DE591587C - Schallfuehrung fuer Grossflaechenmembran-Lautsprecher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine. Einrichtung zur Schallführung bei Lautsprechern. Bei Lautsprechermembranen, insbesondere bei größeren, treten bei hohen Frequenzen verscliiedene Schwierigkeiten auf, die der Erzielung eines ausreichenden und für alle Frequenzen gleichmäßigen Wirkungsgrades des Lautsprechers hinderlich sind. Da größere Membranen meist auch spezifisch schwerer sind, tritt hier der bekannte Nachteil besonders in Erscheinung, daß die zu bewegenden Luftmassen bei höheren Frequenzen klein werden im Vergleich zu der spezifisch relativ schweren Membranen. Ferner schwingen die verschiedenen Teile der Membran nicht mehr gleichphasig, sondern es bilden sich sogenannte stehende Wellen an der Oberfläche der Membran aus.

. Durch die Interferenz der gleichzeitig positiv und negativ ausschwingenden Gebiete der

äo Membran wird die Strahlwirkung für gewisse Frequenzen mehr oder weniger unterdrückt. Außerdem werden durch die stehenden Wellen die Angriffspunkte der Kraft selektiv verschieden belastet, so daß die übertragene mechanische Gesamtleistung innerhalb gewisser Tonintervalle von Maximal- zu Minimalwerten schwankt. Ferner besteht bei allen großen Membranen die Schwierigkeit der selektiven Richtwirluing bei hohen Frequenzen. Hat man es endlich mit Membranen von einer gewissen Tiefenausdehnung, z. B. mit Konusmembranen zu tun, so interferieren außerdem bereits die aus verschiedenen Tiefen kommenden Schallerregungen miteinander.

Die Verschlechterung des Wirkungsgrades wegen der zu kleinen Luftreaktion würde sich durch Trichter mit Drucktransformation beheben lassen. Die Richtwirkung und die Interferenz der Schallbeiträge aus verschiedenen Teilen würde sich, falls die Membran gleichphasig schwingt, durch Anwendung einer Schallführung, bei der die Schallschwingungen in mehreren Schallkanälen von gleicher Länge zum Anfang eines Trichters geleiten werden, ebenfalls beheben lassen. Bei hohen Frequenzen jedoch, bei denen ein ungleichmäßiges Schwingen der Membranteile sich nicht vermeiden läßt, ist die Anwendung einer derartigen Schallführung nicht zweckdienlich.

Ausgehend von dem Gedanken, daß der Wirkungsgrad der Lautsprecher bei der Wiedergabe der tiefen Frequenzen meist ausreicht, eine Verbesserung des Wirkungsgrades also nur bei hohen Frequenzen notwendig ist, wird gemäß der Erfindung eine Schallführung vorgesehen, die die Drucktransformation, besonders für die hohen Frequenzen, wirksam macht und die Interferenz der einzelnen Schallbeiträge sowie die Richtwirkung der hohen Frequenzen vermeidet. Ein einzelner Trichter, der alle von einer Membran kommenden Schwingungen unter Anwendung der Drucktransformation gemeinsam verarbeitet, eignet sich infolge der Interferenz ebenso wenig wie die bekannten

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Anordnungen, bei denen mehrere einzelne, verschieden bemessene Trichter über einen gemeinsamen Druckraum angeordnet sind, zur Verbesserung der Wiedergabe der hohen Frequenzen. Da bei den hohen Frequenzen, um gute Wirkungsgrade zu erzielen, keine großen Divergenzradien erforderlich sind, kann man Schallführungen wählen, die sich schnell erweitern, also kurze Trichter mit großem öffnungswinkel

ίο verwenden. Ein näherer Hinweis auf das Wesen der Drucktransformation und der Divergenzradien erübrigt sich im Rahmen dieser Beschreibung. Eine eingehende Erläuterung findet sich in dem Buch »Die wissenschaftlichen Grundlagen des Rundfunkempfangs 1927«, insbesondere S. 114 und S. 121.

Würde man den Gedanken, kurze Trichter mit großem öffnungswinkel zu verwenden, jedoch in der Weise zur Ausführung bringen, daß man den Schall von der Membran zunächst an der Membran entlang führt, etwa bis zur Mitte und dort in einem kurzen weitwinkligen Trichter nach außen abströmen lassen, so würde ein geringer Wirkungsgrad und starke Inte'rferenzen die notwendige Folge sein. Die von den verschiedenen Teilen der Membran nach der Mitte zu strömenden Schallerregungen würden nämlich wegen der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft schon bei gleichphasig schwingender Membran mit ganz verschiedener Phase am Trichteranfang ankommen und sich bei bestimmten Frequenzen völlig gegenseitig aufheben. Dadurch, daß die Membran nun noch in stehenden Wellen mit flächenweise entgegengesetzter Phase schwingt, wird das Bild noch wesentlich komplizierter.

