DE3048547A1

DE3048547A1 - Schallabstrahlendes lautsprechergehaeuse und verfahren zur raumuebertragung von schall

Info

Publication number: DE3048547A1
Application number: DE19803048547
Authority: DE
Inventors: Philip Ray 75240 Dallas Tex. Clements
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-12-31
Filing date: 1980-12-22
Publication date: 1981-11-05
Also published as: US4373606A; JPS56146394A

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein schallabstrahlendes Lautsprechergehäuse mit einer Frontwand, einer Rückwand, einer Bodenwand und einem eingebautem Lautsprecher, und auf ein Verfahren zur übertragung von durch einen Lautsprecherkonus abgestrahltem Schall.

Durch beträchtliche Fortschritte in der Halbleiterelektronik sind in letzter Zeit preiswerte Tonverstärker auf dem Markt erschienen, die ihre zehn Jahre älteren Vorgänger in der Präzision der Tonsignalabgabe weit übertreffen. Bedauerlicherweise hat der Qualität-Sjstandard der Laütsprechergehäuse keine mit dem der Tonverstärker vergleichbare Weiterentwicklung aufzuweisen; das schwächste Glied in der Tonübertragungskette ist daher' meist der Lautsprecher.

Das ideale Lautsprechergehäuse sollte vier wesentliche Eigenschaften aufweisen:

1) Es sollte elektrische Energie mit gutem Wirkungsgrad in Schallenergie umsetzen, damit nicht nur elektrische Energie gespart sondern vor allem die durch nicht-lineare 0 Verstärkungseigenschaften vieler Tonverstärker, wenn sie mit höherer Leistung arbeiten, verursachten Amplitudenverzerrungen vermindert werden. Ein Gehäuse mit einem besseren Umsetzungs-Wirkungsgrad spricht besser auf die schwachen Tonsignale aus dem Verstärker an und hat dadurch einen größeren Dynamikbereich, was besonders erwünscht ist, da reproduzierte Musik zwangsläufig einen geringeren Dynami umfang als eine Live-Ubertragung hat.

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2) Ein Lautsprechergehäuse sollte in der Lage sein, ein großes Tonfrequenzspektrum abzugeben, mit anderen Worten: es sollte möglichst sämtliche Tonlagen innerhalb des hörbaren Tonfrequenzspektrums sehr genau wiedergeben.

3) Ein Lautsprechergehäuse soll in der Lage sein, alle Tonlagen innerhalb seiner Bandbreite mit kleinster Amplitude, minimalem Oberwellenanteil und geringster Intermodulationsverzerrung genau wiederzugeben.

_in 4) Schließlich sollte aus der Sicht des Verbrauchers das Gehäuse kleine Abmessungen haben und relativ billig sein.

Frühere Bemühungen mit dem Ziel, das ideale Lautsprechergehäuse zu schaffen, führten zu folgenden vier Grundbauarten: Lautsprechergehäuse mit Trichter; mit öffnungen versehene-Baßreflexgehäuse? Gehäuse mit unbegrenzter Schallwand; und gemischte Bauarten, in denen die Prinzipien von zwei oder mehr der vorgenannten Bauarten Anwendung finden.

0 Leider erfüllt keine der bekannten Bauarten alle vier "Ideal"-Eigenschaften, sondern jede von ihnen hat nur die eine und/oder andere "Ideal"-Eigenschaft auf Kosten der übrigen.

Trichterlautsprechergehäuse erfüllen weitgehend die ersten drei Eigenschaften, sie haben den höchsten Wirkungsgrad zwischen 18 und 25% und können einen großen Frequenzbereich bei geringer Verzerrung abgeben, weil sie wie ein akustischer Transformator arbeiten, der die hohe Impedanz am Lautsprecher-

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konus wirksam in die niedrige Impedanz der umgebenden Luft anpaßt. Konstruktiv gelingt dies durch Ankopplung einer schwingenden Membran an das Horn eines Trichters über eine Kompressionskammer.

Damit überhaupt eine Baß-Bandbreite erzielbar ist, muß dasHorn des Trichters sehr groß sein. So benötigt beispielsweise ein in dem Aufsatz "Horn-loading Loudspeaker Enclosure" von Plach und Williams aus "Radio and Television" vom Mai 1952 beschriebenes System ein fünf mal drei mal zwei Fuß großes Gehäuse und einen 15 Zoll-Tieftonlaut Sprecher zur ausreichenden Tieftonwiedergabe bis herunter zu etwa 40 Hz. Hier wird die erzielte große Bandbreite und Verzerrungsfreiheit mit einem großen und teueren Gehäuse erkauft.

Zur Verringerung der Abmessungen sind verschiedene Konstruktionen erdacht worden, mit "gefalteten" akustischen Trichtern oder solche, bei denen die Wände und der Fußboden des Raumes als Trichterhorn ausgenutzt werden, um das Lautsprechergehäuse zu verkleinern. Gefaltete Trichter sind in den US-Patentschriften 4 161 230; 3 047 090

und 3 986 229 beschrieben worden. Die zuletzt genannte • bekannte Bauart kann in den US-Patentschriften 2 994 399 und 2 825 419 nachgelesen werden.

Trotz dieses Entwicklungsstands der Trichterlautsprecher haben diese immer noch ein relativ großes, sperriges und teures Gehäuse.

Im Gegensatz dazu sind die mit öffnungen versehenen Baßreflexgehäuse bei guter Tieftonbandbreite weniger groß; eine in der US-Patentschrift 3 952 159 beschriebene Aus-

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führung ist nur 18,5" hoch, 14,5" breit und 9,5" tief, und seine flache Frequenzkurve beginnt bei etwa 45 Hz.

Mit Öffnungen versehene Baßreflexgehäuse erfüllen bezüglich Wirkungsgrad und Verzerrungsfreiheit in relativ hohem Maße auch die anderen zwei "Ideal"-Eigenschaften.

