DE593202C - Direkt wirkender Schallausstrahler - Google Patents
Direkt wirkender SchallausstrahlerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Lautsprecher mit Membranen, die die Schallwellen direkt aussenden
und insbesondere auf Traganordnungen für trägheitgesteuerte Lautsprecher mit Kolbenmembranen,
die die Form eines Kegels, einer steifen Platte o. dgl. haben.
Wenn Membrane dieser Art in Lautsprechern mit beweglichen Spulen oder in Lautsprechern
ähnlicher Bauart benutzt werden, haben sie gewohnlich verhältnismäßig kleine Abmessungen
und müssen deshalb mit irgendeiner Hemmvorrichtung ausgesetzt werden. " Wenn eine derartige
Anordnung nicht vorhanden ist, spricht der Schallausstrahler in unbefriedigender Weise
an, weil die Schallwellen auf beiden Seiten der Membran einander derart beeinflussen, daß sie
sich zum Teil gegenseitig aufheben. Die Membran wurde deshalb früher gewöhnlich in einer
Öffnung in einer großen ebenen Platte o. dgl.
ao angeordnet, die als Hemm vorrichtung zwischen
den vorderen und den rückwärtigen Wellen wirkte, wobei die Membran am Rand von einem Tragkörper gehalten wurde, der eine geringe
Elastizität hatte, so daß die Membran eine niedrige Eigenperiode erhielt. Da aber der
Ausstrahlungswiderstand der Luft bei niedrigen Frequenzen ebenfalls niedrig ist, entstand bei
dieser Bauart eine große Niederfrequenzspitze in der Ansprechkurve, was selbstverständlich
als Nachteil empfunden wurde, und ein weiterer Nachteil bestand darin, daß diese Anordnung
sehr große Abmessungen bekam.
Um die notwendige Hemmvorrichtung bei sehr niedrigen Frequenzen zu erhalten, ohne
dem Apparat unzweckmäßig große Abmessungen geben zu müssen, werden die Kegelmembranen
neuerdings in Schränken oder Kästen mäßiger Größe untergebracht, die auf der
Rückseite offen sind. Hierdurch gelingt es, die gegenseitige Aufhebungswirkung von ' Schallwellen
stark zu verringern; aber gleichzeitig entstehen andere Unregelmäßigkeiten in der Frequenzwiedergabe,
weil die Wände des Kastens die Schallwellen reflektieren. Einige der reflektierten
Wellen kehren zur Membran zurück, und zwar außer Phase mit der Membranbewegung, wodurch diese Bewegung verzögert wird, und
andere Wellen werden in Phase reflektiert, wodurch die Amplitude der Eigenbewegung der
Membran erhöht wird, und Resonanzwirkungen entstehen, die hohle Töne erzeugen. Es ist vorgeschlagen
worden, zwecks Verringerung dieser Wirkungen den Kasten mit schallabsorbierendem
Material auszufüttern oder solches Material auf andere Weise im Kasten anzuordnen. Hierdurch
wird die Resonanz im oberen Teil des Frequenzbereiches im wesentlichen beseitigt,
aber diese Dämpfung ist bei niedrigen Fre-
quenzen wenig wirksam, weil die Dämpfungsschichten mit Bezug auf die Wellenlängen verhältnismäßig
dünn sind.
Es könnte zweckmäßig erscheinen, die offene Seite des Kastens einfach abzuschließen, um
dadurch zu verhindern, daß die von der rückwärtigen Seite der Membran ausgestrahlten
Wellen die von der Vorderseite erzeugten Wellen aufheben. In diesem Falle wird aber die im
ίο Kasten eingeschlossene Luft als elastische Reaktanz wirken, wodurch die Membranbewegungen
verzögert werden,, und da diese Wirkung umgekehrt proportional der Frequenz ist, wird die
Ansprechfähigkeit der Membran bei niedrigen Frequenzen stark verringert.
