daß er eine vom dem elektroakustischen Wandler ausgesandte Schallwelle mit hohem Wirkungsgrad bzw. hohem Güteverhältnis überträgt, wobei die vom Trichter ausgesandten Schallwellen möglichst die Form von ungestörten Kugelwellen annehmen sollen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der von dem zuletzt genannten Querschnitt eingeschlossene Winkel erheblich größer als 90° ist.

Durch diese Gestaltung des Trichters wird den bei Trichterlautsprechern herkömmlicher Art auftretenden Schwierigkeiten Rechnung getragen und die Charakteristik des Trichters in der nachfolgend im einzelnen geschilderten Weise verbessert.

Horn- bzw. Trichterlautsprecher liefern im allgemeinen einen großen Strahlungswiderstand mit einem relativ kleinen Steuersender, wodurch es mit ihnen grundsätzlich möglich ist, eine naturgetreue Wiedergabe von Schall bzw. Tönen zu erzielen. Bei derartigen Lautsprechern treten jedoch drei Probleme auf, welche bislang das Erzielen einer besseren Klangwiedergabe verhindert haben. Zwei dieser Probleme betreffen die Art der Trichterkonstruktion, während das dritte Problem das Feld der von dem Trichter emittierten Schallwellen betrifft

Das erste Problem basiert auf einer elementaren Eigenschaft des Trichters. Die Leistungsfähigkeit des Trichters wurde in relativ neuerer Zeit mittels der akustischen Theorie geklärt Die bei diesen Ableitungen

to verwendete Theorie geht von der Annahme aus, daß die Wellen in dem Trichter als ebene Wellen angesehen werden können. Es ist sicherlich richtig, daß die Wellenfront langsam zunimmt, daß die Schallwelle sich in der gleichen Form nahe dem rückwärtigen Ende des Trichiers ausbreitet und daß die Schallwelle daher an dieser Stelle als ebene Welle betrachtet werden kann. Andererseits nimmt dort wo der Durchmesser des Trichters größer wird, die Weilenoberfläche deutlich zu. Die Schallwelle pflanzt sich daher nur in der Nachbarschaft der Mitte bzw. Achse der Wellenoberfläche in der gleichen Richtung wie diejenige der Teüchengeschwindigkeit des Mediums (Luft) fort, was am Rand der Wellenoberfläche nicht der Fall ist. Das Strahlenbündel erster Ordnung an den Wellenoberflächen in der Trichteröffnung ist daher weder bezüglich seiner Wellenform noch bezüglich seiner Größe gleichförmig.

Dieses Problem iihrt nicht zur völligen Unbrauchbarkeit des Exponentialtrichters, wenn es auch erwünscht wäre, daß die Wellen an der Wellenoberfläche in der Trichteröffnung gleichförmige Kugelwellen sind. Nur der konische Trichter erfüllt diese Bedingung. Er wurde jedoch nicht im großen Umfange verwendet da er den Nachteil hat daß der Realteil seiner Trichteröffnungsimpedanz im niedrigen Bereich der Töne bzw. bei tiefen Tönen gering ist. Wie anschließend in Verbindung mit dem dritten Problem noch näher erläutert wird, ergibt sich eine Lösung des ersten Problems im Zuge der vorliegenden Erfindung durch Verwendung eines Trichters, dessen Trichteröffnung die For..i einer Ellipse oder eine ellipsenähnliche Form hat, und bei der ein durch die Mitte gehender Längsschnitt V-förmig mit einem größeren eingeschlossenen Winkel verläuft.