Weit verbreitet ist die Ausführung mit einem Lautsprecher und einem in die Gehäusefront eingebauten Luftkanal. Dieses Baßreflexgehäuse erreicht dadurch einen Umsetzungswirkungsgrad von 2 bis 6%, daß die von der hinteren Konus- oberfläche im Luftkanal erzeugte Rückseitenwelle mit der von der Konusvorderseite erzeugten Frontwelle in Phase liegt. Zusätzlich wird durch die Luftbelastung der rückseitigen Oberfläche des Lautsprecherkonus die durch das Uberschwingen des^Korius verursachte Oberwellenverzerrung mäßig reduziert, und-die wirksame Tieftonbandbreite des Systems erweitert. . "' ._. -

Trotz der Reduzierung der Uberschwingverzerrung durch die rückseitige Luftbelastung des Lautsprecherkonus hat ein normaler Baßreflexlautsprecher wegen seiner Systemresonanz oft große Amplituden- und anderen Oberwellenverzerrungen. Wegen dieser schlechten Eigenschaften werden frühere Baßreflexsysteme oft als "Boom Boxes" oder "Ein-Ton"-Bässe bezeichnet. Hier wurden ein mäßiger Wirkungsgrad, große Bandbreite und geringe Abmessungen mit erheblichen Wiedergabeverzerrungen erkauft.

Zur Verminderung der Verzerrungen ist gemäß US-PS 4 128 und 2 7 66 83 9 schon versucht worden, die Innenwände des Gehäuses mit einer Menge schalldämpfenden Materials auszukleiden oder durch Einsetzen einer abgestimmten Schallkammer in das Innere des Gehäuses in den Resonanzfrequenzen

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des Systems entstehende überschüssige Schallabstrahlung zu absorbieren. Die Verwendung schalldämpfenden Materials oder einer abgestimmten Schallkammer im Innern des Systems beeinträchtigt leider den Wirkungsgrad, so daß bisher noch keine ideale Lösung des Verzerrungsproblems bei Baßreflexlautsprechergehäusen mit öffnung gefunden wurde.

Gehäuse mit unbegrenzter Schallwand wie Kompressionsliniengehäuse können relativ kompakt gebaut werden und haben, wenn sie gut konstruiert sind, nur eine geringe Oberwellenverzerrung durch Konusüberschwingungen und eine relativ

große Bandbreite aufgrund ihrer rückseitigen Luftbelastung. "-■ -Leider hat der Lautsprecher mit unbegrenzter-=-Schallwand . -

den großen Nachteil, daß die von der Konusrückseite erzeug-• te Welle vollständig absorbiert und daher, die -'zugeführte elektrische Energie nur zu weniger als 0,5 bis 2% in Schallenergie umgesetzt wird. Zur Erzielung der gleichen Schallenergie muß daher mehr elektronische Verstärkung aufgewendet werden, und das kann zu einem nicht-linearen Frequenzgang des Tonverstärkers bei hoher Leistungsabgabe führen.

So hat der Gehäusetyp mit unbegrenzter Schallwand zwar geringe Abmessungen, eine vertretbare Bandbreite und eine mäßige Oberwellenverzerrung, dafür aber einen schlechten Wirkungsgrad, und dies führt häufig wiederum zu einer Reduzierung des von Amplitudenverzerrung freien Frequenzumfangs und des Dynamikumfangs.

Lautsprechergehäuse in Mischbauweise besitzen alle vier "Ideal"-Eigenschaften, aber nur in begrenztem Umfang. Beispielsweise ist in dem in US-PS 2 978 060 beschriebenen Lautsprechergehäuse ein Lautsprecher schräg in einer offenen länglichen Kammer angebracht und hat nach der Beschreibung "... bestimmte Eigenschaften (2) eines Trichters und ( ) eines Helmholtz-Resonators oder Baßreflexgehäuses ..." (Spalte 3, Zeile 15,16). Gemäß Fig. 4 Darstellung D in

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dieser Patentschrift hat dieses System aber auch bestimmte Nachteile einschließlich einer Amplitudenverzerrung durch Systemresonanz.

Als meist relevanter Stand der Technik nach deutschem Recht können die auf den Erfinder zurückgehenden Gehäuseserienmodelle R (unterteilt in das ältere und das neue Modell R) und Modell RT betrachtet werden.

Das ältere Modell R ist 26" hoch, 13" breit und 12,5" tief, und es enthält ein Trennelement, welches von der Unterseite des Tieftonlautsprechers bis auf jeweils etwa 47 mm an die Innenoberfläche der Rückwand und der Boden-.. wand des Gehäuses heranreicht. Dieses Trennelement unterteilt den Gehäuseinnenraum in eine abgestimmte Schallkammer mit. dreieckigem Querschnitt und in eine längliche abgeschrägte Kompressionskammer.

Die abgestimmte Schallkammer war zwischen der Unterseite des Trennelements, den Seitenwänden und der Innenfläche der Front- und Bodenwände des Gehäuses eingefaßt und mit vier Stück Fiberglas-Schallschluckmaterial RA26, 3" von Owens Corning gefüllt. Zwischen der Unterkante des Trennelements und der Innenfläche der Gehäusebodenwand war eine Schallstrahleingangsoffnung mit einer Querschnittsfläche von 139 cm² definiert.

Die schräge Kompressionskammer war zwischen der Trennelement-Oberseite und den Seiten-, Ober- und Rückwänden des Gehäuses definiert, und sie endete mit einem zwischen der Trennelement-Unterkante und der Rückwand-Innenoberfläche gebildeten Halsabschnitt, der mit 139 cm² den gleichen Querschnitt wie die Schallstrahleingangsoffnung hatte

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Ein direkt hinter dem Tieftonlautsprecher befindlicher hinterer Abschnitt der Kompressionskammer war mit schallschluckendem Material belegt.