Es wurde schon erwähnt, daß der Ausstrahlungswiderstand
der Luft sich mit der Frequenz ändert. Es ist ferner bekannt, daß dieser "Widerstand
bei allen Schallfrequenzen, deren Wellenlängen größer als ein Drittel des Durchmessers
der verwendeten Membran sind, verhältnismäßig konstant ist, aber bei Frequenzen, deren
Wellenlängen größer als der erwähnte Durchmesser sind, sehr rasch sinkt. Der stabile
Schwingungszustand wird aber hierdurch nicht gestört. Die Schwingungsgeschwindigkeit ändert
sich derart mit der Frequenz, daß der abgegebene Schall (V2R) für den in Betracht kommenden
Bereich im wesentlichen konstant ist, wenn die zugeführte Energie konstant ist. Es
ist aber einleuchtend, daß, während des Aufbaues einer Niederfrequenzschwingung in der
Membran, die in dieser aufgespeicherte Energie (1Z2AiF2) verhältnismäßig groß ist im Vergleich
zu der ausgestrahlten Energie (V2R), so daß die Membran eine beträchtliche Zeit nach
Aufhören der Antriebskraft ihre Schwingung fortsetzen muß, um diese übergroße Energie zu
zerstreuen. Hierdurch entsteht ein Überlappen oder Ineinanderübergehen der einzelnen Schallschwingungen,
was in der Wirkung ähnlich ist, wenn man ein einem übergroßen Wohnraum spricht. Da die Impedanz der in Frage kommenden
Membran meist vollkommen von der Trägheit abhängig ist, so kann eine beträchtliche
Widerstandsdämpfung eingeführt werden, um das Ineinanderübergehen der Schallschwingungen
zu unterdrücken, ohne daß im wesentlichen die für die Anordnung erforderliche Antriebskraft
vergrößert werden muß, d. h. ohne im wesentlichen die Ansprechfähigkeit der Membran
dadurch zu vermindern.
Die Aufgabe, die sich vorliegende Erfindung gestellt hat, besteht darin, die Luftkammer
eines derartigen Lautsprechers so zu gestalten, daß man eine genügende Hemmwirkung erhält
und gleichzeitig die Ausgleichsperiode dahin vermindert wird, daß. sie nicht mehr langer
schädlich sein kann.
Zwecks Lösung dieser Aufgabe erhält gemäß der Erfindung der direkt wirkende Schallausstrahler
mit einer Hemmvorrichtung in Form eines mit einer Öffnung versehenen Gehäuses mit
starren Seitenwänden, die teilweise die Luft auf der einen Seite des Schallausstrahlers begrenzen,
eine starre, durchlochte Abschlußwand für das Gehäuse mit engen Schlitzen oder Spalten,
die so dimensioniert sind, daß der Widerstand für den Schwingungsfluß der Luft hierdurch
für die Frequenzschwingungen innerhalb des wichtigen Schallfrequenzbereiches die Luft wirbelfrei
fließen läßt. Ferner sind gemäß der Erfindung die Fläche der durchlochten Abschlußwand und das Volumen des Gehäuses so proportioniert,
daß die Große 1 -j- Ιί\ ,die den
Schallverlust bei der niedrigsten wichtigen Schallfrequenz z. B. 90 Perioden pro Sekunde
darstellt, kleiner ist als erwünscht oder zulässig. X ist die akustische Reaktanz der
Steifheit oder Elastizität der eingeschlossenen Luft bei den in Frage kommenden Frequenzschwingungen,
und R ist der gesamte akustische Widerstand der durchlochten Abschlußwand.
Beide Größen X und R sind in denselben Ein- -heiten, beispielsweise in mechanischen Ohm, gemessen.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist für einen Verlust von drei Decibeln
bei 60 Perioden der gesamte akustische Widerstand R der durchlochten Abschlußwand
von derselben Größenordnung wie die elastische Reaktanz X der Luft in dem Gehäuse bei
60 Perioden, wobei die beiden Größen in entsprechenden Einheiten gemessen sind.
Die Erfindung wird noch eingehender erläutert, indem an Hand der beiliegenden Zeichnung
ein besonderes Ausführungsbeispiel erläutert wird. Die Fig. 1 ist der Querschnitt
eines konischen Lautsprechers, der eine Hemm- 10a vorrichtung in Gestalt eines Gehäuses besitzt.
Das Gehäuse hat eine gemäß der Erfindung durchlochte Abschlußwand. Die Fig. 2 bringt
eine Einzelheit des akustischen Materials, das für die durchlochte Abschlußwand verwendet
wird. In der Fig. 3 sind die mechanischen Teile
des Lautsprechers der Fig. 1 in einem elektrischen Schaltbild symbolisch dargestellt. Die
Fig. 4 zeigt ein Vektordiagramm der Luftgeschwindigkeiten, wie sie bei der Anordnung der
Fig. ι entstehen.
Zum Zweck der Erläuterung sei ein kubisches Gehäuse 1 mit einer Seitenlänge von 45,8 cm
angenommen, das gemäß Fig. 1 eine konische Membran 2 an der Vorderseite 3 aufweist. Der
Durchmesser der konischen Membran beträgt 20,3 cm, sie wird von einer Antriebseinheit 4
angetrieben. Eine starre, durchloehte Abschlußwand 5 bildet die Rückseite des Gehäuses 1.