Das zweite Problem betrifft die Reflexion und Beugung aufgrund des Umstandes, daß der Trichter eine begrenzte Länge aufweist. Es ergibt sich nämlich für die Wellen an der inneren Oberfläche des Trichters eine Grenzbedingung dergestalt, daß die Komponenten in Normalrichtung der Wegamplitude und der Teilchengeschwindigkeit Null sind. In dem Augenblick, in dem die

so Wcllenoberfläche an der Trichteröffnung ankommt, ändert sich plötzlich die Randbedingung, so daß die Wega:nplitude unbegrenzt und die Verdichtungen null werden. Alle Randstellen der Trichteröffnung werden daher zu Quellen der Störungen und es gehen von ihnen im folgenden als »Beugungswellen« bezeichnete Kugelwellen aus. Die an dem Rand der Wellenflächcn an der Trichteröffnung bewirkte Störung, d. h. die Abweichung vom Querschnitt 5 der Trichteröffnung bewegt sich vom Rand zu der Mitte. Wenn die Wellenlänge groß ist im Vergleich zur Trichteröffnung, lassen sich die Abweichungen von s an den Wellenoberflächen in der Trichteröffnung als in Phase befindlich betrachten. Dieser FaIi ist identisch zu dem Fall einer Grenzfläche /wischen zwei Medien, wo ein Teil der soeben an der Trich-

h^r> tcröffnung angekommenen Wellen erster Ordnung in den freien Raum emittiert und der andere Teil reflektiert wird. )c kürzer die Wellenlänge ist. desto zufälliger und geniittelter werden die Phasen der Abweichungen

von s, so daß die Reflexionswelicn geschwächt werden. Andererseits werden die am Rand emittierten Beugungswellen nicht geschwächt, wenn die Wellenlänge kürzer ist. Die Reflexionswellen haben daher auf den Bereich der tiefen Töne, die Beugungswellen auf den Bereich der hohen Töne einen großen Einfluß.

Die Reflexionswellen bewegen sich in umgekehrter Richtung durch den Trichter und kommen am Trichterhals an. Dies führt zu einer Ungenauigkeit in der Frequenzcharakteristik der Trichterhalsimpedanz sowie zu einer Ungenauigkeit in der Frequenzcharakteristik der von der Trichteröffnung emittierten Schallenergie. Der von einem Trichter mit hohem Reflexionskoeffizient wiedergegebene Schall unterscheidet sich in seiner Qualität deutlich von natürlichen Tönen, die eine ge- is dämpfte Schwingung haben. Diese reflexionsbedingte Verzerrung der Töne kann nicht durch irgendeinen Vorverstärker eliminiert werden.

Man ging bisher irrtümlich davon aus, daß bei einem Exponentialtrichter mit kreisförmiger Trichteröffnung ein eingeschlossener Winkel kleiner als der rechte Winkel ausreicht, damit der Trichter die Töne naf.irgetrcu wiedergibt. Zur Verringerung des Reflexionskoeffizienten des Trichters ohne eine Verringerung der Tonqualität sollte aber — im Falle einer kreisförmigen Trichteröffnung —, der Durchmesser der Trichteröffnung längenmäßig mit der Wellenlänge der Grenzfrequenz vergleichbar sein. Diese Länge der Trichteröffnung kann von dem Trichter abgeschätzt werden, bei dem die Abweichungen von s an den Wellenoberflächen in der Trichteröffnung gemittelt sind Sie kann durch den Nährungswert der Trichterhalsimpedanz ermittelt werden, welche man unter Verwendung der Strahlungsimpedanz eines kreisförmigen Kolbens oder einer Aspirationskugel anstelle der Trichteröffnungsimpedanz berechnet. Sie kann des weiteren durch tatsächliche Trichter mit unterschiedlichen Trichteröffnungen ermittelt werden.

Das Problem der Reflexion läßt sich durch einen Trichter mit großem Durchmesser lösen, wobei jedoch ein großer Trichter für den Bereich der tiefen Töne ungeeignet ist.

Eine hohe Leistung und eine naturgetreuere Wiedergabe lassen sich jedoch wirksam für tiefere Töne erhalten, wenn ein Trichterlautsprecher mit großem Durchmesser mit einem Eingang von einer.i geeignet engen Bereich verwendet wird. Die Beugung der Wellen führt auch zu dem dritten Problem.

Das dritte Problem betrifft die Beugungsfigur des von den an der Trichteröffnung emittierten Wellen zweiter Ordnung erzeugten Schallfeldes. Zum besseren Verständnis des Problemes kann es mit der Beugung von Licht an kleinen, kreisförmigen öffnungen verglichen werden. Licht, das in ein gleichförmiges isotropes Medium emittiert wird, sowie Schall, der sich in Luft fortpflanzt, bilden Wellen einfachster Art, welche durch Wellengleichungen des gleichen Typs beschrieben werden können. Für die Zwecke des vorstehenden Vergleiches ist es unerheblich, daß es sich bei den Lichtwellen um transversale Wellen und bei den Schallwellen um longitudinal Wellen handelt. Ferner hat auch die unterschiedliche Frequenz der beiden Schwingungen lediglich auf die absolute Größe der Grenzgebiete Einfluß, in welchen Beugungserscheinungen auftreten.

Wenn eine ebenr, homogene Lichtwclle auf eine kl-.'i- μ nc. kreisförmige Lochblende auftrifft, entsteht auf einem in dem dunklem Rau.i hinter der Lochblende angeordneten Bildschirm ein Beugungsmuster aus konzentrischen Kreisen. In analoger Weise entsteht auch im Schallfeld eines Trichters ein Beugungsmuster. Wenn von der Trichteröffnung ein reiner Ton ausgesandt wird, variiert entsprechend dem besagten Beugungsmuster die Intensität des Schalles im Schallfeld. Dieses unsichtbare Intensitätsmuster wird im folgenden als Beugungsmuster bezeichnet und mit den Beugungsmustern des sichtbaren Lichtes verglichen.

Das Phänomen, daß das Schallfeld zu einer Beugungsfigur führf, ist identisch damit, daß sich der Schall gegenüber der Teilchengeschwindigkeit in eine unterschiedliche Richtung ausbreitet. Die Schallwelle ändert ihre Form im Zuge ihrer Ausbreitung, auch wenn die Richtungen der Schallausbreitung und die Teilchengeschwindigkeiten miteinander an bestimmten Stellen übereinstimmen, es sei denn, daß dies an allen Stellen im Schallfeld der Fall ist. Die Beugungsfigur ist die Bildung eines Musters, welches zum Ausdruck bringt, daß die Intensität des Schalls wiederholt an Stellen im Schallfeld variiert, wobei sich das Muster in komplizierter Weise mit der Frequenz ändert. Im Falle einci Schalls mit üblicher Wellenform ändert sich daher das Sc.iallspektrum an den verschiedenen Orten. In entsprechender Weise läßt ein Nichtentstehen einer Beugungsfigur erkennen, daß sich die Schallwelle als sphärische Welle im Wellenfeld ausbreitet, da jeder übliche Schall seine Wellenform im Zuge seiner Ausbreitung ändert.

Zur Erzielung einer guten akustischen Wiedergabe ist es notwendig, drei Erfordernisse zu erfüllen, nämlich eine hohe Leistung, eine hohe Güte und eine gute, naturgetreue Wiedergabe. Damit man im niedrigen Bereich der Töne ein hohes Niveau von akustischer Leistung erhält, muß man einen weiten Strahlungsbereich verwenden, was wiederum zu schwerwiegenden Problemen führt. Die Verwendung von Horn- bzw. Trichterlautsprechern stellt eine Maßnahme zur Lösung dieser Probleme dar. Lautsprecher scheinen Schallquellen zu sein, die auf einer gekrümmten Fläche endlicher Ausdehnung verteilt sind. In entsprechender Weise wird der Trichter als eine Anordnung von Punkten von Schallquellen (Dipol Schallquellen) betrachtet, die auf einer willkürlich gekrümmten Fläche verteilt sind, deren Rand von dem Rand der Trichteröffnung gebildet ist. Das Schallfeld kann an einem von der Schallquelle entfernten Ort als Kugelwelle betrachtet werden, falls die Ausdehnung der Schallquelle geringer ist als die Wellenlänge (wenn sie ein Kreis ist, ka < 1, worin »afc den Radius bedeutet). Da jedoch der Trichterlautsprecher eine großflächige Trichteröffnung benötigt, damit der Reflexionskoeffizient herabgesetzt werden kann, läßt sich obige Bedingung auf Trichterlautsprecher für Töne im hohen Bereich nicht anwenden.

Wenn die Schallquelle gleichmäßig über die gesamte Oberfläche einer Kugel verteilt ist, entsteht das Schallfeld in KugelsymmeHe und die Richtung der Schallausdehnung fällt mit derjenigen der Teilcher.gescnwindigkeit an jeder Stelle des Feldes zusammen. Dies bedeutet, daß der Schall sich ohne Änderungen in seiner Wellenform ausbreitet.

Wenn andererseits die Schallquellen auf irgendeiner gekrümmten nicht mit der Kugelfläche zusammenfallenden Fläche verteilt sind, entsteht eine Beügungsfigur. was bedeutet, daß sich die Schallquelle mit ändernder Wellenform ausbreitet. Das Gleiche wie das vorstehend Gesagte gilt für Schailqucllen, die symmetrisch auf einem Teil einer Kugelfläche angeordnet sind. Es ist jedoch wünschenswert, daß die Schallquellen auf einem Teil einer Kugelfläche angeordnet sind, die einen mög-

liehst großen Raumwinkel hat. Eine derartig erwünschte Schallquelle gibt es lediglich in folgenden drei Fällen:
Die Welle zweiter Ordnung von einer Quelle, die aus l'unktquellen mit einer im Vergleich zur Welleuliinge kleineren Ausdehnung bestehend betrachtet werden können, wie das Aspirationskugel-Ende oder der konische Trichter.

Wie sich aus dem Vergleich mit den Beugungserscheinungen des Lichtes ergibt, entwickelt der erfindungsgemäße Trichter keine klare Beugungsfigur, da die Trichteröffnung die Form einer Ellipse o. ä. aufweist. Aus diesem Grunde breitet sich die Schallwelle im wesentlichen ohne Änderung ihrer Wellenform an jeder Stelle des Schallfeldes aus. Des weiteren zeigt der Querschnitt des Trichters mit einer Ebene, die die Längsachse des Trichters und die größere Halbachse der Ellipse enthält, eine V-Form o.a. mit einem großen eingeschlossenen Winkel, wobei insbesondere die Basisseite des Quer-

II)

^ uic IdMgStC JciiC tSt üi'iü uiC* SCni'dg VcFi«iüici"u.icii Sümii ΟίπΟ

!es ;/ mit einer Ehcne.die die Längsachse des Trichters enthält und clic in Richtung der größeren I lalbachse der elliptischen Trichteröffnung ") verlauf I, die Qiici Schnitts fläche V-förmig o. ä. isl. Der von dem V eingeschlossene Winkel isl vorzugsweise erheblich großer als cm rechler Winkel. Die Hasisseilc 6 ist die längste Seile und die schrägen Seiten 4 sind gradlinig.

Betrachtet man andererseits F i g. J, in der ein Schnitt des Trichters ;; mit einer Ebene dargestellt ist. welche die Längsachse des Trichters enthält und in einer Richtung verläuft, die senkrecht zur größeren I lalbachse der elliptischen Trichteröffnung .3 liegt, so erhält man eine Schnitlfigur. die ebenfalls V-förmig ist. wobei die H;isis seile am kürzesten ist, und die schrägen Seiten gekrümmt verlaufen. Der Querschnitt durch den Trichter ;i nimmt in Richtung auf cl'c Trichteröffnung 3 allmählich derart /x\. wie dies bei dem allgemein bekannten Kxponenlialtrichter der Tall ist. Der Trichter a weist

Seiten gradlinig sind. Die Welle nahe der horizontalen Ebene, welche die Achse der Wcllcnoberfläche an der Trichteröffnung enthält, nimmt dann einen Zustand an. der ähnlich des einer gleichförmigen Kugelwelle ist. Der erfindungsgemäße "Trichter liefert daher ein Sehallfeld, das dem von gleichförmigen Kugel wellen in einem Hörbereich entspricht, der eine relativ enge vertikale Ausdehnung und eine relativ weite horizontale Ausdehnung haben kann.