Gemäß der Erfindung werden die vorstehend angeführten Mängel dadurch beseitigt, daß eine Schallführung auf das Lautsprechersystem (Membran und Antrieb) aufgesetzt wird, bei der über die Membran verteilte kurze Schalltrichter bzw. Schalltrichterringe der Membran gegenüberliegend so nahe beieinander angeordnet sind, daß an der Eintrittsstelle der von der Membran abgestrahlten Schallschwingungen in die Schalltrichter die halbe Entfernung zwischen den Mitten zweier benachbarter Schalltrichteröffnungen bzw. zwischen den Ringmitten 1 . . . 4 der öffnungen zweier benachbarter Trichterringe gleich oder kleiner ist als das i^x/₂fache

der Phasenlänge der Welle der höchsten

noch unverzerrt wiederzugebenden Frequenz, und der Abstand der die Trichterbasis bildenden Teile I ... IV von der Membran b so gering ist, daß eine merkbare Drucktransformation auftritt..

Hierdurch wird erreicht, daß längs des Schallweges von jedem Punkt der Membran bis zur Mitte des nächsten Schalltrichterhalses Schallinterferenzen durch Luftschallverzögerung nicht mehr auftreten,
man den Wert

Als Phasenlänge bezeichnet , das ist derjenige Teil der

Wellenlänge, um den zwei Schallbeträge interferieren können, ohne daß diese Interferenz merklich störbar wirkt. Die von dem in der Mitte zwischen zwei Schalltrichterhälsen liegenden Membranteile ausgehenden Schallschwingungen und die von dem unmittelbar unter dem Schalltrichterhals liegenden Membranteil abgestrahlten Schallschwingungen kommen am Schalltrichter mit einer maximalen Phasenverschiebung von -~— an. Hierbei ist allerdings

vorausgesetzt, daß ein merklicher Phasenunterschied in dem Schwingungsvorgang der Membran an zwei Punkten, die unter benachbarten Schalltrichterhälsen liegen, nicht besteht. Diese Zusatzbedingung läßt sich jedoch für Entfernungen der Schalltrichterhälse, die der soeben genannten Bedingung genügen, bei Großmembranen von üblichem Material (Aluminiumblech, Spezialpapier) und nicht zu großen Krümmungsradius (bis etwa 10 cm) erfüllen. Es wird dann zwar eine gewisse, aus Luftschallverzögerung und Ungleichphasigke.it der Mernbranschwingung kombinierte Phasenverschiebung bestehen zwischen den aus zwei benachbarten Schalltrichtern kommenden Schwingungen, doch wird sich diese Phasenverschiebung unter den angegebenen Bedingungen erst bei den höchsten noch wiederzugebenden Frequenzen bemerkbar machen. Bei tieferen Frequenzen können nur die Phasenverschiebungen zwischen nicht unmittelbar benachbarten Schalltrichtern, infolge der Ungleichphasigkeit der Membranbewegung, größere Werte erreichen; hier kann jedoch Abhilfe dadurch schaffen, daß man die Schalltrichter so anordnet, daß ihre Achsen gegeneinander geneigt sind. Es können bei einer derartigen Anordnung die unter entfernteren Schalltrichterhalsöffnungen liegenden Membranteile sogar gegenphasig schwingen, ohne daß wegen der Trennung der Schallwege durch die Trichterwände die in einer Richtung und im ganzen ausgestrahlte Schalleistung dadurch wesentlich beeinflußt wird. Bei Frequenzen, die so hoch sind, daß ihre Phasenlänge klein gegen den Mündungsdurchmesser der no einzelnen Trichter ist, strahlt sogar die aus jedem Einzeltrichter kommende Schallerregung, bereits ziemlich unabhängig vom nächst benachbarten Trichter, als Teil einer Kugelwelle in den Raum. Jeder Teil der Membran bestrahlt n₅ also einen schmalen Winkel des Raumes. Interferenzen sind erst in sehr großen Entfernungen möglich.