Eine derartige durchloehte Abschlußwand kann aus einer Metallplatte bestehen, in der
Schlitze eingestanzt sind. Jeder Schlitz ist so
dimensioniert, daß die Breite desselben kleiner ist als die Länge der sogenannten Ausbreitungswelle für die höchste Frequenz, auf die der
Ausstrahler ansprechen soll. Es kommt folgende Gleichung in Frage:
ω Q
Tn derselben bedeutet d die Breite eines ίο Schlitzes, λ ist die Länge der Ausbreitungswelle, μ ist der Koeffizient der Viskosität der
Luft oder desjenigen Stoffes, in dem sich der Schall ausbreitet, ρ ist die Luftdichte, und ω
ist 2 π mal die in Frage kommende hohe Frequenz.
Wenn der Widerstand der durchlochten Abschlußwand im wesentlichen unabhängig von
den Frequenzen für den in Frage kommenden Frequenzbereich sein soll, so muß der Wert
von d derart sein, daß für die in Frage kommende hohe Frequenz das Verhältnis -3^- klein
ist, beispielsweise weniger als 0,1 beträgt. Die Anordnung mit der durchlochten Abschlußwand
kann wie jedes andere mechanische System als mechanische Übertragerleitung·, wie
in der Fig. 3 dargelegt, aufgefaßt werden. Hierbei bedeutet F die Antriebskraft in Dynen, die
an den Konus durch die Antriebseinheit 4 der
Fig. ι angelegt wird, m ist die Masse desKonus
in Gramm, rf ist der Strahlungswiderstand, der
infolge der Luft an der Vorderseite des Konus auftritt. 5 ist die Steifheit der in der Kammer
eingeschlossenen Luft. rb ist der Strahlungswiderstand
an der Rückseite des Konus, und R ist der hinzukommende Widerstand der durchlochten Abschlußwand 5. Die der Luft an
der Vorder- und Rückseite des Konus erteilten Geschwindigkeiten sind, wie angedeutet, durch
if und ib dargestellt. Unter diesen Voraussetzungen
ist der wirklich ausgesandte Schall der Vektorsumme von if und ib proportional.
Den idealen Zustand würde man haben, wenn if allein wirksam wäre.
Aus der Analogie mit dem elektrischen Schaltbild folgt, daß die Impedanz Z in der Fig. 3
von S und R, die beide parallel sind, wobei man rb vernachlässigt, da dieser Wert' bei
niedrigen Frequenzen verhältnismäßig klein ist,
ist, und ferner daß in bezug auf die Aufhebungswirkungen
vorn am Konus
iR\
Das Verhältnis des Idealzustandes zu dem tatsächlichen drückt sich in folgenden Gleichungen
aus:
.R
1Y
if+h
.R
1X
Der Wert X, der die Steifheitsreaktanz der eingeschlossenen Luft bedeutet, ist bei der
niedrigsten wichtigen Frequenz f, z. B. 60 Periöden,
für welchen Wert sämtliche Konstanten
5 der Fig. 3 errechnet werden, gleich —. Dabei
ist S die Steifheit der eingeschlossenen Luft und ω gleich 2 π f. Für S hat man folgende
Gleichung:
c __
In dieser Gleichung bedeutet: ρ die normale Luftdichte in g pro cm3.
c ist die Geschwindigkeit des Schalles in Luft in cm pro Sekunde.
A1 ist die Fläche des Konus (324 cm2). V ist das Volumen der eingeschlossenen Luft (45,8)3 cm3.
A1 ist die Fläche des Konus (324 cm2). V ist das Volumen der eingeschlossenen Luft (45,8)3 cm3.
Qci = 1,4 X io6. X ist infolgedessen
i-4Xiosx 3242 , . , n,
—; ^r5 τ— = 4115 mechanische Ohm.
(45-8)3X2jrf ^ J
(1 mechanisches Ohm wird als die Impedanz eines Systems definiert, das sich beim Antrieb
durch eine Kraft von einer Dyn mit einer Geschwindigkeit
von ι cm pro 'Sekunde bewegt.)
- .1 = das Verhältnis der Intensität
If+ Ib)\
des wirklich verbrauchten Schalles zu der Intensität des Schalles, der im Idealfalle verbraucht
wird.
