DE4307655A1

DE4307655A1 - Lautsprecheranordnung

Info

Publication number: DE4307655A1
Application number: DE19934307655
Authority: DE
Inventors: Friedemann Dr Meggl
Original assignee: AUTOMATION DR MEGGL GmbH
Current assignee: AUTOMATION DR MEGGL GmbH
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2013-03-12
Also published as: DE4307655C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Lautsprecheranordnung zur Beschallung von Räumen, insbesonders von Wohnräumen.

Es soll eine Lautsprecheranordnung zur Beschallung von Räumen geschaffen werden, welche bei relativ kleinen Gehäuseabmessungen tiefe Frequenzen mit einem hohen Wirkungsgrad abstrahlen kann, und geringe Verzerrungen der reproduzierten Signale im Strahlungsfeld aufweist.

Zur Zeit existieren eine Vielzahl unterschiedlicher Lautsprecheranordnungen zur Beschallung von Räumen. Sie bestehen im allgemeinen aus geschlossenen oder mit Ausgleichsöffnungen versehenen Gehäusen, in welche einer oder mehrere Wandler zur Schallabstrahlung eingebaut sind. Eine andere Bauform ist die Schallwand, in welche relativ große Membranen eingebaut sind, die elektrodynamisch oder elektrostatisch in Bewegung versetzt werden. Eine weitere Bauform ist der Hornlautsprecher. Dabei strahlt die Membrane eines Wandlers in einen trichterförmigen Schallkanal, welcher zum zu beschallenden Raum eine deutlich größere Öffnung aufweist als die Membranfläche des Wandlers. Eine weitere Lösung welche sich mit dem Problem der Steigerung der Leistungsfähigkeit von Lautsprechern bei tiefen Frequenzen befaßt ist das sogenannte "Eckhorn". bei welchem ein Wandler an einen Trichter gefaltete Konfiguration angekoppelt ist und der Trichter so angeordnet ist, daß die Ecke eine Raumes als Mündung mitverwendet ist.

Ein wesentliches Ziel bei der Lautsprecherentwicklung ist es möglichst den gesamten Hörfrequenzbereich linear übertragen zu können. Ein weiteres Ziel ist es das Volumen möglichst klein zu halten. Dabei ist es aus Kostengründen gewünscht, daß der Wirkungsgrad gute Werte erreicht. Kleines Gehäusevolumen und guter Wirkungsgrad sind für die Abstrahlung von tiefen Frequenzen wiedersprüchliche Forderungen und nicht gleichzeitig gut erreichbar. Ein geschlossener Lautsprecher der Frequenzen bis 20 Hz mit annehmbarem Wirkungsgrad abstrahlen soll muß ein Gehäusevolumen von über 200 Litern aufweisen. Die meisten Wohnräume bieten dafür keinen Aufstellungsplatz. Eine Methode der Wirkungsgradverbesserung ist das Hornprinzip, Baßreflex- und Tranmission-line-Prinzip.

Die geschlossenen Lautsprecher haben aufgrund ihres einfachen Aufbaues die größte Verbreitung gefunden. Ihre Nachteile sind relativ geringe untere Grenzfrequenz bei noch praktikablen Volumina. Typische Daten eines geschlossenen Lautsprechers von 30 Litern Volumen sind eine untere Grenzfrequenz (-3dB) von 60 Hz bei einem Wirkungsgrad von 88 dB/W/m. Soll die Grenzfrequenz auf die Hälfte (30 Hz) gesenkt werden, beträgt der Wirkungsgrad nur noch 64 dB/W/m.

Mit Baßreflex- und Transmission-Line Anordnungen gelingt es in Teilen des Baßfrequenzbereiches den Wirkungsgrad um ca. 6 dB zu erhöhen. Dies wird durch die Ausbildung einer oder mehrer zusätzlicher Resonanzen neben der Grundresonanz des Masse-Feder-Systems des Wandlers erreicht, so daß diese Lautsprecher leichter zum Dröhnen neigen oder schwierig abzustimmen sind. Demgegenüber stehen erhöhte Aufwendungen an Material und Qualität der Wandler. Eine deutliche Verbesserung wird damit nicht erreicht.

Hornlautsprecher haben aufgrund einer guten Anpassung der mechanischen Impedanz des Wandlers an den Strahlungswiderstand der Luft, was durch Impedanztransformation des Hornes erreicht wird, einen sehr guten Wirkungsgrad, benötigen aber noch größere Gehäuse zur Abstrahlung einer vorgegebenen tiefen Frequenz als vergleichbare geschlossene Lautsprecherboxen. Sie sind spezialisiert hohe Schalldrücke zu erzeugen. Für die Beschallung von Wohnräumen sind Hornlautsprecher unpraktikabel groß. Der Gehäuseaufwand für ein gefaltetes Horn ist für eine solche Anwendung unwirtschaftlich.

Die meisten Lautsprecher sind für eine freie Aufstellung vorgesehen und derart abgestimmt, daß sie für die vorgesehene Aufstellung einen mehr oder weniger linearen Frequenzgang haben. Daneben wurden auch Lautsprecher bekannt, die in Wände oder die Decke des zu beschallenden Raumes, eingebaut sind (RPS 524615). Darüber hinaus sind Lautsprecher bekannt, welche für die Aufstellung in einer Raumecke vorgesehen sind. Diese haben den Vorteil wenig Platz für die Aufstellung zu benötigen. Zum Beispiel wurden offene Lautsprechersysteme (RPS 568 088, RPS 952 360, RPS 968 492) vorgeschlagen. Der offene Aufbau ist in angezogenen Konstruktionen deshalb gewählt um die bei dieser Anordnung in einer Raumecke typisch entstehenden Verfälschungen des Frequenzganges zu unterdrücken. Sie sind deshalb nicht geeignet sehr tiefe Frequenzen abzustrahlen, da sich der Schalldruck zwischen Vor- und Rückseite der Membranen bei tiefen Frequenzen durch einen akustischen Kurzschluß auslöscht.

In der Patentschriften RPS 691 238 ist ein geschlossenes Lautsprechersystem beschrieben, welches aber die typischen Einschränkungen bei tiefen Frequenzen durch das geschlossene Luftvolumen aufweist und zur Abstrahlung tiefer Frequenzen ebenfalls ein sehr großes Volumen benötigt. In der Auslegeschrift DAS 1 044 890 wird die Konstruktion eines geschlossenen Lautsprechers vorgestellt, der auch als Ecklautsprechers verwendet werden kann. Infolge von im Gehäuse eingebauten, abgeschlossenen Schalleitungen verschiedener Länge wird ein besseres Impuls- und Frequenzverhalten erreicht. Allerdings läßt diese Konstruktion ebenfalls nicht die Abstrahlung sehr tiefer Frequenzen mit nennenswertem Wirkungsgrad zu.

Zur Lösung des Problems wird in der DAS 1 166 269 vorgeschlagen vor die Membrane des Wandlers eine zweite Membrane anzubringen, welche vom Wandler in Schwingungen angeregt wird und, infolge der höheren Membranfläche in Resonanzbereichen der Passivmembrane eine Abstrahlung mit höherem Wirkungsgrad erfolgt. Außerhalb dieser Resonanz ist das Verhalten ungünstiger, was zu einem stark nichtlinearen Frequenzgang führt. Die erzielbare Verbesserung ist nicht erheblich.

Vorgenannte Konstruktionen von Ecklautsprechern stellen keine Verbesserung des Problems dar, nämlich aus kleinen Volumina sehr tiefe Frequenzen mit gutem Wirkungsgrad abzustrahlen. Demgegenüber haben diese Lösungsvorschläge den Nachteil eines stark nichtlinearen Frequenzganges, was in den akustischen Gesetzen über den Frequenzverlauf von Strahlungswiderständen bei der Eckaufstellung begründet ist. Aus diesem Grunde haben diese Lösungen für Hi-Fi Wiedergabe keine Bedeutung erlangt.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Lautsprecheranordnung zu schaffen, die bei relativ kleinen Volumina tiefste Hörfrequenzen mit einem guten Wirkungsgrad abstrahlen kann. Eine weitere Aufgabe ist es, daß die Lautsprecheranordnung wirtschaftlich gefertigt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Lautsprecheranordnung, in einer Raumecke aufgestellt oder eingebaut, ein Gehäuse 2 aufweist, das vom Boden 7a bis zur Decke 7b des Raumes reicht. Breite und Tiefe des Gehäuses sind mindestens viermal kleiner als die Gehäusehöhe, so daß das Gehäuse eine akustische Laufzeitleitung bildet. Das Gehäuse hat jeweils eine Abstrahlzentrum 3, 4 am bodenseitigen Ende 6 und deckenseitigen Ende 5, deren Schall durch die Begrenzungsflächen des Raumes aus den Raumecken geleitet wird. Es ist mindestens ein elektroakustischer Wandler 1 eingebaut in der Weise, daß seine Membrane nach außen in den Raum strahlt und rückwärtig die Luftsäule im Gehäuse anregt.

Der Wandler kann an einem Ende 6 des Gehäuses 2 eingebaut sein wobei am anderen Ende 5 des Gehäuses sich eine Schallöffnung 4 befindet. Einer oder mehrere Wandler 1 können auf halber Höhe in das Gehäuse 2 eingebaut sein, wobei sich an beiden Enden des Gehäuses 5, 6 sich jeweils ein Schallausgang 3, 4 befindet.

Der Vorteil der Erfindung ist es, daß mit relativ geringem Aufwand Lautsprecher mit tiefer unterer Grenzfrequenz und gutem Wirkungsgrad hergestellt werden können. Ein weiterer Vorteil ist es die Lautsprecher in relativ kleinen Wohnräumen unauffällig und mit wenig Platzaufwand aufzustellen.

Der überraschende Effekt der Wirkungsgradverbesserung ergibt sich durch eine gute Anpassung der mechanischen Impedanz des Wandlers an den Strahlungswiderstand des Schallfeldes durch die vorgestellte Kombination von Laufzeitleitung mit Schallausleitung über die Raumecke (ähnlich Horneffekt) und Rückwirkung der Strahlungsfelder auf die Quellimpedanzen. Dem schwingenden System des Wandlers wird dann relativ viel Energie durch Schallabstrahlung entzogen, so daß im Arbeitsfrequenzbereich keine Energiespeicherung und Resonanzen auftreten. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß die Impedanzkurve des Wandlers im Übertragungsbereich sehr linear ist (ohne Resonanzüberhöhungen). Es wird ein größerer Anteil der elektrischen Energie in Schallenergie umgesetzt.

In Abb. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Lautsprecheranordnung besteht aus einem dreieckförmigen Gehäuse 2 das in einer Raumecke aufgestellt ist und annähernd oder komplett vom Boden 7a bis zur Decke 7b reicht. Das Gehäuse 2 stellt eine Laufzeitleitung dar, welche auf dem bodenseitigen Ende 6 abgeschlossen ist und an dem deckenseitigen Ende 5 einen passiven Schallausgang 4 aufweist. Ein elektroakustischer Wandler 1 ist am bodenseitigen Ende der Laufzeitleitung derartig eingebaut, daß er mit der rückwärtigen Fläche seiner Membrane Schallenergie in die Laufzeitleitung einspeist und mit der vorderwärtigen Fläche in den Raum abstrahlt.

Das Gehäuse ist an den Rückwänden mit einem dämpfenden Belag beschichtet, damit wenig Schwingungen in die anliegenden Raumwände eingeleitet werden. Als vorteilhaft haben sich Filz oder Moosgummi erwiesen. Das Gehäuse ist sinnvollerweise mit Beschlägen versehen, so daß es an den Wänden befestigt werden kann.

Die Laufzeitleitung sollte mit wenig Dämpfungsmaterial ausgefüllt sein. Auf das Dämpfungsmaterial kann gänzlich verzichtet werden, wenn an den geometrischen Stellen der Druckknotenpunkte von Lambda/2- und 3/4Lambda-Resonanz der Laufzeitleitung Ausgleichsöffnungen 20 angebracht sind, die ohne, aber besser mit Material ausgefüllt sind, welches der Luftströmung einen Fließwiderstand entgegenbringt.

Je nach Querschnitt der Laufzeitleitung, Membranfläche des Wandlers 1, Federsteifigkeit und schwingender Masse des Wandlers, sowie Querschnitt der Schallöffnung 4 verändert sich der Frequenzgang und Grenzfrequenz der Anordnung. Bei optimaler Dimensionierung der erfindungsgemäßen Lautsprecheranordnung ergibt sich, daß die Querschnittsfläche der Laufzeitleitung nicht größer ist als die Membranfläche des Wandlers.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Laufzeitleitung 240 cm lang, hat einen Querschnitt von 112 cm² und einen Querschnitt des Schallausganges von 112 cm². Der Wandler hat eine Membranfläche von 380 cm². Mit dieser Anordnung können 25 Hz mit einem Wirkungsgrad von 91 dB/W/m reproduziert werden.

Bei diversen Dimensionierungen der Anordnung tritt typisch eine Verstärkung im Frequenzbereich um 200 Hz auf. Durch geschickte Wahl der Übergangsfrequenz einer dem Wandler vorgeschalteten Frequenzweiche wird diese Überhöhung vermieden. Die Übergangsfrequenz eines vorgeschalteten Tiefpasses wird zur Vermeidung des Effektes unter 200 Hz gelegt. Ist es erwünscht den Wandler auch über Frequenzen von 200 Hz hinaus zu betreiben, so wird dem Wandler eine Bandsperre vorgeschaltet, die den Frequenzbereich zwischen 100 und 300 Hz dämpft. Die Bandsperre kann z. B. wie in Fig. 4 dargestellt, ausgestaltet sein. In der Zuleitung zum Wandler befindet sich dann Netzwerk aus der Parallelschaltung einer Induktivität 16, Kapazität 15 und gegebenenfalls eines Widerstandes 17.

Auf die Gehäuserückwände kann auch verzichtet werden, da die Raumwände 8 bereits einen Abschluß bilden (Fig. 3). Dabei ist darauf zu achten, daß die Schallwand 10 luftdicht zu den Raumwänden 8 mit Dichtmasse 12 montiert wird. Als vorteilhaft hat sich das Einkleben der Schallwand mit Silicon- oder Acryldichtmasse erwiesen. Sehr gute Schwingungsfreiheit wird mit einer Schallwand aus Stein oder keramischem Material erreicht. Die Schallwand wird dann in die Raumecke eingemauert.

Zur Abstrahlung des Mittel- und Hochtonbereiches können an der Frontseite in beliebiger Art Mittel/Hochtonlautsprecher (9) eingebaut sein. Besonders gute Ergebnisse in Bezug auf präzise Stereoabbildung werden erreicht, wenn ein Hochtöner unmittelbar zwischen zwei Mitteltöner angebracht wird (Fig. 1).

Ebenfalls vorteilhaft ist es einen Mittel-Hochton-Bändchenlautsprecher einzusetzen. Seine Längsabmessung sollte größer sein als die halbe Schallwandhöhe (siehe Fig. 5).

Das Ausführungsbeispiel ist nicht auf die Abb. 1 beschränkt. Es ist ebenso möglich den Wandler 1 deckenseitig in die Laufzeitleitung und den passiven Schallausgang 4 bodenseitig zu orientieren.

Weiter ist möglich den Wandler an einer anderen Stelle des Gehäuses 2 einzubauen. Das Gehäuse hat dann boden- und deckenseitig jeweils einen passiven Schallausgang 3, 4. Ein bevorzugter Einbauort für den Wandler 1 ist am Ende oder etwa der Mitte des Gehäuses.

Der mittige Einbau des Wandlers ist Fig. 6 dargestellt. Das Gehäuse reicht etwa vom Boden 7a bis zur Decke 7b des Raumes und hat an den Enden 5, 6, die in jeweils einer Raumecke liegen jeweils einen Schallausgang 3, 4. Etwa in halber Höhe des Gehäuses sind zwei Wandler 1 eingebaut, die nach außen in Raum abstrahlen und nach rückwärts die Luftsäule im Inneren des Gehäuses anregen. Zur Abstrahlung der hohen Frequenzen ist in Nachbarschaft zu den Wandlern 1 ein zusätzlicher Wandler 9 in das Gehäuse 2 eingebaut.

Eine einfache Bauweise ist es für das Gehäuse ein Rohr zu verwenden (Fig. 7). Der Querschnitt des Rohres soll nicht größer als die Membranfläche des Wandlers sein.

Claims

1. Lautsprecheranordnung für die Beschallung von Räumen, mit einem Gehäuse (2) für die Aufstellung oder den Einbau in einer Raumecke, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse etwa vom Boden (7a) bis zur Decke (7b) des Raumes reicht, daß die Breite und Tiefe des Gehäuses mindestens viermal kleiner sind als die Gehäusehöhe, daß das Gehäuse jeweils ein Abstrahlzentrum (3, 4) am bodenseitigen Ende (6) und deckenseitigen Ende (5) hat, daß ein elektroakustischer Wandler (1) eingebaut ist in der Weise daß seine Membrane nach außen in den Raum strahlt und rückwärtig die Luftsäule im Gehäuse anregt.

2. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende (6) des Gehäuses (2) die Abstrahlung des Schalles von einem in das Gehäuse eingebauten Wandler (1) erfolgt und am anderen Ende (5) des Gehäuses von einer Schallöffnung (4).

3. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Wandler (1) ca. auf halber Höhe in das Gehäuse (2) eingebaut sind, und daß an beiden Enden (5, 6) des Gehäuses (2) sich jeweils eine Schallöffnung (3, 4) befindet.

4. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die innere freie Querschnittsfläche des Gehäuses (2) nicht größer als die gesamte abstrahlenden Fläche des oder der Wandlers (1) ist.

5. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wandler (1) zur Anregung vorgesehen sind.

6. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in das Gehäuse zusätzlich ein oder mehrere elektroakustische Wandler (9) eingebaut sind zur Abstrahlung vornehmlich des mittleren und höheren Frequenzbereiches.

7. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß an den nicht raumzugewandten Seiten (10) des Gehäuses (2) Materialien (11) aufgebracht sind, welche Schwingungen abdämpfen, die in die Raumwände (8) eingeleitet werden.

8. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (4) etwa die gleiche Querschnittsfläche aufweist als diejenige des Gehäuses.

9. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einer ebenen, trapezförmigen oder gekrümmten Schallwand (10) besteht und die rückwärtigen Begrenzungsflächen des Volumens von den Raumwänden (8) gebildet werden.

10. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwand (10) fest in die Raumecke eingebaut ist.

11. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwand aus keramischem Material besteht.

12. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) mit Vorrichtungen zur Befestigung an den Raumwänden (8) ausgestattet ist.

13. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Maßnahmen vorgesehen sind den frequenzbezogenen Schalldruckverlauf zu korrigieren.

14. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß Maßnahmen vorgesehen sind welche geeignet sind den Frequenzgang des Wandlers bei Übertragungsfrequenzen unterhalb von 200 Hz mit steigenden Frequenzen kontinuierlich abzuschwächen.

15. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß der Abschwächungsfaktor dieser Maßnahmen 12 dB/Oktave oder mehr beträgt.

16. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung von Schallanteilen höherer Frequenzen eine Frequenzweiche mit Kondensator (13) parallel zur elektrischen Speisung des Wandlers und eine Induktivität (14) in Serie zur Speisung des Wandlers verwendet wird.

17. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß in der elektrischen Lautsprecherzuleitung neben einem Netzwerk (18) zur Begrenzung der oberen Grenzfrequenz ein weiteres Netzwerk vorgesehen ist zur Dämpfung des Frequenzbereiches zwischen 100 Hz und 300 Hz in der Art einer Bandsperre.

18. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, daß die Bandsperre aus einer Parallelschaltung eines Kondensators (15) mit Induktivität (16) und gegebenenfalls eines Widerstandes (17) besteht, welche in Serie zur elektrischen Einspeisung des Wandlers geschaltet wird.

19. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß zur Abstrahlung der mittleren und höheren Frequenzen ein Bändchenstrahler (19) eingebaut ist.

20. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Bändchenstrahlers (19) mindestens die halbe Höhenabmessung des Gehäuses (2) beträgt.

21. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse an einer oder mehreren Stellen zusätzliche Ausgleichsöffnungen (20) aufweist die einen Druckausgleich nach außen zulassen.

22. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 21 dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsöffnungen (20) mit Materialien verschlossen sind, die der Luftströmung einen Fließwiderstand entgegensetzen.

23. Lautsprecheranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) einen dreieckigen oder runden Querschnitt hat.