DE3843050A1 - Elektrischer akustikwandler - Google Patents
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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 (9)
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.
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