Das ältere Modell R hatte eine durch einen Spalt zwischen der Rück- und der Bodenwand des Gehäuses gebildete hintere Ubertragungsöffnung mit einem Querschnitt von 125,5 cm² und einer CJröße, die 69% der hinteren Kolbenabstrahlfläche (rear piston radiating area) des Tieftonlautsprechers entsprach.

-40 .. .. Die Kompressionskammer in dem älteren Modell R erfüllte drei Funktionen: Belastung der rückseitigen Kolbenab-

. _. ~.-_strahlflache des Lautsprecherkonus durch die Luftmasse " ■ in der Kompressionskammer zur Reduzierung der durch das Uberschwingen des Lautsprecherkonus verursachten Ober-Wellenverzerrung. Ferner bildete der Kammerhalsabschnitt, da er um 23% kleiner als die hintere Ko.lbenabstrahlflache des Lautsprechers war, eine zusätzliche Lautsprecherbelastung; und schließlich diente die abgeschrägte Formgebung der Kompressionskammer der Fokussierung oder Konzentration der gesamten vom Lautsprecher erzeugten schwingenden Luftsäule auf den am Ende der Abschrägung befindlichen Halsabschnitt.

Nach ihrer Fortflanzung durch das sich verjüngende Ende der Kompressionskammer gelangte die pulsierende Luftsäule in ein als akustische Kupplung dienendes T-Stück an der Oberseite des Kompressionskammerhalses, auf einer Seite durch die Rückwandübertragungsöffnung, auf der anderen Seite durch die Schallkammereingangsöffnung und bodenseitig durch die Gehäusebodenwand. Hier wurde die schwingende Luftsäule zwischen der Schallkammereingangsöffnung und der Rück-

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wandübertragungsöffnung aufgetrennt.

So wurde zwischen der hinteren Kolbenabstrahlfläche des Lautsprecherkonus, der Kompressionskammer und der Rückwandübertragungsöffnung eine akustische übertragungsleitung gebildet. Bei Einhaltung eines Abstands von etwa 30 cm von einer Raumwandung wurde diese übertragungsleitung durch ein durch die Gehäuserückwand, den Fußboden und die Raumwandung gebildetes akustisches Gebilde über den Raumfußboden hinweg verlängert. Der die öffnung verlassende Schall wurde durch die Wandung reflektiert und verstärkte die von der Frontseite des Lautsprecherkonus abgestrahlte Schallenergie^

Die erwähnte akustische übertragungsleitung war an der T-Schnittstelle zwischen dem Kompressionskammerhals, der Gehäuserückwand-Übertragungsöffnung und der~SchalIkammereingangsöffnung mit der abgestimmten Schallkammer akustisch gekoppelt, welche ihrerseits der Unterdrückung der geradzahligen und ungeradzahligen Oberwellen der Grundschwingung der Systemresonanzfrequenz diente.

Obwohl das ältere Modell R-Lautsprechergehäuse nur 4 9,5 1 Volumen hatte, konnte es bis zu 8% der aufgenommenen elektrischen Energie in akustische Energie umwandeln und hatte dabei eine bis auf 41,2 Hz herunterreichende sehr breite Bandbreite und eine relativ flache Frequenzgangkurve,

s. Fig. 3 und 5a ... e. Unangenehmerweise hatte dieses System eine die Schallabgabe hörbar störende Resonanzstelle,

Bei dem neuen Modell R war diese störende Systemresonanz dadurch weitgehend vermieden worden, daß der gesamte Q-Faktor des Tieftonlautsprechers von 9,2 auf 0,51 und die Quer-

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schnittsflächen der Schallabstrahleingangsöffnung sowie des Kompressionskammerhalses von 139 cm² auf 78,8 cm² reduziert wurden. Zusätzlich wurde die Querschnittsfläche der rückseitigen Ubertragungsöffnung von !25,5 cm² ebenfalls auf 7 8,8 cm² reduziert. Die dadurch verbesserten Eigenschaften des neuen Modells R sind in den Fig. 6a .... e wiedergegeben.

Bei dem Gehäusemodell RT waren die Verzerrungen durch Systemresonanz des älteren Modells R noch wirksamer unterdrückt. Hier war die Querschnittsfläche der Schall-

abstrahlöffnung von 78,8 cm² in 87,5 cm² 'geändert, und ~ zusatzlich~wurde das-truftvolumen-des Gehäuses durch Vergrößerung der Höhe auf 65,1 1 gegenüber 49"T5 1 beim äl-" _ _ ■ teren" Modell R vergrößert." Durch diese Veränderungen _ wurde eine sehr geringe Oberwellenverzerrung erreicht,

s. Fig. 7a ... e, jedoch auf Kosten einer Gehäusevolumenvergrößerung um 31%.

Die Gehäuse nach dem neueren Modell R und RT ermöglichen zwar eine Schallwiedergabt, mit großer Bandbreite, geringer Verzerrung und gutem Wirkungsgrad, sind aber relativ kompliziert aufgebaut und recht umfangreich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lautsprechergehäuse der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß es bei optimalen akustischen Eigenschaften einen einfacheren Aufbau und kleinere Abmessungen als der angegebene Stand der Technik hat, und außerdem ein neuartiges Verfahren zur übertragung von abgestrahltem Schall in einen Raum aufzuzeigen.

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Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist in bezug auf das Gehäuse im Patentanspruch 1 und verfahrensseitig im Patentanspruch 9 bzw. 11 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in jeweils nach geordneten Unteransprüchen enthalten.

Ähnlich wie die früheren Modelle R und RT des Erfinders besitzt auch das vorliegende erfindungsgemäße Lautsprechergehäuse außer dem Lautsprecher eine öffnung zur Übertragung des von der hinteren Kolbenabstrahlfläche des Lautsprecherkonus erzeugten Schalls, ferner eine die geradzahligen und ungeradzahligen Oberwellen der Systemresonanzfrequenz absorbierende abgestimmte Schallkammer und eine verjüngte und an einem Ende an die hintere Kolbenabstrahlflächedes Lautsprecherkonus akustisch angekoppelte Kompressionskammer.

