DE3404655A1

DE3404655A1 - Vorrichtung zur uebertragung von druckwellen

Info

Publication number: DE3404655A1
Application number: DE19843404655
Authority: DE
Inventors: Amar G. Wayland Mass. Bose; William R. Wellesley Mass. Short
Original assignee: Bose Corp
Current assignee: Bose Corp
Priority date: 1982-09-29
Filing date: 1984-02-10
Publication date: 1985-08-14
Also published as: FR2579400B1; FR2579400A1; US4628528A; JPS6360599B2; JPS63158997A; CA1226820A

Description

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BOSE CORPORATION, 100 The Mountain Road, Framingham,

Massachusetts 01701, USA

Vorrichtung zur Übertragung von Druckwellen

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Übertragung von Druckwellen und betrifft neue Apparate und Techniken zur Kopplung von elektro-akustisehen Übertragern, wie z. B. Lautsprechern, mit einem Medium, z. B. Luft, welches Druckwellen überträgt, und ist darauf gerichtet, die Baß-Wiedergabe eines Übertragungssystems für Druckwellen zu verbessern. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Lautsprechersystem von verhältnismäßig kompaktem Aufbau, das leicht und preiswert herzustellen ist und zuverlässig und mit verhältnismäßig hohem Wirkungsgrad arbeitet.

Im US-Patent 2 031 500 ist ein Labyrinth-Lautsprecher beschrieben, der eine akustische Übertragungslinie enthält, um Hohlraumresonanzen zu vermeiden,, den Übertragunsbereich

- J?- I NAOHeERBOHTl

bis zu tiefen Frequenzen auszudehnen und die akustische Dämpfung im Gehäuse zu erhöhen. Dieser Erfinder hat die Lehre gegeben, die Rückseite der Lautsprechermembran fest mit dem Ende der mit schallschluckendem Material versehenen und am entfernten Ende offenen Übertragungslinie zu koppeln. Die Patentschrift zeigt, daß die Übertragungslinie innerhalb des Gehäuses abgewinkelt verläuft und das entfernte offene Ende im Boden des Gehäuses angeordnet ist.

Eine eingehendere Beschreibung der Systeme von Übertragungsleitungen für Lautsprecher ist in einer Veröffentlichung mit dem Titel ¹¹A STUDY OF TRANSMISSION LINE LOUDSPEAKER SYSTEMS" beschrieben, die in Australien bei der "The University of Sidney School of Electrical Engineering" erhältlich ist.

Fs ist Aufgabe der Frfindung, bessere akustische übertragungsmittel anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches angegebenen Mittel gelöst.

Weitere Fortbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend in Verbindung mit den Ausführungsbeispiele darstellenden, schematisch vereinfachten Figuren beschrieben. In diesen sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, und es sind alle zum Verständnis der Erfindung nicht notwendigen Einzelheiten fortgelassen worden.

_c . , i NACHQEREIOHT

Es zeigt:

Fig. 1 eine Frontansicht einer Ausführungsform der Erfindung zur Erzeugung eines tiefen Basses in einem
Gehäuse, welches für ein tragbares Unterhaltungs

zentrum genügend klein ist;

Fig. 2 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung

eines Lautsprechers an einem Ende einer hohlen roh· renförmigen Tonübertragungsstrecke;

Fig. 3 das Diagramm einer stehenden Welle, wenn die Länge

der Röhre kleiner als ein Viertel der Wellenlänge

ist;
15

Fig. 4 das Diagramm einer stehenden Welle, wenn die Länge

der Röhre zwischen einem Viertel und der Hälfte

der Wellenlänqe boträqt;

Fig. 5 das Diagramm einer stehenden Welle, wenn die Länge der Röhre gleich ist einer halben Wellenlänge;

Fig. 6 den Frequenzgang eines typischen Röhren-Lautsprechers ;
25

Fig. 7 den Frequenzgang einer Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 8 eine Ausführungsform der Erfindung zur Verwendung mit einer Vielzahl gleichartiger Lautsprecher in einem Gehäuse, in perspektivischer Darstellung;

3 Λ O 4 6 5

Fig. 9 ein schematisch vereinfachtes PrinzipschaItbild eines Kerbfilters;

Fig. 10 eine grafische Darstellung des Frequenzganges bei einer Schaltung gemäß Fig. 9.

Das in Fig. 1 in Frontansicht dargestellte Lautsprechersystem hat eine im wesentlichen rechteckige Vorderseite und enthält eine obere Wand 12, eine untere Wand 13, Seitenwände 14 und 15 sowie eine Vorderwand 16. Eine vertikale Schallwand 21 erstreckt sich von der oberen Wand abwärts und enthält eine öffnung für einen passenden Lautsprecher 22. Üblicherweise wird hierzu ein 4 1/2"-Lautsprecher verwendet, wie er in den B0SE-802-Lautsprechersystemen verwendet wird. Der Lautsprecher 22 befindet sich zwischen der vertikalen Wand 23, welche sich von der oberen Wand 12 abwärts erstreckt, und mit den inneren, horizontal gegeneinander versetzten Tafeln 24, 25, 26 und 27 zusammenzuwirkt. Diese Tafeln bilden zwischen der Vorderwand 16 und der Rückwand 17 für den Lautsprecher 22 eine rückseitige Röhre von rechteckigem Querschnitt, welche die Rückseite des Lautsprechers 22 mit der oberen Öffnung 28 verbindet, die üblicherweise denselben Querschnitt hat wie die rechteckige abgeknickte Röhre. Die unterste Tafel 24 wirkt mit der als Schallwand dienenden vertikalen Tafel 21 zusammen und bildet eine vordere Röhre, welche die Vorderseite des Lautsprechers 22 mit der öffnung 31 in der Frontplatte 16 verbindet. Die öffnung 31 hat ebenfalls im wesentlichen denselben Querschnitt wie die rechteckige Röhre zwischen der Vorderseite des Lautsprechers 22 und der Öffnung 31.

y-

j NAOHGEREIOHTJ

Obwohl der Lautsprecher 22 den vollen Tonbereich abstrahlen könnte, ist es zweckmäßig, je einen Hochtonlautsprecher an jeder Seite der Vorderwand anzuordnen mit einem entsprechenden Frequenzbereich, um die hohen Frequenzen des linken und rechten Stereokanals diesen Hochtonlautsprechern zuzuführen, so daß das kompakte Gehäuse eine Stereotonwiedergabe ermöglicht.

Die Länge der längeren Röhre zwischen der Rückseite des Lautsprechers 22 und der oberen Öffnung 28 ist im wesentlichen dreimal so groß wie die Länge der kürzeren Röhre zwischen der Vorderseite des Lautsprechers 22 und der unteren Öffnung 31. Der Abstand zwischen den öffnungen 28 und 31 ist in der Größenordnung der halben Länge der kürzeren Röhre zwischen Lautsprecher 22 und öffnung 31.

AU'* innoriMi fafoln sind hart, so daß sie eine Druckwelle mit hohem Q (high Q pressure waves) bzw. akustische Übertragungslinien zwischen dem Lautsprecher 22 und jeder der öffnungen 28 und 31 bilden, und daher ein hohes Verhältnis der stehenden Wellen (large standing waves ratio) in diesen Röhren erzielt wird. Die Erfindung benutzt diese Röhren sehr wirkungsvoll, um die Druckwellen des Lautsprechers 22 bei den öffnungen 28 und 31 mit der Außenluft über einen verhältnismäßig breiten Frequenzbereich zu koppeln, der sich bis in den tiefen Baß erstreckt, so daß die Kopplung der niederfrequenten Energie mit dem Bereich der Zuhörer bei verhältnismäßig hohem Druck und verhältnismäßig geringer Auslenkung der Membran des Lautsprechers 22 erfolgt und dadurch die Verstärkung sehr gering ist. Die Röhren können als Übertrager einer übertra-

I NAOHQERBCiHT J

gungslinie betrachtet werden, bei der das Medium der Übertragungs1inie durch eine Impedanz und eine Länge zur Verringerung der Fehlanpassung zwischen der vibrierenden Membran an einem Ende und der vom Medium am anderen Ende der Röhre dargestellten Impedanz betrachtet wird.

Nach dieser Beschreibung der physikalischen Verhältnisse eines Ausführungsbeispieles der Erfindung soll nachstehend das Prinzip der Wirkungsweise beschrieben werden.

Im Durchschnitt über die ausnutzbare Bandbreite des Systems betrachtet, ergibt die Erfindung ein Lautsprechersystem mit größerer Empfindlichkeit und mit einem Wirkungsgrad, der vergleichbar ist mit einem identischen Lautsprecher in einer unendlichen Schallwand oder in einem mit öffnungen versehenen Gehäuse des gleichen Volumens durch Ausnutzung der Charakteristiken von akustischen Übertragungslinien zur Kopplung der akustischen Ausgangsleistung des Lautsprechers mit dem außerhalb des Gehäuses befindlichem Medium. Während bisher bei Geräten mit akustischen Übertragungslinien im allgemeinen die Verwendung von schallschluckendem Material empfohlen wurde, um Resonanzerscheinungen in der Röhre möglichst gering zu halten, soll gemäß einem Merkmal der Erfindung die Röhre hart und frei von schallschluckendem Material sein, damit die Resonanzerscheinungen in der akustischen übertragungs1inie eine verbesserte Impedanzanpassung und dadurch eine bessere Leistungsübertragung zwischen dem Lautsprecher einerseits und der Umgebung des Lautsprechergehäuses andererseits bewirken.

NACHeciREICHT

Fig. 2 zeigt in schematisch stark vereinfachter Darstellung einen Lautsprecher 32 an einem Ende der harten Röhre 33, welche denselben Querschnitt wie der Lautsprecher hat, und als eine akustische übertragungslinie mit der Länge Z wirkt, mit einem offenen Ende 34, welches Wellen ausstrahlt, die am anderen Ende durch den Lautsprecher 32 erzeugt werden. In dieser ersten vereinfachten Darstellung ist es nützlich, den Lautsprecher 32 als eine Geschwindigkeitsquelle (velocity source) zu betrachten.

Weil die am offenen Ende 34 vorhandene akustische Impedanz die akustische Übertragungslinie 33 in ihrer akustischen Impedanz nicht bestimmt, werden die vom Lautsprecher 32 erzeugten Druckwellen am offenen Ende 34 reflektiert und erzeugen stehende Wellen in der Röhre Die Grenzbedingungen für den idealen Fall bestehen darin, ddP. die Geschwindigkeit dor Teilchen am der Quelle zugewendeten Ende der Röhre (x = 0) an die des als Quelle dienenden Lautsprechers angepaßt sein muß und der Schalldruck (incremental pressure) am offenen Ende der Röhre (x=²) gleich Null sein muß. Für eine vorgegebene antreibende Frequenz ist die Einhüllende der sich ergebenden stehenden Welle in der Röhre sinusförmig mit Minima, Maxima und einer relativen Phase, die von der Länge der Röhre und der antreibenden Frequenz abhängt.

In den Figuren 3, 4 und 5 sind Diagramme der stehenden Wellen dargestellt, wenn bei der antreibenden Frequenz die Länge Z der Röhre kleiner als ein Viertel der Wellenlänge beträgt bzw. gleich ist der halben Wellenlänge.

ΑΧ /lU j NACHGEREICHT

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Geschwindigkeit des Lautsprechers

Λ^Λ-esn Fnrip während die rn
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Ende 34 ν:

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hlnde Welle entsprechend dem in Figur 5 ^oar^^{es e}

■ _m Die Teilchengeschwindigkeit am
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34 hat in hezug auf d.e Ge ^^ _{die phase}

_dienenden lautsprecher 3 ^ _M _Frequenz weiter

NACHQERgICHT

der Wellenlänge, dann ergibt sich ein Diagramm ähnlich dem in Figur 3 dargestellten, jedoch mit der Ausnahme, daß die Teilchengeschwindigkeit am offenen Ende 34 in Gegenphase zu der am Lautsprecher 32 ist. Nimmt die antreibende Frequenz zu, so daß die Länge der Röhre gleich ist einer Wellenlänge, dann hat die Geschwindigkeit der Teilchen am offenen Ende 34 im wesentlichen Größe und gleiche Phase wie am Lautsprecher.

Die Röhre 32, die als akustische Übertragungslinie mit geringen Verlusten arbeitet, liefert eine Geschwindigkeitsverstärkung und eine Phasendrehung, die periodisch mit der Frequenz ist. Für den idealen verlustlosen Fall ist die Verstärkung im allgemeinen proportional der Sekan-

te von — , bei welcher Λ. die Wellenlänge der aku- :, l. i'.ction Fnonjio in dor Roh ro 3? bei dor eintreibenden Frequenz ist.

In der Ausführungsform gemäß Figur 1 treibt die Rückseite des Lautsprechers 22 die rückwärtige Röhre, welche über die Öffnung 28 mit dem Lautsprecher 22 gekoppelt ist. Diese rückwärtige Röhre wird in Gegenphase zur Vorderseite des Lautsprechers angetrieben. Ohne die Verkopplung der Vorderseite des Lautsprechers 22 mit der unteren öffnung 31, in welchem Fall die Vorderseite des Lautsprechers 22 sich direkt an der Außenseite des Gehäuses befindet, würde die rückwärtige Röhre, welche die Rückseite des Lautsprechers 22 mit der oberen Öffnung 28 verbindet, eine Phasendrehung bewirken, so daß sowohl die Vorderseite des Lautsprechers 22 als auch das offene Ende 28 der Röhre in Phase sind und zusammen bei der Erzeugung

einer Welle mit erheblicher Energie in das Gebiet der Zuhörer zusammenwirken. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Länge dieser rückwärtigen Röhre zwischen einem Viertel und drei Viertel der Wellenlänge beträgt.

Bei der Frequenz, bei welcher die Länge der Röhre gleich ist der Hälfte der Wellenlänge, sind die Volumengeschwindigkeit (volume velocity) an der Vorderseite des Lautsprechers 22 und die Volumengeschwindigkeit am oberen Ende 28 im wesentlichen gleich hinsichtlich Phasenlage und Größe, wobei eine etwa 6-db-Zunahme der Empfindlichkeit erzielt wird im Vergleich dazu, wenn derselbe Lautsprecher in einer unendlich großen Schallwand befestigt wäre. Bei Frequenzen, bei denen die Länge der Röhre ein Viertel oder drei Viertel einer Wellenlänge beträgt, wird der mit der Röhre am oberen Ende 28 gekoppelte Lautsprecher 22 eine wesentliche Geschwindigkeitsverstärkung und eine noch größere Zunahme der Empfindlichkeit des Lautsprechersystems bewirken.

Unmittelbar oberhalb der Frequenz, für welche die Länge der Röhre gleich ist drei Viertel der Wellenlänge, ist die Geschwindigkeit an der Vorderseite des Lautsprechers 22 und am offenen Ende 28 in Gegenphase. Wenn die Frequenz bis zu jenem Wert zunimmt, bei welcher die durch die Röhre bewirkte Geschwindigkeitsverstärkung auf den Wert "Eins" abnimmt (decreases towards unity), dann wirken die Vorderseite des Lautsprechers 22 und die obere öffnung 28 wie ein akustischer Dipol. Bei der Frequenz, bei welcher die Länge der Röhre dem offenen Ende 28 gleich einer Wellenlänge ist, haben die Vorderseite der

Membran von Lautsprecher 22 und die Teilchengeschwindigkeit (particle Velocity) an der oberen öffnung 28 im wesentlichen gleiche Größe, aber entgegengesetzte Phasenlage, so daß der Wirkungsgrad des Lautsprechersystems ein Min imum wird .

Figur 6 zeigt die allgemeine Form der Kurve für ein Lautsprechersystem, welches als Schallquelle für eine Röhre dient, welche an die Rückseite der konischen Lautsprechermembran anschließt. Für einen Frequenzbereich, der etwas größer als 3 zu 1 ist, wirkt das Lautsprechersystem mit einer einzigen Röhre im wesentlichen als verlustlose akustische Übertragungslinie und bewirkt einen wesentlichen Verstärkungsgewinn (gain) über ein Lautsprechersystem, bei welchem derselbe Lautsprecher sich in einer Schallwand unendlicher Größe befindet.

Figur 7 zeigt eine grafische Darstellung der abgegebenen akustischen Leistung als Funktion der Frequenz bei einer Ausführungsform gemäß Figur 1, bei welcher die vordere Seite der Membran des Lautsprechers 22 mit der unteren Öffnung 31 gekoppelt ist. Dadurch wird die Kerbe in der Kurve der Figur 7 in dem Frequenzbereich, wo die Länge der längeren Röhre gleich einer Wellenlänge ist, kompensiert. Die vordere Röhre bewirkt dies, indem sie in dem Frequenzbereich, für welchen ihre Länge ein Viertel bis droi Viertel der Wellenlänge beträgt, die Phase der Volumensgeschwindigkeit (volume Velocity), die von der Vorderseite der Membran des Lautsprechers erzeugt wird, an der unteren öffnung 31 umkehrt. Ein weiterer Vorteil

NAOHeEREICHT I

ist darin zu sehen, daß die vordere Röhre auch eine Geschwindigkeitsverstärkung bewirkt, so daß die Gesamtempfindlichkeit des Systems größer ist, als wenn nur eine rückwärtige Röhre auf der Rückseite des Lautsprechers 22 zur oberen öffnung 28 führen würde.

Wird die Länge der vorderen Röhre gleich ein Drittel der Länge der rückwärtigen Röhre gemacht, und zwar bei einer Frequenz, für welche die Länge der rückwärtigen Röhre drei Viertel der Wellenlänge beträgt, dann ist die Länge der vorderen Röhre gleich ein Viertel der Wellenlängen, und beide Röhren bewirken eine erhebliche Verstärkung und eine Phasenumkehr im Bereich dieser Frequenz. Infolgedessen wird die Ausgangsleistung beider Röhren sich in Phase addieren, bis in der rückwärtigen Röhre ein Phasenwechsel bei der Frequenz erfolgt, bei welcher die Länge der rückwärtigen Röhre fünf Viertel der Wellenlänge beträgt. Dazu kommt, daß die vordere Röhre auf diese Weise die ausnutzbare Bandbreite des Zweiröhrensystems um wenigstens 50 % vergrößert gegenüber einem Einröhrensystem. Die Null, welche sich ergibt, wenn beide Rohren dieselbe Größe und Phasenlage der Volumengeschwindigkeit haben, tritt bei einer Frequenz auf, bei der die Länge der rückwärtigen Röhre um 50 % größer ist als die Wellenlänge. 25

Die Erfindung zieht ferner Nutzen aus einer Eigenschaft, welche üblicherweise als nachteilig angesehen wird. Die akustische Impedanz jeder Röhre, welche diese an der Lautsprecher-Membran des Lautsprechers 22 darstellt, belastet die Membran so, daß der Lautsprecher nicht als

ideale Geschwindigkeitsquelle (velocity source) in Verbindung mit einer vereinfachten Analysis betrachtet werden kann. Die Geschwindigkeit der Membran bei den Frequenzen, bei denen die· Röhre eine wesentliche Verstärkung bringt, ist wesentlich geringer als sie bei Verwendung einer unendlich großen Schallwand auftreten würde. Infolgedessen ist die Auslenkung bzw. Verschiebung der Membrane geringer, als sie es bei einem ähnlichen Lautsprecher mit unendlich großer Schallwand wäre.

Die Verstärkung der Röhre ist nicht so groß wie vorstehend beschrieben, denn obwohl die Verluste in der Röhre so niedrig wie praktisch möglich gehalten werden, tritt doch ein gewisser Verlust in der Röhre auf und die Röhre hat eine reale Komponente der Luftbelastung (air Load). Es kann gezeigt werden, daß der mechanische Leitwert einer verlustlosen Röhre, definiert als Kraft, dividiert durch Geschwindigkeit, gesehen von der Membrane des Lautsprechers 22 gleich ist

₂

fA

Y... Z
I ο

wobei Z₀ die charakteristische akustische Impedanz der Röhre A« den wirksamen Bereich der Membrane des Lautsprechers 22, kj den Querschnitt der Röhre, r den Reflexionskoeffizient am offenen Ende 34 der Röhre und c die Geschwindigkeit des Schalls in der Röhre bedeuten.

j NACHGEREICHT

- 2ο·

Setzt man an das Verhältnis des Querschnitts der Röhre zu dem der Membran des Lautsprechers (ATCR = A_T/A_C), so ergibt sich

. ι ω 8. i ω I

r γ 7 c exp c t- r exp - c T "' ο ÄTÜR jaa ' jag

exp c - r exp - c

Verwendet man ein allgemeines Lautsprechermodell, dann kann der Ausdruck für die Geschwindigkeit der Membran wie folgt geschrieben werden:

^vc , . . Bl L

TT ⁽-'^ω) ' !Γ —

Hierbei bedeutet ν die Geschwindigkeit der Membran, E die Spannung an der Schwingspule des Lautsprechers 22, B1 das Verhältnis der elektrisch/mechanischen Umwandlung für den Lautsprecher 22, welches proportional ist der Dichte des magnetischen Flusses B im Luftspalt der Schwingspule und £ die Länge der Schwingspule im Luft spalt

wobei R der Widerstand der Schwingspule, R_m die mechanische Charakteristik des Lautsprechers 22, M_m die mechanische Masse der Schwingspule der Membran sowie deren Halterungen, C den mechanischen Parameter (compliance) des Lautsprechers 22 und Y_T1 und Y₇₂ die Leitwerte der vorderen und hinteren Röhre an der Membran des Lautsprechers 22 der vorstehend genannten Gleichung bedeuten.

I NACHGEREICHT

-in.

Nach dieser Diskussion der Grundsätze der Wirkungsweise soll nachstehend die Auswahl der Parameterwerte fur praktische Systeme betrachtet werden. Je langer die Lange Z von der Röhre 33 ist, um so niedriger ist die Frequenz, bei welcher die Charakteristik des Systems einen Abfall zeigt (rolls off). Im allgemeinen wird bevorzugt, daß die wirksame Länge i der Röhre bei Berücksichtigung des Einflusses der Enden gleich ein Viertel der Schallgeschwindigkeit in der Röhre dividiert durch die erwünschte Frequenz am unteren Ende des Abfalls der übertragungscharakteristik (low end roll off frequency) des Systems ist. Für eine Grenzfrequenz von 60 Hz beträgt die Länge 1 für eine luftgefüllte Röhre ungefähr 1 ,4 m.

Die Entfernung S zwischen den beiden öffnungen 28 und (oder für ein 1-Röhren-System der Abstand zwischen Lautsprecher-Membran und äußerem Ende der Röhre) ist vorzugsweise in der Größenordnung von 1/8 bis gleich der Lange

der längeren Röhre. Wenn S zu klein ist, dann ist die

Null (null) bei der Frequenz, bei welcher die Länge der längeren Röhre = 3/2 der Wellenlänge beträgt (oder gleich einer Wellenlänge für ein 1-Röhren-System) sehr tief. Wird S größer gemacht, dann kann die Tiefe der Null ub-

licherweise fast unbedeutend gemacht werden. Ist jedoch S zu groß, dann nimmt die Charakteristik des Systems bei mittleren und unteren Frequenzen ab. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind die öffnungen 28 und 31 an der Frontseite so weit voneinander entfernt, wie dies praktisch möglich ist und doch einander genügend nahe, um

eine wesentliche Verzerrung der Wiedergabe bei den mittleren und niederen Frequenzen zu vermeiden.

34(1465-5

ρ Für ein vorgegebenes Verhältnis von (B1) /R bestimmt das Verhältnis von Querschnitt der Röhre zur Fläche der Lautsprecher-Membran (ATCR) die Höhe der Spitzen des Frequenzganges des Systems bei den Frequenzen, bei denen die Länge der Röhre ein ungerades Vielfaches des Viertels der Wellenlänge für eine einzige Röhre ist. Für einige typische Lautsprecher und ein ATCR von 1 sind diese Spitzen verhältnismäßig groß. Für ein ATCR von 0,5 ist der Frequenzgang dieses Systems verhältnismäßig flach.

Für ein ATCR weniger als 0,5 wird die Frequenzchrakteristik des Systems niedriger, weil die Röhre eine zusätzliche Belastung der Lautsprecher-Membran bewirkt.

Es wurde entdeckt, daß Krümmungen der Röhre die Wiedergäbe des Systems im Arbeitsbereich bzw. in dem Übertragungsbereich nicht wesentlich verändern. In der tatsächlich gebauten Ausführungsform enthält die Röhre drei Abbiegungen um 180° und eine Abbiegung um 90°. Scharfe Biegungen können eine Quelle von Turbulenzen sein, welche hörbar sein können. Obwohl eine Erregung mit Sinuswellen bei der Ausführungsform nach Fig. 1 hörbare Turbulenzen ergibt, wurden bei Musikübertragung keine hörbaren Turbulenzen festgestellt. Es wurde auch festgestellt, daß die Wiedergabe des Systems im Bereich der höheren Frequenzen gleichmäßig gemacht werden kann, wenn man die gefalteten bzw. abgebogenen Röhren so bemißt, daß so weit als möglich gerade Abschnitte von verschiedener Länge vorhanden sind.

Es ist günstig, wenn nur eine vernachlässigbare Anpassung (compliance) hinsichtlich des Luftvolumens (air volumen) zwischen der konusförmigen Lautsprecher-Membran

340A655

NACHGEREICHT

und der Röhre besteht. Infolgedessen bildet in der Ausführungsform von Fig. 1 der Konus bzw. die Membran des Lautsprechers 22 einen Teil der Wand der Röhre, welche den Konus mit der oberen öffnung 28 und der unteren Öffnung 31 verbindet.

Die Resonanzfrequenz des Lautsprechers in freier Luft kann so gewählt werden, daß sie gleich ist der, bei welcher die Länge der längeren Röhre gleich der halben WeI-lenlänge ist, und dadurch eine Verringerung der Wiedergabe von Unregelmäßigkeiten bewirkt wird, welche durch Resonanzen zwischen reaktiven Komponenten des Lautsprechers und der Röhre entstehen können. Zweckmäßigerweise ist der Lautsprecher stark gedämpft (overdamped), um unerwünschte Resonanzen zwischen dem Lautsprecher und der Röhre zu vermeiden.

Eine Zunahme des B1-Produktes bewirkt eine Zunahme der Spitzen in der Frequenzcharakteristik am Ende des Bandes (für welche die Länge der Röhre ein ungerades Vielfaches einer Viertel Wellenlänge ist), ähnlich der Wirkung einer Zunahme der ATCR. Infolgedessen kann ein niedriges ATCR durch ein höheres B1-Produkt zum Teil kompensiert werden. Weiterhin bewirkt ein höheres B1-Produkt eine Verringerung der Empfindlichkeit im mittleren Bereich, wo die Länge der längeren Röhre gleich einer halben Wellenlänge ist. Vorzugsweise wird das B1-Produkt so gewählt, daß es zu einer mehr gleichförmigen Übertragung beiträgt. Für eine vorgegebene geometrische Gestaltung der Lautsprecher-Membran und der Röhren wird B1 vorzugsweise so gewählt, daß die Wiedergabe bei einer Frequenz,

I nachqereichtI ό / η / ή γ C

welche A/4 der großen Röhre entspricht, vergleichbar ist mit der Wiedergabe einer Frequenz, die /L /2 der großen Röhre entspricht.

Fig. 8 zeigt eine perspektivische, vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform mit einer Mehrzahl von Lautsprechern, um einen verhältnismäßig großen wirksamen Bereich bzw. Fläche der Lautsprecher-Membran zu erzielen. Diese Ausführungsform ist eine Modifikation des BOSE 802-Lautsprecher-Systems, welches 8 Lautsprecher an der Vorderseite hat. Diese bekannte Ausführungsform hat nur eine Röhre an der Rückseite der Lautsprecher-Membran der Lautsprecher 41, die mittels einer abgewinkelten Röhre von rechteckförmigem Querschnitt mit der an der Rückseite befindlichen öffnung 42 gekoppelt sind. Es mag vorteilhaft sein, eine oder mehrere längliche vertikale Platten vorzusehen, die rechtwinklig zur Frontplatte von dieser ganz oder teilweise zur rückwärtigen Öffnung reichen, um eine Trennung zwischen den Lautsprechern zu bewirken und eine gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden, wenn durch Umgleichmäßigkeiten der Lautsprecher ein oder mehrere dieser Lautsprecher nicht in Phase mit den anderen arbeiten. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hat das Gehäuse eine Breite von ca. 43 cm, eine Höhe von ca. 21,8 cm und eine Tiefe von ca. 15 cm, so daß ein hinreichend kleines Gehäuse für einen tragbaren Kassettenempfänger für AM und FM gebildet wird. Das Gehäuse ist auch ausreichend, um an einen batteriegetriebenen Kraftverstärker von 15 W angeschlossen zu werden, und es ist ein einzelner 4 1/2-Zol!-Lautsprecher der

I nachqereichtI

Type vorgesehen, wie er in dem BOSE 802-Lautsprecher-System mit einem Paar 3-Zoll-Hochtonlautsprecher verwendet wird, von denen einer für den rechten und einer für den linken Kanal bei einer Übergangsfrequenz von 500 Hz vorgesehen ist, so daß sich eine Stereoübertragung mit guter Baßwiedergabe ohne hörbare Verzerrungen ergibt. Jede der sich von vorne nach hinten erstreckenden Tafein 25, 26, 27 ist ca. 30 cm lang, die vertikalen Tafeln 21 und 23 sind ca. 15,2 cm bzw. ca. 11,4 cm lang. Alle äußeren Teile sind aus dem unter dem Handelsnamen Lexan bekannten Material von ca. 1,2 cm Stärke und alle innen angeordneten Tafeln sind aus ca. 0,6 cm dickem PVC, um eine im wesentlichen verlustlose akustische Übertragungslinie mit harten Wänden zu schaffen, die bei intensiven Druckspitzen, welche als Folge der stehenden Wellen in der Röhre auftreten können, nur wenig ablenken.

Unregelmäßigkeiten in der übertragungscharakteristik des Systems können mit einer Ausgleichsschaltung verringert werden, um die gesamte übertragungscharakteristik im wesentlichen an eine gewünschte Übertragungskurve anzupassen. Es kann wünschenswert sein, eine Ausgleichsschaltung zu dem Zweck zu verwenden, um eine tiefe Einsattelung in der Übertragungskurve bei einer Frequenz zu erzielen, für welche die Länge der Röhre gleich einem Viertel der Wellenlänge ist. Die Frequenzcharakteristik des Röhren-Lautsprecher-Systems verläuft unterhalb dieser Frequenz verhältnismäßig niedrig. Ordnet man diese Ausgleichsschaltung mit der Einsattelung vor dem Kraftverstärker an, welcher den Lautsprecher speist, dann liefert der Leistungs-

verstärker, in diesem Frequenzbereich keine hohe f Leistung an den Lautsprecher. Hierdurch werden die Verluste des Leistungsverstärkers (und daher seine benötigte Leistung) und die Auslenkung der Lautsprechermembran und die Verzerrung verringert. Dies ist auch für andere Lautsprecher nützlieh.

Fig. 9 zeigt das Prinzipschaltbild einer Ausgleichsschaltung der oben erwähnten Art mit Angaben einiger Werte.

Fig. 10 zeigt den Frequenzgang des in Fig. 9 dargestellten Kerbfilters (notch circuitry). Hierbei liegt die Einkerbung knapp unterhalb 40 Hz und ein hoher Wert ist 50 Hz. Die wichtige Eigenschaft des dargestellten Kerbfilters liegt darin, daß es knapp unterhalb der unteren Grenzfrequenz des Systems einen steilen Abfall hat und unterhalb der unteren Grenzfrequenz nur niedrige Werte aufweist. Infolgedessen ist eine Schaltanordnung, welche bewirkt, daß der Frequenzgang unterhalb der unteren Grenzfrequenz bei der Kerbfrequenz (notch frequency) eine Einkerbung von 6 Decibel hat, für den vorliegenden Zweck ausreichend. Ausgleichsschaltungen,-welche komplex „konjugierte Maximal- und Minimalwerte (pole and zero pair) nahe der_Kerbfrequenz (notch frequency) zeigen, sind für den vorliegenden Zweck geeignet. Außerdem kann dieses Kerbfilter mit anderen Filtern, die einen flach abfallenden Frequenzgang haben und für außerhalb des zu übertragenden Frequenzbereiches liegende Frequenzen wirksam sind (out-of-band rolloff filters) kombiniert werden, um die Wirksamkeit zu erhöhen.

I NACHGEREICHT

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Während es im allgemeinen vorzuziehen ist, die elektronische Ausgleichsschaltung in einem Lautsprechersystem gemäß der Erfindung anzuwenden, kann dieses Lautsprechersystem auch ohne elektronische Ausgleichsschaltung verwendet werden. In diesem Fall würden die Parameter in üblicher Weise für optimale Bandbreite ohne übermäßige Abweichungen ausgewählt werden. Bei Verwendung einer elektronischen Ausgleichsschaltung würden die Parameter vorzugsweise so gewählt werden, daß sich über einen verhältnismäßig breiten Frequenzbereich eine verhältnismäßig gleichmäßige Charakteristik ergibt, so daß eine im wesentlichen gleichförmige Charakteristik über einen breiten Frequenzbereich durch elektronische Ausgleichsmittel verhältnismäßig einfach erzielbar ist.

Vorstehend wurde eine neuartige Einrichtung und eine neuartige Technik für ein in ökonomischer Hinsicht verbessertes Lautsprechersystem beschrieben, welche für gute und wirksame Wiedergabe von Tonsignalen bis in den tiefen Baßbereich geeignet ist und das einen verhältnismäßig einfachen Aufbau hat, der verhältnismäßig leicht und preiswert herzustellen ist. Während die Erfindung in Verbindung mit einem Lautsprechersystem beschrieben worden ist, können die Grundsätze der Erfindung auch bei anderen Systemen angewendet werden, um Energie von einer vibrierenden Oberfläche auf ein Medium zu übertragen, welches Druckwellen weiterleitet. Infolgedessen können die Grundprinzipien der Erfindung auch bei sonaren und ultra-

- I?' [ naohgereichTJ

sonaren Systemen verwendet werden, bei denen vibrierende Oberflächen mit einem Druckwellen weiterleitendem Medium und m-it einem Mikrophon gekoppelt sind.

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- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

[\.j System zur übertragung der Energie von Druckwellen auf ein Medium, gekennzeichnet durch die Kombination nachstehender technischer Merkmale:

a) Es sind Übertragungsmittel vorgesehen, die

eine schwingungsfähige Oberfläche aufweisen, um elektrische Energie in Druckwellen bzw. Druckwellen in elektrische Energie umzuwandeln.
10

b) Es ist eine im wesentlichen verlustfreie Übertragungslinie für Druckwellen vorgesehen, um Energie zwischen dem genannten Medium und der schwingungsfähigen Oberfläche auszutauschen.

c) Die übertragungslinie für Druckwellen hat ein an die schwingungsfähige Oberfläche angrenzendes Ende und ein an das Medium angrenzendes Ende und ihre wirksame Länge

beträgt im wesentlichen ein Viertel der Wellenlänge der tiefsten durch Druckwellenenergie zu übertragenden Frequenz.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine zweite im wesentlichen verlustfreie Übertragungslinie für Druckwellen vorgesehen ist, deren eines Ende an die schwingungsfreie Oberfläche angrenzt und deren anderes Ende an das genannte Medium angrenzt.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der im wesentlichen verlustfreien Übertragungslinien für Druckwellen ein Medium mit einem charakteristischen Widerstand undeiner zur Verringerung der Fehlanpassung zwischen dem Widerstand der Druckwelle dieses Mediums und dem der schwingungsfähigen Oberfläche geeigneten Länge enthält.
4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Länge der ersten im wesentlichen verlustfreien Übertragungslinie für Druckwellen verschieden ist von der Länge der zweiten im wesentlichen verlustfreien Übertragungslinie für Druckwellen und daß die erste und die zweite im wesentlichen verlustfreie Übertragungslinie für Druckwellen zusammenwirken zwe'cks Verringerung der Fehlanpassung zwischen dem Widerstand einerseits des Mediums am Ende jeder übertragungslinie und andererseits der schwingungsfähigen Oberfläche über einen breiteren Frequenzbereich bewirkt, als jede einzelne Übertragungslinie für sich allein.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der ersten im wesentlichen verlustfreien Übertragungslinie für Druckwellen dreimal so groß ist wie die der zweiten im wesentlichen verlustfreien Übertragungslinie für Druckwellen.
6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß außerdem Mittel vorgesehen sind, um die schwingungsfähige Oberfläche mit dem Medium in einem Zwischenbereich (interfacing area) zu koppeln, der von dem zwischen dem offenen Ende der im wesentlichen verlustfreien Übertragungslinien für Druckwellen und von diesem Medium liegenden Zwischenbereich (interfacing area) weniger weit entfernt ist als die Länge der im wesentlichen verlustfreien Übertragungslinien für Druckwellen und größer ist als der Durchmesser (span) der schwingungsfähigen Oberfläche,
7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungslinien durch eine hohle Röhre mit harter Innenwand gebildet werden,

deren Querschnitt geringer ist als die Fläche der schwingungsfähigen Oberfläche.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingungsfähige Oberfläche etwa eineinhalb- bis zweimal größer (of the order 1,5 to 2 times) ist als der Querschnitt der hohlen Röhre.
9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium von Luft gebildet ist und die im wesentlichen verlustfreie Übertragungslinie für Druckwellen als hohle Röhre mit harten Innenwänden ausgebildet ist.
10. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen verlustfreie Übertragungslinie für Druckwellen aus einer ersten

hohlen Röhre mit harten Innenwänden und aus einer zweiten hohlen Röhre mit harten Innenwänden besteht, welche durch die schwingungsfähige Oberfläche getrennt sind. 5
11. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre eine Mehrzahl von in Serie miteinander verbundenen überlappenden Abschnitten zwischen der schwingungsfähigen Oberfläche einerseits und den Mitteln hat, welche die an das genannte Medium angrenzende öffnung bilden.
12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre Abschnitte von verschiedener Länge aufweist.
13. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede dieser Röhren eine Mehrzahl von mit der schwingungsfähigen Oberfläche gekoppelten Abschnitten und Mittel zur Begrenzung einer ersten Öffnung und Mittel zur Begrenzung einer zweiten Öffnung aufweist und jede dieser Röhren Abschnitte von verschiedener Länge hat.
14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren ein Gehäuse bilden mit oberer Wand (12), unterer Wand (13), Seitenwänden (14, 15), Frontplatte (16) und Rückwand (17), daß eine Vielzahl von gestaffelten und im wesentliehen parallel angeordneten inneren Tafeln

zwischen der Frontplatte (16) und der Rückwand (17) angeordnet sind, daß eine innere Wand (21) vorgesehen ist, welche beide Röhren begrenzt und die schwingungsfähige Oberfläche in dem Gehäuse trägt.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine öffnung (28) in der Frontplatte (16) nahe deren oberem En.de und näher zu einer Seitenwand als zu einer anderen Seitenwand angeordnet ist und die zweite öffnung (31) nahe dem unteren Ende der Frontplatte (16) und angrenzend an die andere Seitenwand angeordnet ist.
16. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine niedrige Grenzfrequenz (low cutoff frequency) hat, unterhalb welcher keine nennenswerte Leistung übertragen wird und daß eine Ausgleichsschaltung vorgesehen ist, welche den Frequenzgang des Systems unterhalb der genannten Grenzfrequenz scharf reduziert.
17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß diese Ausgleichsschaltung ein Kerbfilter enthält, dessen Kerbfrequenz (notch frequency) näher zur genannten Grenzfrequenz als zur Nullfrequenz (zero frequency) liegt.
18. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerbfrequenz (notch frequency) in der Größenordnung von einem Drittel einer Oktave unterhalb der genannten Grenzfrequenz (cutoff frequency) liegt.
19. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsschaltung Mittel enthält, deren Frequenzgang (frequency responce characteristic) ein Dämpfung von wenigstens 6 Decibel zwischen Signalen bei und oberhalb

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der genannten Grenzfrequenz einerseits und Frequenzen bei und unterhalb der vorgegebenen Kerbfrequenz (notch frequency) bwirkt, welche näher zur genannten Grenzfrequenz als zur Nullfrequenz (zero frequency) liegt.
20. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ein Paar von konjugierten Polen (pair of conjugate poles) und konjugirte Nullstellen (conjugate zeros) nahe der genannten Grenzfrequenz und der Kerbfrequenz hat.