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" Leutsprecherbox mit akustisch gleichphasig gekoppelten Treibern
bei gleichzeitiger Ausnutzung der rückwärtigen Schallanteile."
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Lautsprecherbox mit mindestens zwei nach außen strahlenden
Treibern, deren rückwärtige Schall energien durch geeignete Ausbildung eines Schallkanais
einerseits und exakt plazierter Anordnung der Treiber andererseits, zum einen für
eine akustische gleichphasige Kopplung der Treiber, als auch akustisch aktiv, nach
außen offen9 für die Wiedergabe von Schallereignissen ausgenutzt werden.
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Das die Ausnutzung der rückwärtigen Schallanteile eine Verbesserung
des Wirkungsgrades, des Dynamikverhaltens, ete. mit sich bringt ist bekannt und
wird in verschiedenen Varianten durchgeführt0 Dazu dienen s -- Baßreflexkonstruktionen
Hornkonstruktionen Transmisionlinekonstruktionen -- Säule nkonstrukt ionen Jede
dieser herkömlichen Varianten hat opozifische Schwächen, die durch geeignete Hilfsmittel
mehr oder weniger gut verringert wurden.
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Für die exakte Wiedergabe auch im Baßbereioh ist man sich über die
Problematik im Klaren, die durch die Forderungen an das akustische Ergebnis einerseits
und durch die Forderungen an die im Meßbereich eingesetzten Treiber andererseits
entstehen.
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Kleine Treiberlautaprecher bieten verschiedene Vorteile9 von denen
einige genannt werden sollen: a) kleine Membranen sind verwindungssteifer, neigen
weniger zu Partialschwingungen und können, dank geringerem Membranumfang, bis in
den Mitteltonbercich eingesetzt werden0 b) verschiedene Sekundärelemente sind bei
kleinen und damit weich teren Membranen einfacher zu beherrschen, wie: Rorbstabilitäi;9
Randeinspannung, Zentrierung, Massenverhältnis (Schwingspule/ Abstrahlungsfläche),
etc.
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c) Das Verhältnis von Antriebakraft zur Abstrahlungsfläche kann sehr
groß gewählt werden0 Diesen Vorteilen steht aber die Forderung nach einer tiefen
hßwiedergabe mit entsprechendem Schalldruck entgegen, denn üblicher weise benötigt
man dafür große Membranen mit all ihren Nachteilen
Deshalb hat man
versucht den Schslldruckabfall durch offene Gehäusekonstruktionen wie schon genannt,
zu verbessern, aber auf der anderen Seite ein relativ schlechtes Impulsverhalten,
Dämpiungsverhaltenetc. in Kauf nehmen müssen.
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So beschäftigen sich in letzter Zeit einige Konstrukteure mit Lösungsmöglichkeiten
zur Impulsverbesserung.Man hat erkannt, daß eine akustische Kopplung von Treibern
speziell im Baßbereich Vorteile bringt bezüglich einer verbesserten Dämpfung und,
damit verbunden, eines verbesserten Impulsverhaltens beim Aus- bzw. Einschwingvorgang
der Membranen als Sprungantwort auf ein eingegebenes Signal.
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In der DE 29 06 002 werden Kopplungsmöglichkeiten erwähnt, bei denen
jedoch der zwischen den zu koppelnden Treibern bestehende Luftraum einzig und allein
nur zur Kopplung genutzt wird. Dadurch gehen die jeweils von den Treibern abgestrahlten
rückwärtigen Schallenergien für die akustische Nutzung verloren. Der in der genannten
Schrift dargestellte Doppellautsprecher (bezeichnet als B & S - System) stellt
zwar eine besonders enge Kopplung von zwei Treibern zu einem neuen Gesamtsystem
dar, jedoch wird auch hier die von den eingesetzten Treibern abgestrahlte Energie
für akustische Zwecke nur zum Teil genutzt da die Energien nur jeweils von einer
Membranseite akustisch genutzt werden können, und die Energien der jeweils anderen
Membranseite nur ausschließlich zum Zwecke der Kopplung verbraucht werden. Ferner
wird zwar die Antriebakraft, trotz gegebener physikalischer Konstruktionsbeschränkungen
der Treiber, auf eine bewegte schallstrahlende Fläche vergrößert (hier:verdoppelt),
jedoch ist die Masse der neuen Gesamtmembran eines derartigen Doppellautsprechers
mindestens doppelt so groß wie eine Einzelmembran, gemessen an der strahlungsaktiven
Fläche. Gleichzeitig ist, unabhängig von der weiteren Gehäusegestaltung, die Effizienz
bezüglich der Schallerzeugung pro eingesetztem Treiber verringert worden, was unter
Umständen durch größere Amplituden der neuen Gesamtmembran wieder ausgeglichen werden
könnte, dann aber führt die verdoppelte Gessmtmasse wieder zu rmpulsveriärbungen.