Mittels der vorliegenden Erfindung werden somit die bislange bcstehei len Probleme gelöst, wobei ein "Trichter geschaffen wird, der die Vorteile eines herkömmlichen Trichters (wie beispielsweise eines Exponentialtrichters) und des konischen Trichters aufweist. Der crfindungsgemäße Trichter kann insbesondere die vom Trichterhals mit einem hohen Wirkungsgrad bzw. einem hohen Güteverhältnis ausgesandtc Schallwelle zu dem Hörer nDtür^cireu überträfen.

V/eitcre Einzelheiten der Erfindung ergeben sieh aus den ünteranspriichen und der Beschreibung, worin im folgenden anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erörtert wird. Es zeigt

! ι s:. 1 einen erfindungsgemäßen Flxponeniialtrichter in perxpekm iseher Darstellung.

F i s». 2 einen Schnitt durch den Trichter gemäß F i g. I längs einer F.bene. welche die Längsachse des Trichters und die größere Halbachse der elliptischen Trichteröffnung enthält, und

F i g. 3 einen Schnitt durch den Trichter gemäß I" i g. I längs einer Ebene, welche die Längsachse des Trichters und die kleinere Halbachse der Trichteröffnung enthält.

Die in F i g. I gezeigte akustische Vorrichtung enthält einen Trichter α und einen Trichterhais b. DerTrichtcrhals b ist an seinem vorderen Ende 1 mit einer rückwärtigen Öffnung 1 des Trichters a verbunden. Am rückwärtigen Ende 2 des Trichterhalscs ist dieser mit einem nicht gezeigten Steucrsender verbunden.

Aus den F i g. 2 und 3 erkennt man. daß der Trichterhals b eine ähnliche geometrische Gestalt hai wie ein herkömmlicher Trichter, d. h. daß der Außendurehnie.sser des Trichterhalses von dem rückwärtigen Ende 2 progressiv in Richtung auf die vordere öffnung i desselben zunimmt. Dabei kann sich das rückwärtige LmIe 2 des Trichterhalses b in Kreisform und das rückwärtige Ende I des Homes a in Form einer Ellipse, eines Kreises, eines Rechtecks oder ähnliches offnen.

Der Trichter a enthält an seinem vorderen Finde eine Trichteröffnung 3 in Form einer Ellipse oder ähnlichem. Man erkennt in F' i g. 2, daß bei einem Schnitt des Trichgc geuuicu iscnc rui'm tun, uei'Cn

_'(i Randkontur sich von gradlinig zu gekrümmt ändert.
Hierzu I Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Exponentialtrichter für Trichterlautsprecher, bei dem der Querschnitt des Trichters (a) in senkrecht zu seiner- Längsachse laufenden Ebenen in Richtung auf die Trichtermündung (3) allmählich zunimmt die im wesentlichen die Form einer Ellipse hat, und bei der der Querschnitt des Trichters (a) in einer seine Längsachse und die größere Halbachse der Ellipse enthaltenden Ebene im wesentlichen V-förmig mit einem großen eingeschlossenen Winkel ist dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel erheblich größer als 90° ist

2. Exponentialtrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die schrägen Seitenwandungen (4) des Trichters (a) bezogen auf einen Schnitt, der seine Längsachse und die große Halbachse der Ellipse enthält, im wesentlichen gradlinig verlaufen.

3. Expo« ;ntialtrichter nach einem der Ansprüche

hne» stofl A\&

gen Seitenwandungen des Trichters (a) im Schnitt in einer seine Längsachse und die kleine Halbachse der Ellipse enthaltenden Ebene gekrümmt verlaufen.