Das vorliegende erfindungsgemäße Lautsprechergehäuse unterscheidet sich jedoch von den älteren Modellen des Erfinders besonders durch folgende Merkmale: Es hat wesentlich klei-0 nere Abmessungen und ein innneres Volumen von nur etwa 14 Ferner befindet sich bei dem erfindungsgemäßen Gehäuse die Schallübertragungsöffnung in der Frontwand und nicht in der Rückwand. Das neue kompakt gebaute Gehäuse hat eine L-förmige akustische Kupplung, die oberseitig durch einen Kompressionskammerhals, einen Eingang und eine Bodenwand der abgestimmten Schallkammer, unterseitig durch die Gehäusebodenwand und seitlich durch die Gehäuserückwand bzw. die Frontwandübertragungsöffnung begrenzt wird. Ferner ist die Eingangsöffnung der abgestimmten Schallkammer des neuen Ge-0 häuses etwa gleich der Lautsprecherkonus-Kolbenabstrahlfläche,

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während bei den früheren Modellen R (neu) und RT des Erfinders die öffnung nur 5 0 % dieser Fläche hatte.

Das erfindungsgemäße Lautsprechergehäuse zeichnet sich dadurch aus, daß es bis zu 4,5% der aufgenommenen elektrischen Energie in Schall mit einer großen Bandbreite, bis zu 41,2 Hz herunter und mit sehr geringer hörbarer Verzerrung umsetzen kann. Dieses neue Gehäuse ist 72 % kleiner als das ältere Modell R des Erfinders und arbeitet trotzdem bei der Tonwiedergabe mit einer geringeren Oberwellenverzerrung.

Nachstehend wird ein die Merkmale der Erfindung auf-- - -"\__- /"weisendes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine Zeichnung, die auch den vorstehend erläuterten Stand der Technik umfaßt, näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 das nachstehend erläuterte bevorzugte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lautsprechergehäuses in einem Vertikalschnitt und einem den inneren Bodenabschnitt des Gehäuses zei

genden Horizontalschnitt,

Fig. 3 und 4 grafische Darstellungen zum Frequenzgang sowohl an der Ubertragungsöffnung als auch an der frontseitigen Lautsprecherabstrahlfläche, einmal für das ältere und ein

mal für das neuere Modell R,

Fig. 5a bis 5e verschiedene grafische Darstellungen von an dem älteren Modell R auftretenden

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Oberwellenverzerrungen bei verschiedenen Eingangsleistungen bzw. in einem Meter Abstand,

Fig. 6a bis 6e entsprechende grafische Dar-Stellungen von an dem neueren Modell

R auftretenden Oberwellenverzerrungen,

Fig. 7a bis e den Fig. 6a bis e entsprechende grafisch dargestellte Meßdaten für das frühere Modell RT-Lautsprechergehäuse, und

Fig. 8a,b und c grafische Darstellungen von

Meßwerten an dem erfindungsgemäßen Lautsprechergehäuse, die mit den Darstellungen in Fig.-6a, 6b bzw. 6e vergleichbar sind.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Lautsprechergehäuse 1 hat im wesentlichen die Form eines rechteckigen Kastens mit einer Frontwand 3, einer Rückwand 5, einer Oberwand 6, einer Bodenwand 7 und zwei Seitenwänden 9 und 11. Die genannten Wände bestehen zwecks Verminderung der Gehäuseresonanz vorzugsweise aus Holzfasermaterial. Vorzugsweise hat dieses Gehäuse-Ausführungsbeispiel ein inneres Gesamtvolumen von 14,2 Litern.

Vorzugsweise enthält das Lautsprechergehäuse 1 einen 5-ZoIl-Mittelbereichs-Lautsprecher 13 mit einem Lautsprecherkonus und einem Konuskäfig 18. Vorzugsweise hat dieser Lautsprecher einen Gesamt-Q-Faktor von 0,25, eine Konus-Resonanzfrequenz zwischen 48 und 52 Hz und eine hintere Kolbenabstrahlfläche von etwa 71 cm². Das erfindungsgemäße Ausfuhr

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rungsbeispiel enthält einen 5-Zoll-Lautsprecher Audax vom Typ HIF13HSM mit einer Konus-Resonanzfrequenz von etwa 50 bis 55 Hz. Der Anmelder hat vor, den mechanischen Q-Faktor dieses Lautsprechers auf etwa 10% über den derzeitigen Wert von 2,81 anzuheben, um gelegentliche Konus-Uberschwingungen zu vermindern und die Leistungsfähigkeit des Gehäuses über seine Bandbreite hinweg zu erhöhen.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält die Frontwand 3 in der dargestellten Position eine den Lautsprecher . ₀ 13 überdeckende Lage eines schallschluckenden Schaummaterial

15 zur Reduzierung des Front-Nachhalls, wei'l sonst durch von """ der Frontschallwand de~s~ Lautsprechers 13 reflektierte Schall wellen eine undeutliche, schwere und unnatürliche Klangqualität verursachen. ■" '"_ -"___ ~^:~ .__ ■

Die Frontwand 3 enthält ferner eine schlitzförmige Über-' tragungsöffnung 20, die vorzugsweise oben und unten durch einen zwischen der Frontwand 3 und Bodenwand 7 gebildeten rechteckigen Spalt, und seitlich durch die Frontkanten von zwei dreieckigen Faserholzstücken 26a und 26b, die zwischen 0 - der Bodenwand 7 und einer Bodenwand 3 0 einer abgestimmten Schallkammer 23 befestigt sind, definiert wird. Diese Ubertragungsöffnung 20 ist nur halb so breit wie die Unterseite der Frontwand 3 des Gehäuses 1, befindet sich in deren Mittelabsschnitt und hat vorzugsweise eine Querschnittsfläche von 36,75 cm², gebildet durch den etwa 4,1 cm hohen und 8 cm breiten rechteckigen Spalt zwischen Frontwand 3 und .Bodenwand 7.

