DE3843050A1

DE3843050A1 - Elektrischer akustikwandler

Info

Publication number: DE3843050A1
Application number: DE3843050A
Authority: DE
Inventors: Akihiko Takeuchi; Shigeo Suzuki
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1987-12-25
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1989-07-06
Anticipated expiration: 2008-12-22
Also published as: DE3843050C2; US5111509A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Akustikwandler nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Ein Trichterlautsprecher für Fahrzeuge ist ein typisches Bei spiel eines solchen elektrischen Akustikwandlers, in welchem Klangwellen durch eine Vibrationsmembrane erzeugt und durch ein Horn ausgestrahlt werden (siehe "Musical Engineering" von Harry F. Olson, McGraw-Hill Book Company, Inc. P 183 Fig. 5.77 und P320 Fig. 9, 10). Der Trichterlautsprecher besteht grund sätzlich aus einer Vibrationsmembrane, einem Horn und einer elektromagnetischen Einheit für die Vibrationsmembrane. Die elektromagnetische Einheit beinhaltet einen Elektromagneten, eine Armatur zur mechanischen Verbindung mit der Vibrations membrane und einen Schalter zwischen dem Elektromagneten und einer Stromquelle. Wenn der Elektromagnet nicht erregt ist, steht der Schalter aufgrund von Federkraft in Kontakt mit der Armatur. Wird der Elektromagnet erregt, bewirkt dies eine Unterbrechung des Kontakts zwischen Armatur und Schalter und der Elektromagnet ist somit von der Stromquelle abgetrennt. Daraufhin nimmt die Armatur aufgrund der elastischen Kraft der Vibrationsmembrane ihre originäre Position wieder ein und kommt wieder mit dem Schalter in Kontakt. Dieser Vorgang wird zügig wiederholt und Klangwellen durch das Horn ausgestrahlt.

Dieser zyklische Prozeß wird mit einer Resonanzfrequenz wiederholt, die durch die Kombination der Vibrationsmembrane, der Armatur und des Horns festgelegt ist. Insofern, als die auf die Armatur wirkende Kraft eine komplizierte Wellenform aufweist, sind die durch die Vibrationsmembrane erzeugten Töne reich an harmonischen Tönen. Unter dieser Bedingung sind die Resonanzcharakteristiken des Horns allein maßgebend für die Tonqualität. Zur Erzeugung angenehmer Töne sollte ein Horn vorteilhafterweise eine enge Kehle aufweisen, die mit leichter Divergenz in eine Erweiterung übergeht. Eine solche Konfiguration eines Hornes ist bezüglich des Modes der harmo nischen Tonerzeugung natürlichen Musikinstrumenten sehr nahe.

Ein derartiger konventioneller Trichterlautsprecher weist ein sehr gleichartiges Verhältnis von Schalldruckverteilung zu Frequenz (Frequenzcharakteristik) auf und hat einen sehr ge ringen Qualitätsfaktor Q. Wie allgemein bekannt, führt ein geringer Qualitätsfaktor Q zu einer niedrigen Resonanzschärfe und eine Konsequenz ist, daß erzeugte Töne den von elektri schen und elektronischen Musikinstrumenten erzeugten sehr nahe kommen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektri schen Akustikwandler so zu verbessern, daß dessen Tonerzeu gung bezüglich des Qualitätsfaktors (Q) den von natürlichen Musikinstrumenten erzeugten Tönen sehr nahe kommt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der elektrische Akustikwandler gemäß der Erfindung in der im Hauptanspruch angegebenen Weise aufgebaut.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfin dung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung, wobei

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer ersten vor teilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfin dung ist,

Fig. 2 eine Kurve ist, die die Beziehung zwischen Fre quenz und Ausgangsschalldruck von Tönen zeigt, die von der ersten vorteilhaften Ausgestaltung eines Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden,

Fig. 3 eine Kurve ist, die die Beziehung zwischen Fre quenz und Ausgangsschalldruck von Tönen zeigt, die von einem konventionellen Trichterlautspre cher für Fahrzeuge erzeugt wurden,

Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht einer zweiten vor teilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfin dung ist,

Fig. 5 eine seitliche Schnittansicht einer dritten vor teilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfin dung ist,

Fig. 6 eine vergrößerte seitliche Schnittansicht einer vierten vorteilhaften Ausgestaltung der vorlie genden Erfindung ist,

Fig. 7 eine Teilschnittansicht einer Tonerzeugungsvor richtung ist, wie sie für einen in Fig. 6 ge zeigten Wandler gebraucht wird,

Fig. 8 ein Blockdiagramm eines elektrischen Schaltkrei ses ist, wie er für die Tonerzeugungsvorrichtung, wie in Fig. 6 gezeigt, gebraucht wird,

Fig. 9 eine perspektivische Schnittansicht einer fünften vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Er findung ist und

Fig. 10 eine seitliche Schnittansicht einer sechsten vor teilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfin dung ist.

