DE3709700A1 - Lautsprechergehaeuse - Google Patents

Lautsprechergehaeuse

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Description

Bei der Erfindung handelt es sich um ein geschlossenes Lautspre­ chergehäuse in welches neben aktiven elektromechanischen Wandlern auch noch eine, oder mehrere passive Membranen zur Verstärkung der Schallabstrahlung eingebaut sind, die von den Druckschwankungen im Innern des Gehäuses in Bewegung versetzt und möglichst frei und dämpfungsarm angetrieben werden.
Es ist bekannt, zur Verstärkung der Basswiedergabe, passive Mem­ branen in Lautsprechergehäuse einzubauen. Sie werden durch die Druckschwankungen, die der aktive Wandler im Innern des Gehäu­ ses erzeugt, zum Schwingen angeregt.
Die Eigenresonanz der passiven Membranmasse, in Verbindung mit der Federkraft des eingeschlossenen Luftvolumens, wird etwas unterhalb der 3-dB Grenzfrequenz des aktiven Wandlers in einem entsprechend geschlossenen Gehäuses gelegt. Es findet dann eine Bassverstärkung im Bereich des Resonanzfrequenz der passiven Membrane statt. Herkömmliche passive Membranen sind wie elektrodynamische Laut­ sprecher, allerdings ohne Schwingspule/Magnet - Antriebssystem aufgebaut. Für deren Fertigung finden herkömmliche Einzelteile elektrodynamischer Lautsprecher, wie Membranen, Sicke, Zentrier­ spinne und Lautsprecherkorb Anwendung. Ihre Membranen sind aus steifem, aber möglichst leichtem Material und schwingen kolben­ förmig ohne sich zu verformen. Die bassverstärkende Wirkung ist auf einen relativ kleinen Frequenzbereich begrenzt und wird durch eine zusätzliche Resonanz erreicht. Dies führt zu einer zwar lauteren, aber unsauberen Basswiedergabe.
Entwicklungsziel bei Lautsprecherboxen ist eine tiefreichende Basswiedergabe mit gutem Wirkungsgrad bei kleinen Gehäuseabmes­ sungen. Allerdings sind bei herkömmlichen Konstruktionen geschlossener Gehäuse, die Grenzfrequenz, der Wirkungsgrad und das Volumen über folgende Formel verknüpft. Dies gilt für einen Dämpfungsfaktor des Masse/Feder- Systems der aktiven Membrane von 0,7, welcher klanglich als optimal empfunden wird.
Grenzfrequenz/Hz=233 [(el.Leist. für 91 dB in 1m)×(Volumen)]-1/3;
Es sind verschiedene Massnahmen vorgeschlagen worden, die Bass­ wiedergabe von Gehäuselautsprechern zu verbessern.
  • - Bassreflexsysteme
  • - Passivmembrane
  • - Transmission - Line Anordnung
  • - Horn
  • - Dämpfungseinrichtungen im Gehäuse
Bassreflexsysteme, herkömmlicher Passivmembranen und Transmission- Line sind von der Wirkung her ähnlich. Sie erzeugen eine zusätz­ liche Resonanz unterhalb der Grenzfrequenz des Wandlers. Dies führt zu einer geringfügigen Erweiterung des abgestrahlten Frequenzbereiches. Der Schalldruck fällt allerdings unterhalb der Grenzfrequenz steiler ab.
Hornsysteme fordern Schallkanalabmessungen, die mit dem 4.Teil der Wellenlänge der untersten abgestrahlten Frequenz überein­ stimmen. Sie können nicht mineaturisiert werden und produzie­ ren hörbar typische Verfärbungen und eine starke Richtwirkung.
Darüber hinaus sind Einbauten in das Gehäuse bekannt geworden, die eine Dämpfung des in das Gehäuse abgestrahlten Schalles ver­ ursachen (DE 18 496 C3 und DE 31 02 870 A1). Diese Einbauten bestehen aus mitschwingenden Elementen, die stark bedämpft werden und teilweise strömungsdurchlässig sind.
Bei niederen Frequenzen findet ein Strömungsaustausch mit der Aussenluft statt (akustischer Kurzschluss). Die beschriebenen Einbauten sollen eine geringere Rückwirkung auf die Membrane des Wandlers verursachen und dadurch die Dynamik verbessern. Eine Erweiterung des Frequenzbereiches nach unten ist nicht Zielsetzung dieser Konstruktion und ist damit auch nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lautsprechergehäuse zu schaffen, die eine tiefe, saubere Basswiedergabe bei kleinen Abmessungen erlauben.