Ein diagonal in den Innenraum des Lautsprechergehäueses 1 eingebautes Trennelement 21 unterteilt den Gehäuseinnenraum in eine abgestimmte Schallkammer 23 und eine Luftkompression

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kammer 25. Dieses Trennelement 21 ist mit seiner Oberkante 22a etwa 2,5 cm unterhalb der untersten Begrenzung des Lautsprecherkäfigs 18 abgedichtet an der Innenoberflache der Frontwand 3, und mit seinen Seitenkanten 22c und 22d abgedichtet an jeweils einer der Gehäuseseitenwände 9 und 11 befestigt. Eine freiliegende Unterkante 22b des Trennelements 21 berührt keine der Gehäusewände sondern bildet zwischen sich und der Rückwand 5 einen horizontalen Spalt 31 und ferner zwischen sich und einer Schallkammer-Bodenwand 30 einen anderen horizortalen Spalt 27. Ferner verläuft, wie dargestellt, die Unterkante 22b etwa unter einem Winkel von 45° zu den Ober- und"Unterseiten des Trennelements 21. Die Bedeutung der Spalte" 27 und 31 wird nachstehend er-

läutert. ."".

Die durch das Trennelement 21, die Seitenwände 9 und 11 und die Innenoberflache der Rückwand 5 des Gehäuses gebildete Komprer.sionskammer 25 hat einen sich verjüngenden Querschnitt und ist an ihrem breitesten Ende an die rückseitige Kolbenabstrahlfläche des Lautsprecherkonus 16 · akustisch angekoppelt. Ein dreieckiges Stück schallschluckenden Materials 29 (vorzugsweise Glasfaserwolle) erstreckt sich oben durch die Kompressionskammer 25 innerhalb der durch die Rückwand 5 und Oberwand 6 gebildeten Ecke. Dieses schalldämpfende Material 29 soll die Reflektion des vom Lautsprecher 13 erzeugten Schalls im MittelfrequenzbeiEich von diesem dem Lautsprecherkonus 16 direkt gegenüberliegenden Rückwandabschnitt verhindern, damit dieser Schall keine Amplitudenverzerrungen verursacht.

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Ein sich verengender Endabschnitt 32 der Kompressionskammer 25 endet in einem Hals 31 und hat die Aufgabe, die von der hinteren Oberfläche des Lautsprecherkonus 16 erzeugte pulsierende Luftsäule in den Kompressionskammerhals 31 und auf ein am Gehäuseboden angeordnetes akustisches Koppelelement 3 4 zu konzentrieren bzw. zu fokussieren. Vorzugsweise hat der Kompressionskammerhals 31 eine kleinere Querschnittsfläche als die hintere Kolbenabstrahlfläche des Lautsprecherkonus 16, damit auf diese Weise die hintere Kolbenabstrahlfläche des Lautsprecherkonus zusätzlich belastet wird.

*~ ~~" Die zwischen der unteren Oberfläche des Trennelements 21

und den Innenoberflächen der Rückwand 5 und Seitenwände 9, -"".___ :""...-1-1 des Gehäuses T definierte Schallkammer 23 ist dadurch auf eine System-Resonanzfrequenz abgestimmt, daß der Umfang ihres dreieckigen Querschnitts einer vollen Wellenlänge der zweiten Oberwelle (Harmonischen) der Resonanzfrequenz des gesamten Gehäusevolumens entspricht.

Vorzugsweise ist die abgestimmte Schallkammer 23 mit drei 9 cm großen schalldämpfenden Materialstücken aus Glasfaserwolle vom Typ Owens Corning RA 26 gefüllt. Da die Schallkammer 23 vorzugsweise nur 15 cm breit ist, werden die drei 9 cm breiten Dämpfungsmaterialstücken durch die Gehäuseseitenwände 9 und 11 zusammengedrückt.

Das schalldämpfende Material 33 soll wirksam Resonanzspitze: bedampfen, die sonst im Bereich der Grundschwingung und der Oberwellen der System-Resonanzfrequenz am Ausgang des Gehäuses 1 auftreten würden. Der Erfinder hat überraschender Weise herausgefunden, daß durch das Einbringen der o.a. Mengen an schalldämpfendem Material in die Schallkammer 23

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diese Kammer 23 wie ein akustisches Zwischenfilter sowohl für die Grundschwingung als auch die zweiten und dritten Oberwellen der System-Resonanzfrequenz wirkt.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Schalleingangsöffnung 27 der abgestimmten Schallkammer 23 durch die Unterkante 22b des Trennelements 21 und eine Kante 36 der Bodenwand 30 der Schallkammer 23 gebildet. Diese Kante 36 ist vorzugsweise nicht rechtwinklig sondern parallel zur unteren Oberfläche des Trennelements 21 geschnitten. Die Schalleingangsöffnung 27 hat eine Querschnittsfläche, die gleich oder etwas kleiner als diejenige der hinteren Lautsprecherkonus-Kolbenabstrahlfläche ist.

Das der akustischen Zusammenkopplung der Kompressionskammer 25, der Schallkammer 23 und der Gehäuse-Übertragungsöffnung 20 dienende akustische Koppelelement 34 umfaßt einen L-förmigen Kanal 38, der unterseitig durch den rechten Winkel zwischen der unteren Innenoberfläche der 0 Gehäuserückwand 5 und der Oberseite der Gehäusebodenwand 7, und oberseitig durch den Kompressionskammerhals 31, die Unterkante 22b des Trennelements 21, die Schalleingangsöffnung 27 der Kammer 23 und die untere Oberfläche der Kammerbodenwand 30 begrenzt wird. Dieser L-förmige Kanal 38 des akustischen Koppelelements 34 führt die von der Lautsprecherkonus-Rückseite erzeugte schwingende Luftsäule vom Kompressionskammerhals 31 sowohl zur Frontwand-Ubertragungsöffnung 20 als auch zur Schalleingangsöffnung 27 der abgestimmten Schallkammer 23.