Bei etwas tieferen Frequenzen, bei denen die Phasenlänge der Welle die Durchmesser der Einzeltrichteröffnungen an der Schallaustrittsstellc zu übersteigen beginnt, wird allerdings

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ein Zusammenwirken der aus je zwei nächst benachbarten Trichtern kommenden Schall erregung schon merklich. Würden auch hei diesen Frequenzen zwei benachbarte Trichter die Schallschwingungen noch in angenähert entgegengesetzter Phase axissenden, so würden zwei schädliche Effekte auftreten. Erstens würde der Schall an der Austrittsstelle jedes Einzeltrichters eine plötzliche Ausbreitungsmöglich -

ίο keit in das Nachbargebiet entgegengesetzten Schalldruckes haben. Es würde also, falls die Trichterlänge größer als die öffnungsweite ist, merkliche Schallreflektion und damit Trichterselektivität auftreten können. Zweitens würden aber die Schallwellen außerhalb der Trichter erheblich interferieren und dadurch gewisse Frequenzgebiete schwächen, andere dagegen verstärken. Diese Mängel können dadurch behoben werden, daß man die Einzeltrichter so lang macht, daß ihr Öffnungsdurchmesser an der Schallaustrittsstelle größer ist als die Phasenlänge der Wellen derjenigen Frequenzen, bei denen die Membran unter benachbarten Schalltrichterhälsen praktisch nicht mehr gleichphasig schwingt. Ist diese Bedingung erfüllt, so läuft also auch bei Frequenzen, deren Phasenlänge etwas größer ist als der Durchmesser der Trichteröffnungen, der Schall noch in einer durch die Ausbreitung des praktisch gleichphasigen Nachbarschalls eingeengten Bahn weiter. Die Anordnung wirkt also so, als ob die Einzeltrichter noch um ein Mehrfaches verlängert wären, und die Drucktransformation kommt im vollen Umfange zur Geltung. Die gewünschte Drucktransformation läßt sich in bekannter Weise durch die Weite der Trichter-. öffnungen und durch den Abstand der Trichterbasis von der Membran an der Schalleintrittsstelle bestimmen. Durch die verschiedene Achsrichtung der Einzeltrichter hebt man gleichzeitig die selektive Richtwirkung bei hohen Frequenzen auf.

Da zur Zeit als höchste noch unverzerrt wiederzugebende Frequenz etwa 10 000 Hertz in Frage kommen, so soll im folgenden die Entfernung zwischen zwei Schalltrichtermitten bzw. zwischen den Ringmitten der Trichterringe an der Schalleintrittsstelle für diese Frequenz errechnet werden. Als Fortpflanzungsmedium für die Schallschwingungen kommt Luft in Frage mit einer Schallausbreitungsgeschwindigkeit von 330 m in der Sekunde. Die Wellenlänge

ergibt sich demnach zu λ == ■^J-^J-------- =.— 33 mm.

^b 10 OC)(I ^JJ

Die Phasenlängc beträgt demnach

λ 2 π

.-. 5,5 mm.

Nimmt man ein geringes Absinken des Wirkungsgrades mit in Kauf, so ist noch das I¹/.,fache dieser Länge, somit für die Entfernung zwischen zwei Trichtermitten die Iintfernung von 3 χ 5,5 = i6,5 mm zulässig. Falls es genügt, als höchste noch unverzerrt wiederzugebende Frequenz die Frequenz von 5000 Hertz anzusehen, so errechnet sich die Entfernung zwischen zwei Schalltrichtermitten an der Schalleintrittsstelle zu rund 35 mm.

Was die gleichphasig schwingenden Gebiete der Membran betrifft, so sind diese, wie bereits erwähnt, leicht länger zu halten als die entsprechende halbe Wellenlänge in Luft. Für eine halbkugelförmige Alummiummembran von 40 cm Durchmesser ist beispielsweise eine Abmessung von 52,5 mm für die gleichphasig schwingenden Gebiete errechnet worden. Durch die Bedingungen für Luft sind also die Bedingungen für die Membran bereits miterfüllt. Handelt es sich um Konusmembranen, so wird die Entfernung von 52,5 mm etwa für den mittleren Teil des Konus zutreffen, während die äußeren Teile wegen der abnehmenden Krümmung kleinere Dimensionen der gleichphasig schwingenden Gebiete aufweisen dürften. Bei Papiermembranen von gleichem Krümmungsradius scheint es so gut wie sicher, daß schon bei 5000 Hertz die gleichphasig schwingenden Gebiete unter 1 cm sinken. Es ist also zweckmäßig, für das geplante Vorgehen Membranen aus möglichst hartem Material und von nicht zu großem Krümmungsradius zu benutzen.