Erfindungsgemäss werden in das Lautsprechergehäuse eine, oder mehrere passive Membranen zur Schallabstrahlung eingebaut, die infolge der, von der aktiven Membrane des Wandlers erzeugten Druckschwankungen im Gehäuse, zu Schwingungen angeregt werden und so ausgebildet sind, dass sie in Verbindung mit der Federkraft des eingeschlossenen Luftvolumens und der eigenen inneren Federkraft, die Verformungen entgegenwirkt, in einem möglichst großen Frequenzbereich möglichst viele Resonanzen ausbilden kann.
Dieses Verhalten führt zu einer Transformation der relativ ge­ ringen mechanischen Impedanz des Wandlers, auf den relativ hohen Wert des Strahlungswiderstandes von Luft, so dass durch bessere Anpassung mehr Energie vom Wandler in das Strahlungsfeld abge­ geben werden kann.
Im Unterschied zu Einbauten im Gehäuse, die der Schalldämpfung dienen, erzeugt die passive Membrane im gewünschten Arbeitsgrenz­ bereich infolge ihrer Eigenschwingung, einen höheren Druck im Gehäuse, gegen den die Membrane des Wandlers arbeiten muss.
Daraus resultiert eine höhere Abgabe mechanischer Leistung des Wandlers, die von der passiven Membrane auf das Schallfeld übertragen wird.
Voraussetzung für gute Wirkungsweise ist ein annähernd luftdichtes Lautsprechergehäuse. Auch die passive Membrane muss so ausgebildet sein, dass sie luftundurchlässig ist.
Dieses Verhalten führt zu einer bassverstärkenden Wirkung in dem Frequenzbereich, in welchem Schwingungsmoden der passiven Membrane liegen. Damit ist es möglich, bei gleichem Volumen und Wirkungsgrad eines vergleichsweise geschlossenen Lautspre­ chers, die untere Grenzfrequenz wesentlich zu erniedrigen. Dies bedeutet einen grossen technischen Fortschritt, da bei herkömmlichen Gehäusekonstruktionen zur Erniederung der unteren Grenzfrequenz um z.B. eine Oktave, das Volumen, oder die zugeführte Leistung um den Faktor 8 erhöht werden muss.
Die Erfindung erlaubt Volumenreduzierungen des Gehäuses um den Faktor 4 ohne dass Einbussen an Wirkungsgrad oder Basswiedergabe hingenommen werden müssen.
Die breitbandige Abstrahlung der passiven Membrane verbessert darüber hinaus ganz wesentlich die akustische Anpassung der aktiven Membrane, an das Strahlungsfeld, was zu einem sauberen und impulstreuen Klangbild führt.
In einer Ausführungsform, besteht die gesamte Rückwand des Lautsprechergehäuses (1) aus einer flachen, elastischen Membrane (2) aus Gummi, oder Moosgummi (siehe Fig. 1).
Sie wird durch Druckschwankungen im Gehäuse (1), erzeugt von der aktiven Membrane des Wandlers (4), in Schwingungen versetzt die möglichst dämpfungsarm und ungehemmt erfolgen sollen. Die Dicke der Membrane bestimmt wesentlich die unterste Resonanz­ frequenz und beträgt typischerweise einige Millimeter. Die geo­ metrische Form des Einspannungsprofiles (2) der passiven Membrane hat Einfluss auf die Frequenzlage der einzelnen Schwingungsmoden. Es kann zur Einstellung des Frequenzganges und der Bandbreite be­ liebig gestaltet werden.
Die Frequenzlage und Ausprägung der Schwingungsmoden lässt sich noch über folgende konstruktiven Massnahmen der passiven Membrane beeinflussen:
  • - inhomogene Dicke
  • - inhomogene Masseverteilung
  • - inhomogene Elastizität
  • - Anbringung von Massepunkten
  • - Zusammensetzung aus Elementen unterschiedlicher Masse und Elastizität, die sich in einer Ebene befinden.
  • - unterschiedliche Elastizität in den verschiedenen Freiheits­ graden, durch Einbau von versteifenden Elementen.
  • - Abstüzung an Punkten, Linien oder Flächen.
Natürlich ist auch eine kombinierte Anwendung der beschriebenen, konstruktiven Massnahmen ein Merkmal der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der passiven Membrane, die durch Zusammensetzung aus Elementen unterschiedlicher Masse und Elastizität aufgebaut ist. Auf diese Weise lässt sich sehr einfach die gewünschte Charakteristik der Schwingungsmoden einstellen. Die Membrane ist aufgebaut aus schweren und steifen Masseele­ menten (5), und elastischen Verbindungselementen (6).
Sehr geeignet ist die Anwendung der erfindungsgemässen Massnahme auf Gehäuseformen, die keine stehenden Wellen im Innern entstehen lassen, wie Zylinderform, Kugelform, Pyramidenform u.s.w. Die Fig. 3 zeigt eine besonders kostengünstige Konstruktion eines Gehäuselautsprechers unter Anwendung der Zylinderform (9). Der Wandler (7) ist asymmetrisch auf der Stirnseite eingebaut. Die rückseitige, radiale Schnittfläche wird von der passiven Mem­ brane (8) bedeckt.
Fig. 4 zeigt einen pyramidenförmigen Gehäuselautsprecher. Die passive Membrane (10) ersetzt entweder die Rückwand, oder die Bodenfläche.
Die Gehäusebauformen nach den Fig. 3 und 4 beispielsweise, haben den Vorteil, kein oder nur wenig Dämpfungsmaterial im Innern des Gehäuses zu benötigen. Somit wird im Gehäuse keine Schallleistung vernichtet und der gewünschte Abstrahlungseffekt der passiven Membrane ist stärker ausgeprägt.
Die passive Membrane kann auf allen Seiten eines Lautsprecher­ gehäuses angebracht sein. Ebenso können mehrere Membranen vorgesehen werden. Auch die Anbringung einer passiven Membrane an der verbleibenden Fläche der Frontseite ist möglich. Eine symmetrische Anordnung in der Weise, dass zwei Mem­ branen im Gegentakt schwingen, kompensiert die von den Membranen in das Gehäuse eingeleiteten Kräfte.
Wo zwei Lautsprechergehäuse in einer Baueinheit Verwendung finden (z.B. Stereofernseher), ist die Anbringung der passiven Membrane jeweils an der Gehäuseseite sinnvoll. Es findet dann keine Ein­ leitung von schädlichen, tieffrequenten Vibrationen in die Elektronik statt.
Passivmembranen der beschriebenen Form werden erfindungsgemäss in Gehäuse eingebaut, die folgendermassen bestückt sind:
  • - Vollbereichswandler
  • - Mehrwegesystem
  • - zwei oder mehrere Tieftöner akustisch in Serie, zur Erhöhung der auf das eingeschlossene Luftvolumen ausgeübten Kraft.
  • - mehrere Tieftöner zur Vergrösserung der wirksamen Membran­ fläche auf das äussere Luftvolumen.
Da in dem erfindungsgemässen Gehäuse höhere Drücke auftreten, als in konventionellen Konstruktionen, ist es möglich das Ge­ häusevolumen unter Beibehaltung der akustischen Eigenschaften durch besondere Massnahmen weiter zu reduzieren.
Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass im Lautsprechergehäuse ein kleineres Gehäuse mit druckabhängigem Volumen eingebracht ist. Die Federkonstante "Druck/Volumenänderung" wird durch folgende Massnahmen kleiner, als bei nur eingeschlossener Luft gestaltet, und somit das Gehäuse akustisch vergrössert:
  • - Gehäuse gefüllt mit Gas und einem dieses Gas lösenden Medium
  • - Gehäuse gefüllt mit Gas und Flüssigkeit desselben Stoffes im Dampfdruckgleichgewicht.
Alle diese Innengehäuse müssen zur druckabhängigen Variierung ihres Volumens mindestens eine elastische Wand besitzen.
Die Erfindung ist auf die verschiedenartigsten Lautsprecher­ systeme anwendbar wie z.B.:
  • - Hi Fi - Lautsprecher
  • - Beschallungsanlagen
  • - Musiker - Lautsprecher
  • - Fernseher
  • - Kofferradios

Claims (42)

1. Luftdicht geschlossenes Lautsprechergehäuse mit einem, oder mehreren, eingebauten elektromechanischen Wandlern, die eine bewegliche, aktive Membrane zur Schallabstrahlung haben, welche an das äussere und eingeschlossene Luftvolumen angekoppelt ist, und mit einer passiven Membrane zur Schallabstrahlung, die an das äussere und innere Luftvolumen angekoppelt ist und von den Druckschwankungen im Gehäuse möglichst verlustfrei und dämpfungsarm angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane so ausgebildet ist, dass Sie in Verbindung mit der Federkraft des eingeschlossenen Luftvolumens und der eigenen, inneren Federkraft, die Verformungen entgegenwirkt, in einem möglichst grossen Frequenzbereich möglichst viele Resonanzen ausbilden kann.
2. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane eben ausgebildet ist.
3. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane aus Gummi besteht.
4. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane aus Moosgummi besteht.
5. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane aus einer Kombination von elastischen und weniger elastischen, oder festen Elementen besteht, deren Schwerpunkte sich innerhalb der Membranebene befinden.
6. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane über der Fläche ortsabhängige, mechanische Eigenschaften aufweist.
7. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsfunktion der mechanischen Eigenschaften geometrische Symmetrieeigenschaften aufweist.
8. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tiefste Resonanzfrequenz der passiven Membrane etwa eine Oktave unterhalb der Resonanzfrequenz des aktiven Wandlers bei festgehaltener, passiver Membrane liegt.
9. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der passiven Membrane Massepunkte befestigt sind.
10. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane eine Dicke von mindestens einem Millimeter aufweist.
11. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane rund ist.
12. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane eine geometrische Aussenkontur hat, die die Ausprägung von möglichst vielen Schwingungsmoden zulässt.
13. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane die Rückwand des Lautsprechergehäuses ganz oder zum Teil ersetzt.
14. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane den Boden des Lautsprechergehäuses ganz oder zum Teil ersetzt.
15. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung der passiven Membrane möglichst ungedämpft und ungehemmt erfolgen kann.
16. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane grösser als die aktive Membrane des Wandlers ist.
17. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane schwerer als die aktive Membrane des Wandlers ist.
18. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lautsprechergehäuse mehrere Passivmembranen in der Weise angeordnet sind, dass sie das eingeschlossene und externe Luftvolumen berühren.
19. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwei identisch aufgebaute Passivmembranen in der Weise ange­ ordnet sind, dass sie sich im Gegentakt bewegen und sich die in′s Gehäuse eingeleiteten Kräfte, infolge Membranbewe­ gung, kompensieren.
20. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lautsprechergehäuse mit einem Vollbereichwandler bestückt ist.
21. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lautsprechergehäuse ein Mehrwege-Lautsprechersystem beherbergt.
22. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Wandler in der Weise akustisch in Serie geschaltet sind, dass sich die Kraft ihrer Membranen auf das eingeschlossene und externe Luftvolumen addieren.
23. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wandler in der Weise eingebaut sind, dass ihre Mem­ branen das eingeschlossene und externe Luftvolumen berühren.
24. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lautsprechergehäuse zylindrisch ist.
25. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lautsprechergehäuse kugel- oder halbkugelförmig ist.
26. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivmembrane eine nichtebene, an die Gehäuseform ange­ passte Formgebung hat.
27. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der passiven Membrane über feste mechanische Stützstellen oder Stützlinien aufgespannt wird.
28. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lautsprechergehäuse in zwei oder mehrere Kammern unter­ teilt ist die über Öffnungen, kleiner als der Membrandurch­ messer des flächenmässig grössten Wandlers, miteinander ver­ bunden sind.
29. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der passiven Membrane im Gehäuse eine feste Wand gegenüber­ steht, die mit einer oder mehreren Öffnungen versehen ist, welche den akustischen Kontakt zum aktiven Wandler herstel­ len.
30. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der passiven Membrane Zusatzmassen über Federelemente an der Membrane befestigt sind.
31. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Lautsprechergehäuse kein Material zur Dämpfung von Hohlraumschwingungen befindet.
32. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass es zylinderförmig ist, wobei die passive Membrane eine radiale Schnittfläche abdeckt, und der aktive Wandler in diese Schnittfläche, oder der gegenüberliegenden Gehäusewand eingebaut ist.
33. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ausserhalb des Mittelpunktes der radialen Schnittfläche eingebaut ist.
34. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Lautsprechergehäuse ein kleines, abgeschlossenes Gehäuse eingebracht ist, das sein Volumen durch Druckschwankungen ändern kann.
35. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das kleinere, innere Gehäuse elastische Wände hat.
36. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das kleinere, innere Gehäuse mit Gas und dieses Gas löslich aufnehmenden, Substanzen gefüllt ist.
37. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus Kunststoff besteht.
38. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane die gesamte, nicht vom Wandler ein­ genommene Fläche, der Vorderseite des Gehäuses überdeckt.
39. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Membrane eine Seitenfläche des Gehäuses ganz oder zum Teil einnimmt.
40. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Begrenzungsflächen mit einer passiven Membrane aus­ gestattet sind.
41. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder eine Höhe hat, die kleiner, oder nicht wesentlich grösser als der Durchmesser ist 42. Lautsprechergehäuse nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstellung des Zylinders waagerecht ist.
43. Lautsprechermembrane nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft der passiven Membrane hauptsächlich aus der Federkraft des eingeschlossenen Luftvolumens aufgebracht wird.
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