Die erste Ausgestaltung eines Akustikwandlers ist in Fig. 1 gezeigt. Der Wandler 10 beinhaltet eine Resonanzröhre 11 mit einem länglichen Hohlraum 12 und einer Tonerzeugungseinheit 13, die in der Resonanzröhre 1 nahe dem offenen Ende des länglichen Hohlraumes 12 angeordnet ist. Das andere offene Ende des länglichen Hohlraumes 12 ist für die Tonausstrah lung. Die Tonerzeugungseinheit 13 ist ein bekannter elektri scher Typ mit einer nicht gezeigten Vibrationsmembrane. Eine Trennwand 14 ist in dem länglichen Hohlraum 12 der Resonanz röhre 11 in einer Position nahe der Tonerzeugungseinheit 13 befestigt. Somit verbleibt ein Raum 16 mit gewähltem Volumen zwischen der Tonerzeugungseinheit 13 und der Trennwand 14. In vorteilhafter Weise erstreckt sich die Trennwand 14 im wesentlichen senkrecht zur Achse der Resonanzröhre 11.

Die Trennwand 14 ist beispielsweise aus Weicheisen einer ge wählten Dicke und hat im Zentrum eine Durchgangsöffnung 17 zur Verbindung des Raumes 16 mit dem länglichen Hohlraum 12. In vorteilhafter Weise hat die Durchgangsöffnung 17 einen quer zur Klangrichtung liegenden Querschnitt. Die Größe der Durchgangsöffnung 17 ist unter Berücksichtigung der Größe des länglichen Hohlraumes 12 zu wählen.

Im Betriebszustand des Wandlers 10 erreicht eine Schallwelle, die von der Vibrationsmembrane in der Tonerzeugungseinheit 13 erzeugt wird, den länglichen Hohlraum 12 durch die Durch gangsöffnung 17 in der Trennwand 14, um eine konstante Welle in dem länglichen Hohlraum 12 zu bilden. Während dieses Prozesses wird die Schallwelle wiederholt in dem länglichen Hohlraum 12 im Bereich zwischen der Trennwand 14 und dem tonausstrahlenden Ende der Resonanzröhre 11 reflektiert. Somit wird eine sauber geschnittene Resonanzluftsäule einer gewählten Resonanzfrequenz in der Resonanzröhre 11 zur Ausstrahlung eines Tones mit einem hohen Qualitätsfaktor Q geformt. In diesem Fall wirkt die Trennwand 14 wie eine Art Reflektorplatte in dem länglichen Hohlraum 12. Da die Resonanzröhre 11 einen gleichförmigen Querschnitt über ihre gesamte Länge hat, kann eine saubere Resonanz für ungeradzahlige harmonische Töne erreicht werden. Ein verbesserter akustischer Effekt kann erreicht werden, wenn die Tonerzeugungseinheit 13 einen Ton in einer Klanghöhe erzeugt, die der Resonanzfrequenz der Resonanzluftsäule entspricht.

Verschiedene Wandler 10 können kombiniert werden in Abhängig keit von der Anzahl von Tonhöhen, die zu erzeugen sind. In diesem Fall weisen verschiedene Wandler Resonanzröhren unter schiedlicher Resonanzfrequenzen und Tonerzeugungseinheiten unterschiedlicher Tonhöhen auf. Z.B. ist eine solche Kombina tion sehr brauchbar für eine Orgel. Seine spezifische Ener gieverteilung hat ein hochperiodisches Muster, sein Formant ist sehr klar und der Unterschied in der Tonhöhe ist voll ständig wahrnehmbar und somit konsequenterweise scharf zu unterscheiden. Wenn die Spitzen von jeweiligen Tönen jenseits der kritischen Bandbreite voneinander separiert werden, das bedeutet einen Frequenzunterschied, welcher die Unterschei dung zwischen zwei unterschiedlichen Tönen ermöglicht, kann eine erhöhte subjektive Lautstärke für die schärfere Erken nung erreicht werden. In vorteilhafter Ausgestaltung sollte der periodische Trend der spezifischen Energieverteilung stark in einem überwiegend im Wahrnehmungsbereich von Tonhö hen liegenden Frequenzbereich entwickelt werden. Ein solcher Frequenzbereich liegt zwischen 500 und 2000 Hz.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen Frequenz und Ausgangs schalldruck von Tönen, die von dem Wandler 10 der beschriebe nen Ausgestaltung erzeugt wurden. In der Zeichnung wird die Frequenz in KHz auf der Abszisse und der Schalldruck in dB auf der Ordinate geführt. Zum Vergleich ist die Beziehung zwischen Frequenz und Ausgangsschalldruck von Tönen, die von einem oben beschriebenen konventionellen Trichterlautsprecher erzeugt wurden, in Fig. 3 gezeigt. Beim Vergleich der zwei experimentellen Kurven wird eindeutig bestätigt, daß der Qualitätsfaktor Q durch Anwendung der vorliegenden Erfindung beträchtlich erhöht werden kann.

Eine zweite Ausgestaltung des Wandlers im Sinne der vorlie genden Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Wie in der ersten Ausgestaltung beinhaltet der Konverter 20 eine Resonanzröhre 21 mit einem länglichen Hohlraum 22, eine Tonerzeugungsein heit 13, welche in der Resonanzröhre 21 angebracht ist und eine Trennwand 14 mit einer zentralen Durchgangsöffnung 17, welche in dem länglichen Hohlraum 22 angeordnet ist. In die sem Fall ist die Resonanzröhre 21 trichterförmig und der längliche Hohlraum 22 vergrößert seinen Querschnitt zum tonausstrahlenden Ende hin. Da diese Resonanzröhre 21 über ihre Länge einen divergierenden Querschnitt aufweist, kann saubere Resonanz in diesem Fall für gradzahlige harmonische Töne erreicht werden.

Die dritte Ausgestaltung eines Wandlers im Sinne der vorlie genden Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Wie die erste Ausge staltung beinhaltet der Wandler 30 eine Resonanzröhre 31 mit einem länglichen Hohlraum 32, einer Tonerzeugungseinheit, die in der Resonanzröhre 31 nahe dem offenen Ende des länglichen Hohlraumes 32 angeordnet ist und eine Trennwand 14 mit einer Durchgangsöffnung 17, welche in dem länglichen Hohlraum 32 angeordnet ist. Die Resonanzröhre 31 weist im Bereich zwi schen der Trennwand 14 und dem anderen offenen Ende des läng lichen Hohlraumes 32 eine kugelförmige Beule 33 auf, welche im Inneren einen Helmholtz′schen Resonanzraum 34 in Verbin dung mit dem länglichen Hohlraum 32 definiert. Durch den Helmholtz′schen Resonanzraum 34 wird der Qualitätsfaktor Q von erzeugten Tönen weiterhin erhöht.

In einer Modifikation der Ausgestaltungen gemäß Fig. 1 oder 5 kann die Resonanzröhre 11 oder 31 in Abhängigkeit von der Um gebungstemperatur in der Länge verstellbar konstruiert wer den. Eine zweckmäßige teleskopische Konstruktion kann an die sem Ende benutzt werden.

Im Falle der vorhergehenden Ausgestaltungen werden die Toner zeugungseinheit und die Trennwand nach getrennter Vorberei tung in die Resonanzröhre eingebaut. Dieser Einbau ist ein komplizierter Vorgang. Weiterhin ist die Position der Trenn wand in dem länglichen Hohlraum der Resonanzröhre festgelegt und nicht eben leicht in Abhängigkeit von sich verändernder Umgebungstemperatur zu verändern. Die vierte Ausgestaltung eines Wandlers entsprechend der vorliegenden Erfindung, wie in den Fig. 6 bis 8 gezeigt, ist dafür vorgesehen, die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen.

Wie in Fig. 6 gezeigt, beinhaltet ein Wandler 40 eine Reso nanzröhre 11 mit einem länglichen Hohlraum 12 und eine Toner zeugungsvorrichtung 41, welche in der Resonanzröhre 11 nahe dem offenen Ende des länglichen Hohlraumes 12 angeordnet ist. Eine Trennwand 14 mit einer zentralen Durchgangsöffnung 17 ist ebenso in dem länglichen Hohlraum 12 vor der Tonerzeugungsvorrichtung 41 angeordnet. Die Tonerzeugungsvor richtung 41 beinhaltet ein zylindrisches Gehäuse 42, welches dicht in die Resonanzröhre 11 eingesetzt ist. Nahe einem Ende ist das zylindrische Gehäuse 42 über einen Deckel 44 mit einer Box 46 verbunden, welche einen elektrischen Schaltkreis und sein Zubehör beinhaltet. Das andere Ende des zylindri schen Gehäuses ist dicht an der Trennwand 14 in dem längli chen Hohlraum 12. Eine Tonerzeugungseinheit 13 ist mit dem zylindrischen Gehäuse 42 verbunden, wobei ein Zwischenraum 6 zwischen der Tonerzeugungseinheit und der Trennwand 4 ver bleibt. Der Raum zwischen dem Deckel 44 und der Tonerzeu gungseinheit 13 ist mit einem Schallabsorber 43 aus Stein oder Glaswolle gefüllt. Durch den Schallabsorber 43 ist die Tonerzeugungseinheit 13 mit dem elektrischen Schaltkreis in der Box 46 mittels Kabel 47 verbunden.

Das zylindrische Gehäuse 42 der Tonerzeugungsvorrichtung 41 ist an der Resonanzröhre 11 vorzugsweise so befestigt, wie in Fig. 7 gezeigt. Ein Positionierstück 48 mit einer konischen Oberfläche 48 a ist an der Innenwand der Resonanzröhre 11 be festigt und ein Ring 49 ist an dem zylindrischen Gehäuse 42 und dem Deckel 44 befestigt. Der Ring 49 hat eine kegelför mige Fläche 49 a, welche mit der konischen Fläche 48 a des Positionierstücks 48 zusammenpaßt. Der Ring 49 ist an dem Positionierstück 48 mit Bolzen und Mutter 45 a und 45 b befe stigt, welche spannungsfrei in das Positionierstück einge setzt werden. In Abhängigkeit von der Stärke der Befestigung mittels der Befestigungselemente 45 a und 45 b verändert der Ring 49 seinen Durchmesser und bewegt sich in axialer Rich tung der Resonanzröhre 11 mit der gesamten Tonerzeugungsvor richtung 41 aufgrund der Relativbewegungen zwischen den koni schen Flächen 48 a und 49 a. Die Trennwand 14, welche an dem zylindrischen Gehäuse 42 befestigt ist, folgt dieser Axial bewegung im länglichen Hohlraum der Resonanzröhre 11.

Bei dieser Ausgestaltung ist die Trennwand 14 mit der Toner zeugungsvorrichtung 41, welche die Tonerzeugungseinheit 13 enthält, zu einer Baueinheit zusammengefaßt. Konsequenter weise können die Trennwand 14 und die Tonerzeugungseinheit 13 in der Resonanzröhre 11 gleichzeitig befestigt werden, was den zusammenbau des Wandlers 40 vereinfacht. Zusätzlich kann die Position der Trennwand 14 sehr einfach in Abhängigkeit mit dem Wechsel der Umgebungstemperatur eingestellt werden, wenn die Tonerzeugungsvorrichtung 41 verstellbar in der Reso nanzröhre 11 eingesetzt ist, wie in Fig. 7 gezeigt.

Ein Beispiel für einen elektrischen Schaltkreis, wie er in der Box 46 enthalten ist, ist in Fig. 8 gezeigt, wobei der elektrische Schaltkreis 460 einen Spannungsstabilisator 461 beinhaltet, welcher mit einer gegebenen konstanten Spannungs quelle (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Spannungsstabilisa tor 461 versorgt einen Lautstärkeregler 462, ein Bandpaßfil ter 463 und einen Verstärker 464, welche in der beschriebenen Weise miteinander verbunden sind, mit einer stabilisierten konstanten Spannung. Der Lautstärkeregler 462 ist entspre chend den akustischen Signalen ausgelegt, wie beispielsweise einem Tonlautstärkekontrollsignal S 1 und einem Wellenformsi gnal von einem gegebenen Außensystem. Bei Erhalt eines sol chen akustischen Signals gibt der Lautstärkeregler 462 ein Lautstärkesignal an den Lautsprecher 465 über den Bandpaßfil ter 463 und den Verstärker 464.

Im Falle der vorher beschriebenen Ausgestaltung ist ein Akustikwandler jeweils mit einer Resonanzröhre in Kombination mit nur einer Trennwand ausgestattet. Wie bemerkt, ist die Resonanzfrequenz des Wandlers abhängig von der Länge der Resonanzröhre und der Position der Trennwand. Somit sind die erzeugten Töne sehr einfach in Resonanz und, als eine Konse quenz, sehr arm in akustischer Variation. Obwohl die Trenn wand in der Resonanzröhre mehr oder weniger verstellbar ist, im Falle der vierten Ausgestaltung in Fig. 6 und 7 gezeigt, ist die Erweiterung durch die Verstellbarkeit nicht so signi fikant, als daß sie einen gewünschten Einfluß auf dem Reso nanzmode darstellt. Die folgenden Ausgestaltungen werden vorgeschlagen, um den Benutzeransprüchen bezüglich einer reichen akustischen Variation der Töne zu genügen.