Da eine gemäß der Erfindung ausgebildete Schallführung, wie in einem der vorstehenden Absätze beschrieben, besonders zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei hohen Frequenzen geeignet ist, bei tiefen Frequenzen der Einfluß einer derartigen Schallführung gering ist, können, falls auch im Gebiete der tieferen Frequenzen eine Wirkungsgraderhöhung zweckmäßig erscheint, die Ränder der Einzeltrichter an der Schallaustrittsstelle zu einem zweckmäßig zusammenhängenden Schallschirm ausgebildet oder in einem besonderen Schallschirm eingesetzt sein. Besonders einfach gestaltet sich die An-Ordnung der einzelnen Trichter bei einer Konusmembran.

Die Fig. 1 zeigt eine Konusmembran a, bei der die gestrichelte Linie eine beispielsweise Ausbildung der stehenden Wellen angiebt. Zieht man unter Benutzung der Konusspitze als Mittelpunkt auf der Konusoberfläche Kreise axial zur Konusachse und betrachtet man die einzelnen Punkte eines solchen Kreises, so ergibt sich, daß alle auf einem derartigen Kreisumfang liegenden Membranteile sich in gleichem Sinne durchbiegen, also gleichphasig schwingen. Man kann demnach die auf dem Umfang eines solchen Kreises liegenden Einzeltrichter, da eine Interferenz zwischen den aus den einzelnen Trichtern kommenden Schallbeiträgen nicht ■besteht, zu Trichterringen zusammenfassen.

Eine aus solchen Trichterringen zusammengesetzte Schallführung zeigt Fig. 2. Die einzelnen axial um die Achse der Konusmembran /; unter Zwischenfügung eines Drucktransformationsraumes c angeordneten Trichterringe sind mit I bis IV, ihre Mittellinien, die für die Richtung der Schallausbreitung maßgebend und gegeneinander geneigt sind, sind mit ι bis 4 bezeichnet. Die Begrenzung der Trichterringe erfolgt durch koaxiale Kegelstümpfe d, e, f, g, von denen der mit d bezeichnete in einem Ansatz d' fortgesetzt ist, der als Schallschirm dient.

Eine weitere Anwendungsform des Erfmdungsgedankens besteht darin, daß man nur den zentralen Teil einer Membran, insbesondere einer Konusmembran, mit einer Schallführung gemäß der Erfindung versieht. Bei tiefen Frequenzen wirkt sich dann der durch die Größe der Membran vergrößerte Divergenzradius günstig aus, während bei hohen Frequenzen, infolge der jetzt wirksam werdenden Drucktransformation des mittleren Teils, hauptsächlich dieser den Wirkungsgrad bestimmt.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Schallführung für Großflächenmembran-Lautsprecher, bei der über die Membran verteilte kurze Schalltrichter bzw. Schalltrichterringe der Membran, gegenüberliegend so nahe beisammen angeordnet sind, daß an der Eintrittsstelle der von der Membran abgestrahlten Schallschwingungen in die Schalltrichter die halbe Entfernung zwischen den Mitten zweier benachbarter · Schalltrichteröffnungen bzw. zwischen den Ringmitten (1 ... 4) der Öffnungen zweier benachbarter Trichterringe gleich oder kleiner

   ist als das i^fache der Phasenlänge l·^

   der Welle der höchsten noch unverzerrt wiederzugebenden Frequenz, und der Abstand der die Trichterbasis bildenden Teile (I ... IV) von der Membran (b) so gering ist, daß eine merkbare Drucktransformation auftritt.
2. 2. Schallführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der einzelnen Schalltrichter bzw. die entsprechenden Achsen (1 ... 4) bei Zusammenfassung der Einzeltrichter zu Trichterringen gegeneinander geneigt sind.
3. 3. Schallführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Entfernung bei einer unverzerrt wiederzugebenden Frequenz von höchstens 5000 Hertz gleich oder kleiner als 35 mm ist.
4. 4. Schallführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der öffnungswinkel der Einzeltrichter an der Schallaustrittssteile größer ist als die Phasenlänge der Wellen derjenigen Frequenzen, bei denen die Membran unter je zwei benachbarten Trichtern praktisch nicht mehr gleichphasig schwingt.
5. 5. Schallführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des oder der am weitesten außen angeordneten Einzeltrichter an der. Schallaustrittsstelle zu einem zweckmäßig zusammenhängenden Schallschirm ausgebildet oder in einem besonderen Schallschirm eingesetzt ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen