DE3641055A1

DE3641055A1 - Schalluebertragungssystem fuer den tieftonbereich, mit zum tieftonlautsprecher gleichphasiger wiedergabe der inseitigen gehaeuseschallenergie nach aussen

Info

Publication number: DE3641055A1
Application number: DE19863641055
Authority: DE
Inventors: Hans Havenith
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-12-01
Filing date: 1986-12-01
Publication date: 1988-06-16
Also published as: EP0273096A3; DE3641055C2; EP0273096A2

Description

Gattung des Anmeldungsgegenstandes

Die Erfindung betrifft ein Schallübertragungssystem und eine Lautsprechergehäusekonstruktion, die die gehäuseinsei tige Schallenergie des Baßlautsprechers nutzt, um die Tief tonwiedergabe zu verbessern.

Angaben zur Gattung

Weil die klassische geschlossene Lautsprecherbox mit ver schiedenen Nachteilen behaftet ist, wie z. B. der schwächeren Tiefbaßwiedergabe und dem Anstieg der Klirr- und Modula tionsverzerrungen (AM) durch die Brems- und Federwirkung der eingeschlossenen Luft (besonders bei kleineren Gehäusen), wurden mehrere andere Gehäusesysteme mit dem Ziel entwickelt die Tieftonwiedergabe zu verbessern.

Stand der Technik

Die zur Verbesserung der Tieftonwiedergabe angewendeten Konstruktionsverfahren (die die inseitige Gehäuseenergie nutzen) lassen sich in zwei Gruppöen ordnen.

Einmal in die Gruppe der Systeme, die durch den Tieftöner erzeugten gehäuseinseitigen Schall durch eine Gehäuseöff nung nach außen gelangen läßt (z. B. Baßreflexsystem und Transmissions-Line).

Neben diesen Systemen mit Öffnung - also den offenen Syste men - existiert, als Vertreter der zweiten Gruppe - der ge schlossenen Systeme - das Verfahren der Nutzung der insei tigen Schallenergie durch Passivsystem(e). Das Passivmem bransystem wird hier "geschlossen" genannt, weil die Luft im Gehäuseinnern nicht mit der Außenluft zusammentreffen kann.

[Diese Unterscheidung ist erfindungsgemäß von besonderer Bedeutung, weil Systeme mit Öffnung grundsätzlich auch Schall nach außen gelangen lassen, der nicht phasengleich zu den Schallwellenzügen ist, die vom Tieftöner erzeugt werden. Das Passivmembransystem hingegen verhindert dann jede Schallauslöschung zwischen Innenluft und Außenluft, wenn es gelingt, die Passivmembran(en), die den gehäuse inseitigen Schall nach außen geben, phasengleich zur Tieftönermembran anzutreiben. Dann können nämlich gegen phasige (innere- und äußere) Schallwellenfronten nicht mehr zusammentreffen.]

Hierbei regen die rückwärts abgestrahlten gehäuseinsei tigen Wellenfronten des Tieftonlautsprechers die Membran des Passivsystems zum Schwingen an, und diese Membran gibt hierdurch die Luftdruckschwankungen des Gehäuses nach außen ab.

Kritik am Stand der Technik

Alle Systeme, die den vom Tieftonlautsprecher rückwärts ab gestrahlten Schall nutzbar machen, sind, neben den ange strebten und erzielbaren Vorteilen, auch mit systemspezi fischen Nachteilen behaftet.

Zu diesen Problemen wurden zahlreiche Untersuchungen ange stellt, und es existieren parallel eine Vielzahl von Ver öffentlichungen. Aufgrund der allgemeinen Bekanntheit die ser Fragen wird hier nur auf einige wesentliche Gesichts punkte eingegangen.

Einen aktuellen Überblick gibt z. B. Stark, B. "Lautsprecher Handbuch", München 1986 2. Auflage.

Bei den Konstruktionen, die mit einer Gehäuseöffnung arbei ten, ergibt sich beim Baßreflexsystem das Problem der fest gelegten Öffnung und der Wirksamkeit um den Bereich der Gehäuseresonanz (Helmholtzresonanz), wodurch sich, selbst bei optimaler Abstimmung, eine schallverstärkende Wirkung bis etwa maximal 150 Hertz ergibt.

Die Transmissions-Line ermöglicht zwar eine prinzipielle Wirkungserhöhung gegenüber dem Baßreflexsystem, über die Möglichkeiten der querschnittsmäßig viel größeren Schallaus trittsöffnung. Hier bereiten jedoch austretende gegenphasi ge Wellenzüge Probleme, wodurch es zu Schallauslöschungen kommt. Als Gegenmaßnahme wird eine stärkere Dämpfung notwen dig, wodurch wieder der Wirkungsgrad herabgesetzt wird. Bei sehr großen Wellenlängen (etwa 40 Hz) ist im untersten Fre quenzbereich zudem der akustische Kurzschluß - aufgrund der begrenzten Gehäusedimensionen für Wohnräume - unvermeidlich (vgl. Stark, B., Seiten 130 bis 149). Baßreflexsystem und Trans mission-Line können Schallauslöschungen nicht vermeiden, weil auf jeden Fall auch zum Baßlautsprecher gegenphasiger Schall austritt.

Das Passivmembranprinzip hat den Vorteil, daß es, gegenüber der klassischen geschlossenen Box, den verzerrungsfördernden Druckauf- und Abbau im Gehäuseinneren reduziert.

Es gibt aber seine nach außen abgegebene Schallenergie ge genphasig zur Bewegung der Baßlautsprechermembran ab und produziert somit zwangsläufig Schallauslöschungen im Tief tonbereich.

Als generelle Kritik an allen vorhandenen Schallübertragungs systemen, die die gehäuseinseitige Schallenergie nutzbar machen, bleibt festzustellen:

Kein System macht die Tiefton-Wellenzüge aus dem Gehäusein nern so nutzbar, daß diese Schwingungen - gleichphasig zum Baßlautsprecher - über den gesamten Frequenzbereich nach außen abgegeben werden.

Diese Idealbedingung wird nicht einmal annäherungsweise er füllt, zudem beschränken sich sowohl die Baßreflexbox als auch die Transmissions-Line auf eine Wirksamkeit bis etwa 150 Hertz nach oben hin.

Hiergegen läßt sich einwenden, daß dieser Effekt, der fre quenzmäßigen Begrenzung, ja gerade erwünscht ist bzw. ge zielt eingesetzt wird, weil Tieftöner in der Regel un ter 200 Hertz in ihrer Schalldruckleistung abfallen und deshalb, aufgrund der unterstützenden Wirkung von Baßre flex- oder Transmissions-Line Prinzip, ein linearer Fre quenzgang hergestellt oder angenähert werden kann. Dieser Einwand ist richtig. Als Kritik bleibt jedoch, daß ein System denkbar ist, das im ganzen übertragenen Tieftonfre quenzbereich den Wirkungsgrad erhöht und den Bereich, in dem der Schalldruck des Tieftöners abfällt, zusätzlich ver stärkt wiedergibt.

Aufgabe

Die Erfindung hat die Aufgabe gehäuseinnere Schallenergie über den gesamten Tieftonübertragungsbereich gleichphasig nach außen (vorn) abzugeben und dabei den Tiefbaßbereich zusätzlich zu verstärken.

Lösung

Die Erfindung nutzt die gehäuseinseitigen Schallwellenfron ten. Sie erzeugt mit deren Bewegungsenergien außen Schall wellenfronten, die gleichphasig zu den vom Tieftöner abge gebenen Schallwellenfronten sind. Weil frequenzmäßig alle gehäuseinseitigen Schallwellenfronten genutzt bzw. ihre Energie nach außen übertragen wird, ist die Erfindung im gesamten Übertragungsbereich des Tieftöners wirksam. Die konstruktionsmäßige Verwirklichung der Erfindung erfolgt in den beigefügten Ausführungsbeispielen durch:

a) die Einteilung des Lautsprechergehäuses in mehrere luft dichte Kammern,
b) die Übertragung der Luftdruckenergie der vom Tieftonlaut sprecher erzeugten gehäuseinneren Schallwellenfronten auf die Membran eines gehäuseinneren Passivsystems und
c) die Übertragung dieser Membranbewegung mittels eines Übertragungselementes auf eine weitere Passivmembran, die außen auf der Schallwand angebracht ist und die die über tragene Bewegungsenergie in zum Tieftöner phasengleiche Schallwellen umwandelt und nach außen (vorn) abgibt.

Eine zusätzliche Verstärkung des Tiefbaßbereiches wird da bei durch die Energienutzung der Gehäuseresonanzschwingung im Frequenzbereich der Helmholtzresonanz erreicht.

Funktionsweise der Erfindung (Interpretation anhand Fig. 2)

Wenn die Tieftönermembran die in Kammer I eingeschlossene Luft durch ihre Rückwärtsbewegung verdichtet, bewegen sich die beiden Pasivmembranen (1 a und 1 b) - die Kammer I und Kammer II miteinander verbinden - ebenfalls nach hinten, weil diese beiden beweglichen Membranen prinzipiell dem Druck nachgeben, bis Druckausgleich zwischen den Kammern I und II hergestellt ist.

Das heißt, die Membranen 1 a und 1 b bewegen sich nach hin ten, bis der Überdruck, den der Tieftöner in Kammer I er zeugt, in allen Kammern entsprechend aufgebaut ist.

Weil die Membranen 1 a und 1 b mittels der Befestigungsele mente (2) und des Übertragungselementes (3) mit den beiden auf der Schallwand angebrachten Passivmembranen fest ver bunden sind, führen diese beiden vorderen Membranen exakt die gleiche Bewegung aus wie die Membranen 1 a und 1 b und damit auch die gleiche Bewegung wie die Membran des Tief töners. Deshalb bewegen sich die beiden äußeren - auf der Schallwand montierten - Passivmembranen erfindungsgemäß gleichphasig zur Tieftonlautsprechermembran, denn auf Ge häuseluftunterdruck reagiert das System in gleicher Weise, nur mit umgekehrter Bewegungsrichtung, also nach vorn.

Vorteile der Erfindung

Weil durch die Erfindung alle gehäuseinneren Schallwellen fronten - die der Baßlautsprecher erzeugt - phasenmäßig ge lenkt genutzt werden, gelangt die gehäuseinseitige Schall energie, phasengleich zum Baßlautsprecher, baßverstärkend nach außen. Dabei kann es nicht zu Auslöschungswirkungen kommen, mit denen alle anderen Systeme mehr oder weniger behaftet sind, weil die Erfindung konstruktionsgemäß Phasen gleichheit zur Bewegungsrichtung der Baßlautsprechermembran nach außen hergestellt.

Das heißt für die Ausführungsbeispiele:

Es bewegen sich (ein oder mehrere) Passivsysteme - vom Ge häuseinnenschalldruck angetrieben - im gesamten übertragenen Frequenzbereich des Baßlautsprechers außen phasengleich zur Baßlautsprechermembran. Diese baßverstärkende Wirkung - über den gesamten Übertragungsbereich des Tieftonlautsprechers ohne Schallauslöschungen - bietet kein anderes System, das die innere Schallenergie des Gehäuses nutzbar macht. Da es sich bei der Erfindung um ein akustisch geschlossenes System handelt, kann kein schallauslöschender Luftaustausch zwischen Gehäuseinnenluft und Außenluft stattfinden.

Zusätzlich hat die Erfindung nicht die Nachteile des klas sischen geschlossenen Gehäuses (die dort durch Druckauf- und Abbau bzw. die Federwirkung der eingeschlossenen Luft ent stehen), weil durch die Erfindung die im Gehäuse eingeschlos sene Luft Bewegungsenergie an die innere(n) Passivmembran (en) abgibt (die übertragen und als Schallwellen nach außen phasengleich abgegeben wird).

Hierdurch werden die Nachteile des klassischen geschlossenen Gehäuses weitgehend ausgeschaltet.

Das heißt, weil die Federwirkung der im Gehäuse eingeschlos senen Luft von der Erfindung genutzt wird, überträgt sich deren Energie nach außen.

Durch die hohe Dämpfung, die die bewegten Membranen dabei auf die Gehäuseinnenluft ausüben, werden Klirr- und Modula tionsverzerrungen herabgesetzt. Die Erfindung bietet zudem verschiedene neue Möglichkeiten der frequenzmäßig ausgedehn teren Tiefbaßverstärkung. Einige Abstimmungsmöglichkeiten werden in den Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Ausführungsbeispiele

Mögliche Ausführungen bzw. technische Verwirklichungen der Erfindung zeigen die Zeichnungen Fig. 1, 2 und 3.

Um die Schallauslöschungen zu vermeiden, ist das Gehäuse in mehrere Kammern eingeteilt, die nach außen und gegeneinander luftdicht abgeschlossen sind. Zwischen den Kammern findet ein Druckausgleich über Passivmembranen statt.

Ausführungsmöglichkeiten bezüglich der Tiefbaßabstimmung

A. Fig. 3 zeigt die Ausführung mit einer nach vorn abge benden Passivmembran. Hier sind die drei Gehäusekammern (I, II und III) konzeptionell gleich groß geplant. Weil damit innerhalb aller drei Kammern die Gehäuseresonanzfrequenzen etwa gleich sind, entsteht um diesen Frequenzbereich der größte zusätzliche Schalldruckgewinn. Über die Veränderung der gesamten Gehäusegröße läßt sich deshalb hier der Tief baßbereich abstimmen.
B. Fig. 2 zeigt die Ausführung mit zwei nach vorn-außen abgebenden Passivmembranen. Bei der hier dargestellten Kon zeption sind die gehäuseinneren Kammern nicht alle gleich groß. Die Kammern IIIa bzw. IIIb haben nur das halbe Volu men von der Kammer I oder II (Vol. I Vol. II aber Vol. IIIa Vol. ^I/₂ = Vol. ^II/₂ Vol. IIIb). Aufgrund dieser unterschiedlichen Kammervolumina entstehen auch unterschied liche Gehäuseresonanzfrequenzen (Kammer I steht in Resonanz zu Kammer II und Kammer IIIa steht in Resonanz zu Kammer IIIb). Hierüber ergibt sich die Abstimmungsmöglichkeit den Tiefbaß bereich in zwei Frequenzbereichen zusätzlich besonders zu verstärken und damit eine frequenzmäßig ausgedehntere Tief baßverstärkung. Gleichzeitig werden hierdurch Resonanzmaxim bzw. unerwünscht starke Schalldruckmaxima um die Gehäusere sonanzfrequenz reduziert, weil jeweils nur zwei der vier Kammern in Resonanz stehen, und die anderen beiden Kammern auf deren Resonanzen teilweise bremsend wirken.

Konstruktionsmäßige Festlegung des Wirkungsgrades (Interpretation anhand Fig. 2 und 3)

1. Durch die zusätzliche Vergrößerung des Volumens der Kam mer II (Vol. II < Vol. I und Vol. Vol. III) läßt sich der Wirkungsgrad der Erfindung erhöhen. Wenn die Kammer II nämlich größer als die anderen Kammern ist, genügt zur Bewegung der Passivmembranen ein geringerer Druck, weil das größere Luftvolumen in Kammer II den Membranen einen geringeren Widerstand entgegensetzt. Der vom Tieftonlautsprecher er zeugte Schalldruck überträgt sich hierdurch verstärkt auf die Kammer(n) III. Hierdurch wird der Bewegungshub der Pas sivmembranen erhöht, was einen höheren Wirkungsgrad zur Folge hat.
2. Wird die Kammer I nur halb so groß wie die beiden ande ren Kammern gebaut (bei gleichen Volumina der Kammern II und III), so legen die Passivmembranen annähernd den glei chen Hub zurück, den die Membran des Tieftöners aufweist. Dabei wird exakt der gleiche Hub unter folgenden Bedingun gen zurückgelegt:
- a) Vol. I ¹/₂ Vol. II und Vol. II Vol. III,
- b) flächenmäßige Entsprechung der effektiven Membranflächen der Passivmembranen zur rückwärtigen effektiven Membran fläche des Tieftonlautsprechers sowie
- c) die Entsprechung von deren Massen und die gleiche Nach giebigkeit der Membranaufhängungen,
- d) Dichtheit der Kammern.
3. Bezüglich der Erhöhung des Wirkungsgrades muß jedoch be rücksichtigt werden, daß, bei konzeptionell gleichem Mem branhub von Tieftöner und Passivmembran, sehr große Bewe gungen der Passivmembran im Bereich der Gehäuseresonanzfre quenz zu erwarten sind (vgl. Stark, B. S. 135).
Deshalb gehen die Konzeptionen in Fig. 2 und Fig. 3 von gleichgroßen Kammervolumina aus. Die Passivmembranen sind hierdurch, im Bereich außerhalb der Gehäuseresonanzfrequenz, hubmäßig etwa auf den halben Hub der Tieftönermembran be grenzt. Gleichzeitig sind die Membranen stärker gedämpft und werden auch im Bereich der Gehäuseresonanz nicht zu stark ausgelenkt. Sowohl die konzeptionelle Beschränkung der Membranauslenkung als auch die stärkere Bewegungsdämp fung wirken generell verzerrungsreduzierend.

Mögliche Wirkungsverluste durch die Übertragungsöffnung zwischen Kammer I und Kammer II

Da das Übertragungselement 3 (Fig. 2 und 3) die strikte Kammertrennung durchbricht - weil es eine genügend große Öffnung in der Trennwand benötigt um frei hin- und her schwingen zu können - muß auf mögliche Druckverluste (= Wirkungsverluste) an der Durchbruchstelle eingegangen wer den.

Die Schalldruckverluste - die durch die Öffnung zwischen Kammer I und III zum Durchlaß des Übertragungselements ent stehen - sind jedoch vernachlässigbar gering, weil in bei den Kammern jeweils etwa gleiche Druckverhältnisse vorherr schen.

Durch diese gleichen Druckverhältnisse kommt es selbst dann nur zu geringfügigen Schallauslöschungseffekten, wenn das Übertragungselement frei in einer Öffnung (wie in Fig. 2 und 3) hin- und herschwingen würde, weil durch die Druckgleichheit nicht Luft von der einen in die andere Kam mer gepreßt wird.

Die Schallauslöschungseffekte sind auch deshalb gering, weil die Öffnungsfläche im Vergleich zur gesamten wirksa men Membranfläche sehr klein ist.

Erläuterungen zu den Zeichnungen Fig. 1, 2 und 3 - Zei chenerklärung

Fig. 1 zeigt die Vorderansicht einer mit der Erfindung ausgestatteten Lautsprecherbox, mit Tieftonlautsprecher und darüber-darunter je einer Passivmembran.

Fig. 2 zeigt diese Lautsprecherbox im Querschnitt.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt einer mit der Erfindung aus gestatteten Lautsprecherbox mit nur einer nach außen abge benden Passivmembran.

Zeichenerklärung (zu Fig. 2 und 3)

I: Gehäusekammer des Tieftonlautsprechers
II: Gehäusekammer der inneren Passivmembran(en)
III: Gehäusekammer der äußeren Passivmembran(en)
1: Passivmembran (4 gleiche Membranen bei Fig. 2, 2 gleiche Membranen bei Fig. 3)*
2: Befestigungselement(e)
3: Übertragungs- Verbindungselement
4: Tieftonlautsprecher
Vol.: Volumen
: entspricht, in der Beschreibung für Volumenvergleich der Gehäusekammern eingesetzt
<: ist größer als

* Die gezeichneten und im Prototyp verwendeten Pasivmem branen werden im Handel mit der Bezeichnung Passiv-Radia toren angeboten.

Claims

1. Schallübertragungssystem für den Tieftonbereich
kennzeichnender Teil:
dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Tieftöner erzeugte gehäuseinnere Schallenergie phasengleich zum Tief töner nach außen abgegeben wird, indem die gehäuseinneren Luftdruckschwankungen in tonfrequente Bewegungen eines Über tragungselementes umgewandelt werden und diese Bewegungen außen wieder in Schallwellen umgewandelt werden.

2. Schallübertragungssystem für den Tieftonbereich bei ge schlossenen Lautsprechergehäusen; "geschlossen" bedeutet hierbei: die im Gehäuse eingeschlossene Luft kann nicht mit der Außenluft zusammentreffen
kennzeichnender Teil:
dadurch gekennzeichnet, daß alle gehäuseinneren, vom Tief töner erzeugten, Schallwellenfronten (Luftdruckschwankungen) bzw. deren Bewegungsenergien genutzt werden, indem sie mit tels eines Übertragungs- und Phasenlenksystems phasengleich zur Tieftönermembran nach außen vorn als Schallwellenfron ten abgegeben werden.

3. Schallübertragungssystem nach dem Oberbegriff Anspruch 2
kennzeichnender Teil:
dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Passivsysteme vom gehäuseinseitigen Schalldruck angetrieben werden und sich dabei phasengleich zur Baßlautsprechermembran bewegen.