Die fünfte Ausgestaltung eines Wandlers im Sinne der vorlie genden Erfindung ist in Fig. 9 gezeigt, wobei ein Wandler 50 ein hohles Gehäuse 51 umfaßt, welches in seinem Inneren durch die Zwischenwand 52 in zwei Kammern, 51 a und 51 b, geteilt ist. Eine Tonerzeugungseinheit 13 ist an einer Durchgangsöff nung in der Wand 52 in Richtung der ersten Kammer 51 a befe stigt. Drei Resonanzröhren 11 a bis 11 c sind auf dem Gehäuse 51 mit Öffnungen in die erste Kammer 51 a befestigt. Diese Resonanzröhren 11 a bis 11 c haben unterschiedliche Längen und Durchmesser, so daß sich die hierin geformten Resonanzluft säulen im Mode voneinander unterscheiden. Im Falle des darge stellten Beispiels ist die zweite Resonanzröhre 11 b die läng ste und dickste, während die dritte Resonanzröhre 11 c die kürzeste und dünnste ist.

Nahe ihren offenen Ende zur ersten Kammer 51 a weisen die Resonanzröhren 11 a bis 11 c Trennwände 14 a bis 14 c mit den Durchgangslöchern 17 a bis 17 c auf. Eine Durchgangsöffnung 53 durch die Außenwand der zweiten Kammer 51 b ist für den pneu matischen Austausch mit der Umgebung vorgesehen.

Wird ein Ton durch die Tonerzeugungseinheit 13 erzeugt, so resonieren einige der Resonanzröhren 11 a bis 11 c in verschie denen Modes und einige Resonanzröhren 11 a bis 11 c resonieren nicht. Somit erzeugt der Wandler 50 insgesamt sehr kompli zierte Resonanz und bereichert die akustischen Variationen der Tonerzeugung.

Die sechste Ausgestaltung, in Fig. 10 gezeigt, ist eine Modi fikation der in Fig. 9 gezeigten. Der Wandler 60 weist vier Resonanzröhren 11 a bis 11 d und zwei Tonerzeugungseinheiten 13 a und 13 b auf. Die Erhöhung der Anzahl von Tonerzeugungs einheiten bereichert wiederum das akustische Variationsver halten.

Claims

1. Elektrischer Akustikwandler mit einem Gehäuse, in dem mindestens eine Tonerzeugungseinheit mit einer Vibra tionsmembrane angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Resonanzröhre in Verbindung mit dem Inne ren des Gehäuses angeordnet ist, und daß in der Resonanz röhre eine der Tonerzeugungseinheit zugewandte Trennwand angeordnet ist, die sich senkrecht zur Achse der Resonanzröhre erstreckt und eine Durchgangsöffnung aufweist.

2. Akustikwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Resonanzröhre über ihre gesamte Länge konstant ist.

3. Akustikwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Resonanzröhre in Richtung an dem tonausstrahlenden Ende divergiert.

4. Akustikwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Resonanzröhre mindestens einmal in ihrer Länge örtlich vergrößert ist.

5. Akustikwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand mit der Tonerzeugungseinheit zu einer Baueinheit kombiniert ist und eine Toner zeugungsvorrichtung bildet, und daß die Tonerzeugungsvor richtung in axialer Richtung verschiebbar in der Reso nanzröhre angeordnet ist.

6. Akustikwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonerzeugungsvorrichtung an dem vor der Trennwand entferntliegenden Ende einen Ring aufweist, welcher eine erste konische Fläche aufweist, daß die Resonanzröhre in ihrem Inneren ein befestigtes Positionierungsstück mit einer zweiten konischen Oberfläche zum Kontakt mit der ersten konischen Fläche des Ringes aufweist, und daß die erste und zweite konische Fläche lösbar miteinander ver bunden sind.

7. Akustikwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Tonerzeugungseinheiten in dem Ge häuse angeordnet sind.

8. Akustikwandler nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Mehrzahl von Resonanzröhren mit dem Gehäuse verbunden sind.

9. Akustikwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens zwei der Resonanzröhren wenigstens in Länge, Querschnitt oder Position der Trennwand voneinan der unterscheiden.