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Aus der DT 26 08 068 ist eine Möglichkeit zur Steigerung der Bedämpfung
bekannt, insofern, das ein oder mehrere Tieftöner in der Rück- oder Seitenwand einer
Box angeordnet sind, die elektrisch gleichphasig, mechanisch aber, wegen dar räumlichen
Anordnung, gegenphasig mit dem auf der Frontseite des Gerätes befindlichen Tieftöner
schwingen, und dadurch eine elektrisch erzwungene gegenseitige Bedämpfung stattfindet.
Der Vorteil liegt in der, durch die dort vorgeschlagene Schallführung ermöglichte,
Ausnutzung der jeweils rückwärtigen Schallenergien trotz höherer BedämptungO Die
höhere Bedämpfung wird jedoch nur elektrisch aktiv erreicht, nicht aber durch eine
erzwungepizakustiseh - pneumatiseke Kopplung wie sie in DE 2906002 vorteilsgemäß
geschildert wird. Außerdem ist die mechanische Gegenphasigkeit nicht unproblematisch
und kann Verfärbungen produzieren.
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Grundsätzlich sind für die Erhaltung eines entsprechenden Schalldruckes
im Tiefbeßbereich bei den genannten Konstruktionen relativ große Treiber mit großen
Membranen und damit deren Nachteile not wendig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt also die rufgabe zugrunde, durch
geeignete Schallführungsmaßnahmen den Einsatz relativ kleiner Haßtreiber zu ermöglichen,
ohne den Schalldruckverlauf zu verschlechtem, gleichzeitig eine Verbesserung des
Impulsverhaltene zu erreichen, was durch eine akustische Kopplung bewerkstelligt
werden soll, und zwar derart, daß die von den Membranen rückwärts abgestrahlten
Schallenergien nicht nur für Kopplungszwecke verbraucht werden, sondern durch entsprechende
Anordnung der Treiber und Ausbildung eines Schallkanais auch für die hörbare Schallabstrahlung
genutzt werden. Der Kopplungseffekt soll sich akustisch d.h. mechanisch, gleichphasig
bemerkbar machen und auch eine elek tisch gleichphasige Ansteuerung ermöglichen,
andererseits sollen die Treiber so angeordnet seine daß bezüglich des Außenraumes
eine gleichphasige Bewegung durch die akustische Kopplung erzielt wird.
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Es ist zu überlegen, ob eine derart enge akustische Kopplung, wie
in DE 29 06 002 aufgezeigt, überhaupt notwendig ist.
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Theoretisch bleibt bei einem derartigen Doppellautsprecher die Kopplung
bei absoluter Luftdichtheit des Kopplungsraumes unendlich lange erhalten. Sinnvoll
ist aber eine Kopplung doch nur während einer Zeit die mindestens so lang ist, wie
die längsten auftauchenden Ein- bzw. Ausschwingprozesse andauern. Wenn-ein Ein-
bzw0 Ausschwingvorgang stattgefunden hat, d.h. beendet ist, wird auch keine Kopplung
mehr benötigt; insofern muß eine Kopplung exakt dann vorhanden sein wenn Schwingprozesse
ablaufen.
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Ausgehend davon, daß verschiedene Treiber konstruktionsbedingt unterschiedliche
Nachschwingzeiten (Einschwingzeiten) aufweisen, muß iestgehalten werden, daß die
typische Nachschwingzeit (Einachwingzeit> eines Treibers nicht länger sein darf,
als die Zeit in der eine Kopplung vorhanden sein kann.
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Bei einem erfindungsgemäß vorgeschlagenen nach außen offenem Kopplungsraum
ist eine Kopplung gemäß Fig. 2 vorhanden. Der Kopplungsgrad (K) ist zur Zeit t einer
maximalen Beschleunigung 0 (der Membranen) sei sie positiv oder negativ am größten
und nimmt dann in einer dargestellten Funktion ab. Wenn wir uns das Aus-(bzw. Ein-)
schwingverhalten einer Membran ansehen, so werden wir feststellen, daß z.B. bei
Abschalten eines Tonbursts die maximale Amplitude(Lg,,äO Fig, Fig. 3 in einer ähnlichen
Funktion in der Zeit T abnimmt. Der Kopplungsgrad hat bei t11au! 2/3 abgenommen,ebenso
soll die Nachschwingamplitude der Membran bei t21 auf ebenfalls 2/3 abgenommen haben.
Eine sinnvolle Nutzung des Kopplungseifektes liegt dann vor, wenn auf der einen
Seite Treiber benutzt werden bei denen die Zeit t21 kleiner ist als t11 einer erfindungsgemäß
vorliegenden Gehäusekonstruktion, oder umgekehrt, daß für vorliegende Treiber die
Ausführung des Gehauses so gewählt wird, daß sich eine Kopplungszeit t11 ergibt
die länger ist als t . der einzusetzenden Treiber. Der Kopplungs-21 effekt ist natürlich
auch bei einer anderen Dimensionierung gegeben, jedoch ist er dann nur wirkungsvoll
in der Zeit t11 die von der Gehäusekonstruktion festgelegt wird.
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Zusammengefaßt soll die Hüllkurve L(T) gemäß Fig 3 innerhalb der durch
die Kurve R(T) (e.Fig.2) markierten Fläche verlaufen, denn denn ist während des
ganzen Ein- bzw. Ausschwingprozesses immer ein Kopplungseffekt wirksam. Das gleiche
gilt sinngemäß für einen Einschwingvorgang, da der Kopplungseffekt immer dann am
größten ist wenn eine sprunghafte Lageänderung einer Membran angestrebt wird. Durch
gleichzeitiges gleichphasiges Antreiben beider Treiber wird also eine gegenseitie
Besehleunigung des Einschwingvorganges als auch des Ausschwingvorganges erreicht,
d.h. das Impulsverhalten ist entscheidend verbessert worden, Auf der anderen Seite
soll die in den Kopplungsluftraum abgestrahlte Schallenergie nach außen aktiv zur
Schallerzeugung genutzt werden, deshalb ist die im Kopplungsluftraum (F) enthaltene
Schallenergie durch eine geeignete Schailführung an den Wiedergaberaun ansupaso
sen.
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Das mit vorliegender Ertindung trotz akustische Kopplung ein sehr
hoher Wirkungsgrad erreicht wird, indem alle von den Treiber abgestrahlten Schallenergien,
die vorderseitigen als auch die rückseitigen, zur hörbaren Darstellung eines Rlanggeschehens
ausgenutzt werden, ist evident.
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Die genannten Forderungen hinsichtlich Kopplung Ausnutzen der rückwärtigen
Schallenergien nicht nur zur Kopplung sondern aueh zur akustischen Wahrnehmung und
Anpassen der vom Kopplungsraum auszunutzenden Schallenergie an den Wiedergaberaum,
werden durch eine Weiterentwicklung der vom Orgelbau her bekannten gedackten Pfeife
(Säule) realisiert0 Sie ist gefaltet und bietet dadurch bei wohnraumgerechten Abmessungen
dennoch eine relativ große gesamte Strahlungslänge. Es wird hier eine leicht konische
Ausführungsform verwendet, deren Obertonepektrum nicht ganz so scharf ausgebildet
ist wie bei einer paralleiwandigen Säule0 Durch nur dreimalige Umlenkung des Schalls
werden die Reflektionsn verluste (Energieverluste) gering gehalten.
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In einigen Grundzügen zum Teil ähnliche Gehäusekonstruktionesna wurden
bisher nur immer in einer Zone angesteuert und wiesen dann die bekannten Nachteile
auf. So sind der (oder die) Treiber bei einem Vorschlag bei ca. y4 bis Y2 vom geschlossenen
Ende einer paralleiwandigen Säule entfernt eingesetzt worden (vgl. DE 2724580),
bei einem anderen Vorschlag entweder am Sunde oder bei Y3 vom geschlossenen Ende
der mehr hornähnlichen als säulenähnlichen Konstruktion (vgl. DE 2832041) oder bei
einem weiteren Vorschlag am geschlossenen Ende einer t/2 Säule (vgl. GM 8025517*
Keiner hat erkannt, daß durch relativ einfache Maßnahmen die Vorteile der schon
genannten Forderungen genutzt werden können.
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Bei einer erfindungsgemäßen Realisierung, exemplarisch dargestellt
an einer #/4-Säule, wird in zwei Zonen gleichzeitig angesteuert, speziell im vorliegenden
Beispiel (siehe Schnittzeichnung Fig. 1 ) werden gleichartige Treiber ( A und B
) verwendet, die exakt plaziert akustisch gekoppelt sind, d.h. beide Treiber schwingen
akustisch bedingt gleichphasig! Man kann dies experimentell leicht nachvollzihen,
inden nen ohne elektrisches Signal einen der beiden Treiber mechanisch bewegt, und
wider Erwarten sich der andere Treiber gleichphasig mitbewegt, d.h. wird z.B. Treiber
(A) nach innen bewegt so reagiert Treiber (B) über die akustische Kopplung gleichfalls
mit einer hach innen gerichteten Bewegung! Dies wird dadurch erreicht, daß die beiden
Treiber ( A und B ) genau die in der Zeichnung angegebenen Positionen einnehmen;
d.h. Treiber (A) sitzt am geschlossenen Ende der Säule und Treiber (B) sitzt bei
einer #/4-Säule dann 1/3 vom geschlossenen Ende der Säule entfernt.
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( » Wellenlänge der tiefsten abzustrahlenden Frequenz § 1 - Säulenlänge
)
Gleichzeitig wird trotz des gewünschtes Kopplungseffektes ein
breitbandige Ansteuern der Säule erzielt, , die üblichen ausgeprägten Obertonanregungen
werden deutlich reduziert Die rückwärtigen Schallenergien beider Treiber werden
trotz Kopplung nach außen zur Schallerzeugung genutzt. Die Reflektoren (1 92p3)
dienen zur Umlenkung des Schalls. Ihre Oberfläche kann zur bes seren Reflektion
mit einem besonders schallharten Material aus gestattet sein, wie zOBo beschichtet
mit Metall, Kunststoff oder ähnlichem.
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Der Strahlungsweg ist strichpunktiert eingezeichnet (D) , der Reflektor
(3) ist so angeordnet, daß die Strahlungsrichtung durch die öffnung (4) mit der
Horizontalen einen Winkel von 5°-10° bildet, um bei der vorliegenden Ausführungsform
den durch die Öffnung (4) abgestrahlten Schall vom Fußboden des Wiedergaberaumes
zu entkoppeln.
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Hm Innern der Box sind zwei Hohlraumregionen zu unterscheiden, der
zur Kopplung mitgenutzte Hohlraum (F) und der anschließende Hohlraum (G) beide grenzen
bei (E) aneinander. Der Kopplung raum (r) ist bei der vorliegenden Ausführungsform
relativ lese mit geeignetem Dämpfungsmaterial bedämpft, bei (E) beginnt eine feste
zum offenen Ende (4) hin abnehmende BedämpfungO Durch geeignetes Variieren der Bedämpfung
ist es einerseits möglich den Kopplungsgrad in gewissen Grenzen zu beeinflussen
und andererseits die rückwärtigen Schallanteile optimal an den Wiedergaberaum anzupassen.
Gleichzeitig wird das Obertonspektrum noch weiter reduziert.
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In der sorliegenden Ausführungsform wird noch ein Hoehtöner (e) für
die Abstrahlung der oberen Frequenzen eingesetzt0 Außerdem wird der Kopplungseffekt
durch elektrische Beschaltung und Dimensionierung der Schallführung nur im Meßbereich
bis eaO 400 Hz genutzt; im übrigen finden Treiber ( A und B ) mit nur 130 mm Membrandurchmesser
Verwendung, ohne auf eine präzise Wiedergabe selbst des Tiefbaßbereiches verzichten
su mUseen.
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Die realisierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lautsprecherbox
vereinigt also die Vorteile der akustischen gleichphasigen Kopplung mit der Möglichkeit
durch Ausnutzen der rückwErtigen Schallanteile auf den Einsatz von kleinenTreibern
mit all ihren konstruktiven Möglichkeiten zurückgreifen zu können und dennoch ein
sehr gutes Impulsverhalten zu erreichen.
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Die Lautsprecherbox bereitet durch ihre kleine Grundflache keine Schwierigkeiten
bei der Aufstellung im Wohnraum, ferner sind die einzelnen Treiber auf einer senkrechten
Achse angeordnet wodurch Phasenverschiebungen auf der wichtigen Horizontalebene
verhindert werden.
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Abweichend von der vorliegenden Ausführungsform sind andere Möglichkeiten
realisierbar: 1. Abstrahlung der rückwärtigen Schallenergien durch eine Öffnng die
sich oben,unten,frontseitig, rückseitig oder seitwärts befindet.
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2. Säulenverlängerungi durch z.B. mehrmaliges Falten.
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3. Statt jeweils einem Treiber bei (A) oder (B) werden Treibergruppen
eingesetzt.
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4. Anwendung der Kopplungtheorie nicht nur auf den Baßbereich, sondern
durch entsprechende Dimensionierung der Schallführung und des Kopplungsraumes auch
auf die anderen Tonbereiche.
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5. Eine Verknüpfung von solchen gekoppelten Systemen zu einer Gesamtanordnung.
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Mit vorliegender Erfindung werden also folgende Verbesserungen erreicht
s a) Die Schallfiihrung ermöglicht durch den hohen Wirkungsgrad den Einsatz relativ
kleiner Treiber (mit all ihren konstruktiven Vorteilen), ohne aui tiefstfrequente
Wiedergabe mit entsprechendem Schalldruck verzichten zu müssen.
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b) Eine akustische gleiohphasige Kopplung zwischen zwei (oder mehreren)Treibern
derart, daß das Impulaverhalten verbessert und eine gegenseitige Dämpfung erreicht
wird 9 somit eine Be schleunigung des Schwingvorganges und damit eine Verringerung
der unerwünschten Verzerrungen stattfindet e) Die rückwärtigen Schallenergien der
Treiber werden nicht aus schließlich zur akustischen Kopplung sondern gleichzeitig
auch zur akustisch aktiven Schallerzeugung bzw. Übertragung ausgenutzt.
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d) Durch die Fähigkeit zur Breitbandigksit sind bei Verwendung entsprechender
Treiber keine steilflankigen Frequenzweichen höherer Ordnung mit ihren bekannten
Nachteilen notwendig.
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e) Bei vorzugsweise Ausgetaltung ergeben sich Gehäuse mit sehr kleiner
Grundfläche, die keine Aufstellungsschwierigkeiten im Wohnraum bereiten f) Bei vorzugaweiser
Ausgestaltung besitzen die Gehäuse keine großen und damit schwingungsfähigen ?flächen0
g) Bei vorzugsweiser Ausgestaltung haben die Gehäuse extrem schmale Frontseiten9
dadurch werden die Reflexionen und den Bündelungeeffekte weiter reduziert h) Bei
vorzugsweiser Ausgestaltung befinden sich Mittel und Hochtöner in optimaler Abatrahlungsebene
bezüglich der optimalen Hörzone.