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Zur Reduzierung der Gehäuseresonanz hat das bevorzugte Ausführungsbeispiel eine Anzahl von vorzugsweise aus dem gleichen Ilolzfasermaterial wie die Gehäusewände 3, 5, 6 7, 9, 11 hergestellten inneren Versteifungen, welche wie dargestellt vorzugsweise in der Mitte angeordnet sind und Resonanzbewegungen der Wände 3, 5, 6, 7 und des Trennelements 21 unterdrücken.

Im oberen Teil des Gehäuses ist eine Frequenzweichenschaltung 35 für die Zuführung von Tonsignalen an einen nicht dargestellten Hochtonlautsprecher angebracht.

Diese an sich bekannte Frequenzweiche gehört nicht direkt "zur Erfindung und wird auch nicht näher erläutert.- Es- -sei nur.erwähnt, daß in dieser Frequenzweiche"^ besser Spulenkerne aus Eisen statt aus Luft verwendet werden sollten, weil sie zur -A.uf rechterhaltung einer hohen mechanischen Impedanz in der Treiber- oder Laxitsprechereinheit 13 beitragen, benötigt eine Spule mit cjinem Eisenkern weniger Windungen bei gleicher Induktivität als eine eisenlosa Spule. Weniger Windungen bedeuten weniger elektrischen Widerstand (bei gleicher Lrahtstärke) und damit einen höheren Stromfluß und größere Leistung. Daher wird der Lautsprecher 13 elektrisch höher bedämpft, wenn die Frequenzweiche 35 Spulen mit Eisenkern enthält.

Im Betrieb tragen die hintere Kolbenabstrahlfläche des Lautsprecherkonus 16 und die Kompressionskammer 25 gemeinsam und auf folgende Weise wirksam zu einer im wesentlichen verzerrungsfreien Schallwiedergabe bei: Erstens belastet die Kompressionskammer 25 die hintere Oberfläche des Lautsprecherkonus 16 mit der Masse einer Luftsäule und dämpft dadurch die Konusbewegungen, so daß Verzerrungen durch Uberschwingbewegungen des Konus 16 ver-

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hindert werden. Zweitens läßt der Lautsprecherkonus 16 die Luftsäule wie einen einzigen großen und sich über die Gesamtlänge der Kompressionskammer erstreckenden Schallerzeugerkolben schwingen; dadurch setzt der Laut-Sprecher 13 elektrische Energie mit größerem Wirkungsgrad in Schallenergie um. Drittens konzentriert bzw. fokussiert der sich verengende Endabschnitt 3 2 der Kompressionskammer 25 die in der schwingenden Luftsäule vorhandene Luftbewegung auf den Eingang des L-förmigen akustischen Koppelelements 34.

Dieses Koppelelement 34 koppelt wirksam und gleichförmig alle von der hinteren Kolbenabstrahlfläche.¹ des Lautsprecherkonus 16 ausgehenden Luftschwingungeη an die .abgestimmte Schallkammer 23 und die Übertragungsöffnung^ 20 an. Da dieses-Koppelelement 34 erfindungsgemäß optimal konstruiert ist, wirkt es ausgleichend auf die durch die ScKalleingangsöffnung 27 und die Ubertragungsöffnung 2 0 der schwingenden Luftsäule aufgezwungenen akustischen Impedanzen, so daß die sonst in der Grundschwingung und den zweiten und dritten Oberwellen der System-Resonanzfrequenz auftretenden schallverzerrenden Amplitudenspitzen wirksam abgeflacht werden.

So wird zwischen der Rückseite des Lautsprecherkonus 16 und der übertragungsöffnung 20 eine akustische Ubertragungsleitung gebildet.

Wird die Rückwand 5 der Ausführung in Fig. 3 entweder gegen eine Raumwandung oder in eine Raumecke positioniert, dann erstreckt sich diese übertragungsleitung zwischen der Lautsprecherkonus-Rückseite und der Übertragungsöffnung 2 0 über den Fußboden des Raumes. Der von der Frontwand-Übertragungs-

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öffnung 20 ausgehende Schall wird in der gleichen
Richtung wie der von der hinteren Oberfläche des
Lautsprecherkonus 16 ausgehende Schall übertragen
und beide verstärken sich direkt und wirksam.

Da der Kompressionskammerhals 31 immer gleich oder
kleiner als die hintere Kolbenabstrahlfläche des
Lautsprecherkonus 16 ist, kann das erfindungsgemäße
Lautsprechergehäuse 1 in Verbindung mit den Wänden
und Ecken eines Raumes als Äquivalent eines Hypex-

Trichtergebildes betrachtet werden. Der Anmelder ist
der Auffassung, daß die sich verengende Kompressions-

""~"---- kammer- in -allen drei .Aus führungen den Hals .eines üypex-

Trichters bildet, und daß bei sachgemäßer -Aufstellung
_~-~ _in- einem Raum dessen Fußboden unc. Wände als Gehäusever-.

längerungen wirken und die Hornöifnung des Hypex-Trichters bilden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
könnte diese Hornöffnung durch die Gehäusefrontwand 3
und den nicht dargestellten Raumfußboden gebildet sein, Der hohe Wirkungsgrad, der flache Frequenzgang und die

große Tonbandbreite des e: findungsgemäßen Lautsprechergehäuses sprechen für diese Theorie. Da sich der Anmelder jedoch über alle theoretischen Grundlagen der Erfindung nicht vollständig im klaren ist, wünscht er keine zwingende Verbindung zwischen dem Gegenstand der Erfindung

und den theoretischen Erläuterungen.

In den Fig. 5..., 6..., 7... und 8... sind grafisch Oberwellenverzerrungswerte für die eingangs erläuterten älteren und neueren Modelle R, das Modell RT und das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Fig. 5a
zeigt die Ausgangsschwankungen in Dezibel an der Rückwandübertragungsöffnung 20 zwischen 41,2 und 80 Hz bei 15 Watt

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elektrischer Eingangsleistung. Fig. 5b zeigt die Verzerrung in Prozent des Ausgangs an der Ubertragungsöffnung 20 für die zweite Oberwelle (durchgehende Linie) und die dritte Oberwelle (unterbrochene Linie) über ein breites, auch die System-Resonanzfrequenz enthaltendes Baß-Frequenzband. Fig. 5c zeigt die entsprechenden Ausgangswerte über den gleichen Frequenzbereich, jedoch bei konstanter Leistung von 1 Watt, und ähnlich wie in Fig. 5b zeigt 5d die Oberwellenverzerrungen für das die Resonanzfrequenz umfassende breite Baß-Frequenzband.

In Fig. 5e sind die der zweiten (durchgehende Linie) und dritten Oberwelle (unterbrochene Linie) zuzuschreibenden _- . VeE-zerrungen in ein Meter Entfernung für 41,2 Hz aufgetragen. Diese Frequenz entspricht e.. bzw. dem tiefen e im Baßbereich mit etwa 8,5 m Wellenlänge. Die Eingangsleistung" liegt zwischen O und 15 Watt.

Die grafischen Darstellungen in den Fig. 6a, 6b, 6c, 6d und 6e entsprechen denen in Fig. 5a...5e, gelten jedoch für das zum Stand der Technik gehörende neuere Modell R.

In ähnlicher WEise sind in den Fig. 7a, 7b, 7c, 7d und 7e die den Fig. 5a....5e entsprechenden Meßwerte für das zum Stand der Technik gehörende Modell RT des Erfinders aufgetragen.

Die grafischen Darstellungen in 8a, 8b und 8c entsprechen denen in den Fig. 5a, 5b, 5e; 6a, 6b, 6e bzw. 7a, 7b und 7e. Sie gelten für das bevorzugte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.

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Der Vorteil der Erfindung wird durch Vergleich der grafischen Darstellungen in den Fig. 5a, 6a, 7a und 8a deutlich. Wie schon erwähnt kann ein relativ kleines Lautsprechergehäuse nur unter großen Schwierigkeiten tiefe Tonfrequenzen in der Größenordnung von 41,2 bis 80 Hz gleichförmig in akustische Energie umsetzen. Wenn ein Lautsprecher über einen Bereich tiefer Frequenzen hinweg die gleiche elektrische Leistung aufnimmt, dann sollte seine Frequenzgangkurve eine über den gesamten Frequenzbereich reichende horizontale Linie sein.

Die erfindungsgemäße Frequenzgangkurve ist in Pig. Sa - " -- „.--^-gezeigt. Oberhalb 5OHz ist ■die-_F_jrequenzkurye_jannähernd

perfekt horizontal, jedoch weicht sie unterhalb 5 0 K^-Z^von - der theoretischen Ideallinie ab. Im Gegensatz dazu "Is-C"/ die Frequenzgangkurve 'des älteren Modells R" in Fig. 5ε- ■"-— " nicht annähernd so horizontal ausgebildet. Auch die. entsprechenden Abschnitte in den Frequenzgangkurven des neueren Modells R (Fig.6a) und des Modells RT (Fig.7a} verlaufen oberhalb 5 0 Hz nicht annänernd so horizontal.

obwohl dort ein 8-Zoll-Lautsprecher in einem 3,5 bis 4 mal so großvolumigen Gehäuse verwendet wird, im Gegensatz zu dem erfindungsgemäß verwendeten Lautsprecher mit 5" Durchmesser in einem wesentlich kleineren Gehäuse.

Die Vorteile der Erfindung gehen auch aus dem Vergleich

der Oberweilenverzerrungskurven für das ältere Modeil R (Fig.Se) und der Erfindung (Fig.8c) hervor. Das erfindungsgemäße Gehäuse gibt Schall mit weniger Oberwellenverzerrunge ab als der ältere größere Lautsprecher in einem 3,5 mal größeren Volumen.

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Mit Hilfe der Erfindung ist es jetzt gelungen, fast ohne erkennbare Einbuße an Wirkungsgrad, Bandbreite und Verzerrungsfreiheit die Gehäuseabmessungen gegenüber der nächstgelegenen bekannten Ausführung um 72% zu unterschreiten.

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Claims

PATENTANWÄLTE

TER MEER-MULLER-STEINMEISTER

Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office Mandataire* agrMs pres !'Office european des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl -Ing. H. Steinmeister Dipl.-Ing. F. E. Müller _β. _L<ini „.. _

Triftstrasse A, Siekerwall 7,

D'8OOO MÖNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1

JJ-42073 22. Dezember 1980

Mü/Gdt/Tß

PHILIP RAY CLEMENTS

7636 Dentcrest Street Dallas, Texas 75240 V. St. A.

Schallabstrahlendes Lautsprechergehäuse und Verfahren zur Raumübertragung von Schall

Priorität: 31. Dezember 1979, U.S.A., Ser.Nr. 108,371

PATENTANSPRÜCHE

Lautsprechergehäuse zur Abstrahlung von Schall, mit einer Frontwand, einer Rückwand, einer Bodenwand und einem eingebauten Lautsprecher, gekennzeichnet durch

- eine rückseitige Kolbenabstrahlfläche mit einem Flächeninhalt von χ des akustisch wirksamen Teils des in die Frontwand (3) eingebauten Lautsprechers (13),

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- eine Schallübertragungsöffnung (20) mit einer zwischen O,3x und O,65x bemessenen Querschnittsfläche,

- eine abgestimmte Schallkammer (23) mit einer Bodenwand (30) und mit einer Schallstrahleingangsöffnung (27), deren Querschnittsflache gleich oder kleiner als χ ist,

- eine akustisch mit der rückseitigen Kolbenabstrahlfläche des Lautsprechers gekoppelte und diese mit einer akustischen Last beaufschlagende Kompressionskammer (25), die mit einem Hals (31) endet, dessen Querschnittsfläche gleich oder kleiner als χ ist, und

— ein die ^ompressions-kammer mit-~der Frontwand-Schallübertragungsöffnung und der "Sciiallstrahleingangsöf fnung der abgestimmten Schallkammer koppelndes akustisches Koppelelement (34) mit einem Kanal (38), der unterseitig durch den unteren Bereich der Rückwand und die Bodenwand, und oberseitig durch den Kammerhals, die Schallstrahleingangsöffnung und die Bodenward (30) der abgestimmten Schallkammer definiert ist.

Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, mit einem zwischen 11,3 und 17 1 liegenden Luftvolumen, dadurch gekennzeichnet, daß

- die rückseitige Kolbenabstrahlfläche des Lautsprechers (13) zwischen 64,5 und 77,4 cm², und die Querschnittsfläche der Ubertragungsöffnung zwischen 30% und 65% von der rückseitigen Kolbenabstrahlfläche beträgt,

- die abge-stimmte Schallkammer (23) selektiv auf die Absorption der Grundschwingung sowie der zweiten und

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dritten Oberwelle der Gehäuse-Resonanzfrequenz ausgelegt ist und deren Schallstrahleingangsöffnung (27) eine Querschnittsfläche zwischen 6 4,5 und 77,4 cm² aufweist, und daß

- die Querschnittsfläche des Halses (31), mit dem die Kompressionskammer endet, kleiner ist als die Querschnittsfläche der rückseitigen Kolbenabstrahlfläche des Lautsprechers.

3. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 2, mit einem Volumen von etwa 14 Litern,

dadurch gekennzeichnet, daß die rückseitige Kolbenab- - strahlfläche _des Lautsprecher? einen_ Flächeni.nhalt von 71 cm² und einen Q-Wert von 0,25, die Schallubjertragungs· ■■- öffnung eine Fläche von etwa 36,8 cm² und die Schallkainmer-Eingangsöffnung sowie der Hals der Kompres s-ionskammer je einen Flächeninhalt zwischen 5 8,1 und 70 cm² haben.

4. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schallübertragungsöffnung in der hinteren Gehäusewand (5) angeordnet ist und teilweise durch die Gehäusebodenwand (7) gebildet wird.

5. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse innen durch ein Trennelement (21) in die abgestimmte Schallkammer (23) und die Luftkompressiomskammer (25) unterteilt ist.

6. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Oberkante (22a) des Trennelements (21) gegenüber der Innenfläche der Front-

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wand (3) unterhalb des Lautsprechers und ferner zwei entgegengesetzte Kanten des Trennelements gegenüber den Innenflächen von zwei entgegengesetzt angeordneten Gehäuse-Seitenwänden (9,11) akustisch abgedichtet sind, und daß zwischen der Unterkante (22b des Trennelements und der Bodenwand-Innenoberfläche ein Abstand besteht.

7. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die abgestimmte Schallkammer (23) durch das Trennelement (21) und die Innenflächen der Front- und Seitenwände des Gehäuses, und die Schallstrahleingangsöffnung (27) durch die Unterkante des Trennelements.und die Bodenwand (3 0) der _- Schallkammer begrenzt sind.

8. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Konipressionskammer (25) durch das Trennelement (21) und die Innenoberflächen der Gehäuse-;Rück- und Seitenwände, und deren Hals (31) durch die Unterkante des Trennelements und die Rückwand-Innenoberfläche begrenzt werden.

9. Verfahren zur übertragung von abgestrahltem Schall in einem Raum mit einem Boden und einer Wand aus einem Lautsprecherkonus, der in die Frontwand eines Gehäuses eingebaut ist, welches eine Kompressionskammer, eine abgestimmte Schallkammer und eine Frontwand-Schallübertragungsöffnung, deren Querschnittsfläche zwischen 30 und 65% der rückseitigen Kolbenabstrahlfläche des Lautsprecherkonus beträgt, aufweist, dadurch .gekennzeichnet, daß

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- durch Vibrieren des Konus auf dessen Vorder- und Rückseiten eine Schallstrahlung erzeugt,

- die von der Konus-Rückseite ausgehende Strahlung in der Kompressionskammer gefangen,

- die Schallstrahlung aus der Kompressionskammer

in eine die Kompressionskammer mit der abgestimmten Schallkammer und der Ubertragungsöffnung akustisch verbindende akustische Kupplung übertragen, und

- die Schallstrahlung aus der Ubertragungsöffnung am Boden des Raumes entlang weitergeleitet werden.

""._ 10. Verfahren nach Anspruch 9,

--""--*-- - --dadurch gekennzeichnet, daß als akustische Kupplung "* eine Verbindung zwischen einem Halsabschnitt der Kom- -~'r- -- -: -pressionskammer, einer Eingangsöffnung der abgestimmten Schallkammer und der Frontwand-Schallübertragungsöffnunc benutzt wird.

11. Verfahren zur Übertragung einer Schallstrahlung von einem in die eine Übertragungsöffnung aufweisende Frontwand eines Gehäuses mit einer abgestimmten Schall- '·■ kammer und einer Kompressionskammer eingebauten Lautsprecherkonus ,
dadurch gekennzeichnet, daß

- durch Vibrieren des Lautsprecherkonus auf dessen Front- und Rückseite eine Schallstrahlung erzeugt,

- die von der Konus-Rückseite ausgehende Strahlung in der Kompressionskammer eingefangen,

- die Schallstrahlung aus der Kompressionskammer in eine diese Kammer mit der abgestimmten Schallkammer und der Ubertragungsöffnung akustisch verbindende akustische Kupplung übertragen, und daß

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- die Schallstrahlung aus der Frontwand-Übertragungsöffnung und die von der Frontseite des Lautsprecherkonus übertragen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Kupplung einen Kanal umfaßt, der unterseitig durch die Gehäuserück- und Bodenwände, und der oberseitig durch einen Hals der Kompressionskammer, eine Schallkammeröffnung und eine Bodenwand der Schallkammer gebildet wird.

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