Der absolute Wert von -
Das heißt, für die besondere in Frage kommende Frequenz ist der Verlust des Schalles,
ausgedrückt in Decibeln, infolge der Ausgleichswirkung
Es sei angenommen, daß der maximale Wert dieses Verlustes, der bei der niedrigsten wichtigen
Frequenz zulässig ist, 3 Decibeln beträgt. Damit der Schallausstrahler noch genügend ausstrahlen
kann, ist diese Frequenz
3 > 10 log
nm-
Da (ungefähr) ι +
(ίϊ
2, ist der niedrigste
mögliche Wert für R = X.
In dem angegebenen Falle ist X — 4115 mechanische
Ohm. Infolgedessen muß auch der Widerstand der Abschlußwand 5 diesen Wert aufweisen, d. h. der Widerstand der Abschlußwand
5 bei den gegebenen Dimensionen des GeOhm/cm2sein
= 82 Ohm
häuses ι muß also
ι ο 2090
ι ο 2090
pro cm2.
Da die Ausgleichswirkung am größten ist, je kleiner die Frequenz ist, so wird dieselbe im
wesentlichen für alle wichtigen Frequenzen ausgeschaltet, wenn sie für die niedrigste der wichtigen
Frequenzen eliminiert ist.
Der normale Luftwiderstand c ρ bei hoher
Frequenz beträgt ungefähr 41 Ohm pro cm2,
so daß der obige Wert nur zweimal so groß ist als der normale, und infolgedessen werden
keine übergroßen Reflexionswirkungen bei den hohen Frequenzen auftreten. Die hinzukommende
Impedanz infolge von R undÄ', die parallel liegen, beträgt —J?- = 2910 mechanische
1 2
Ohm, während die Massenreaktanz der Membran bei derselben Frequenz 2 π fm oder 3000 mechanische Ohm ist. Es vermindert also die für
die Zwecke der Erfindung notwendige Dämpfung nicht übermäßig die Membranbewegung.
Da der hinzukommende Widerstand der durchlochten Abschlußwand gleich der Luftreaktanz
von 4115 Ohm bei 60 Perioden ist und außerdem im Vergleich zu den Strahlungswiderständen
r/ und rh groß ist, die ungefähr
66 Ohm bei 60 Perioden betragen, so wird if, ungefähr gleich i/ sein, d. h. im wesentlichen
wird die Hälfte der durch die Membran verstellten Luftmenge durch die Abschlußwand
4Q hindurchgehen, während die andere Hälfte der Luftmenge im Kasten zusammengedrückt wird.
Es kann auch dieser Wert in einem besonderen Falle etwas verändert werden. Es zeigt sich
aber im allgemeinen, daß, wenn mehr als ungefähr 2/3 der verstellten Luftmenge durch die
durchlochte Abschlußwand hindurchgeht, die Ausgleichswirkung nicht genügend ausgeschaltet
wird, während, wenn mehr als die Hälfte der verstellten Luftmenge im Kasten eingeschlossen
bleibt, die Ansprechfähigkeit übermäßig verringert wird.
Es ist natürlich klar, daß die Wände des
Kastens 1 und die Abschlußwand 5 aus einem dicken Material herzustellen sind, wie dies auch
in der Fig. 1 angedeutet ist. Man kann auch diese Teile in geeigneter Weise versteifen, um
eine unerwünschte Resonanz zu vermeiden.
Der Grund, weshalb die gegenseitige Aufhebungswirkung gemäß der Erfindung vermindert
wird, wird noch klarer verständlich aus der Betrachtung des Vektordiagramms der Fig. 4. In demselben stellen if und ib die Vorder-
und Rückwelle wie in der Fig. 3 dar. Ist der zusätzliche Widerstand R nicht vorhanden,
so wird ib in Phase mit —i/ sein, so daß für die
niedrigen Frequenzen die gegenseitige Aufhebungswirkung übermäßig groß ist. Ist dagegen
das zusätzliche Widerstandsmaterial vorhanden, so ist die Steifheitsreaktanz X der eingeschlossenen
Luft derart wirksam, daß
H =
Diese Gleichung kann wie folgt geschrieben werden:
.R \
, η j. I ■ ι - J - J
ih wird also sowohl in der Größe durch das angegebene
Verhältnis vermindert und in der Phase verschoben, so daß man in Phase mit —i/
eine Komponente von der Größe von nur
-W^—~-a- (— \f) >
wie angegeben, erhält. In dem
gewählten Beispiel für die Erläuterung der Erfindung, gemäß welchem R = X, wird also I11
auf einen wirksamen Wert vermindert, der nur halb so groß ist als bei einem offenen Lautsprecherkasten.
Die gegenseitige Aufhebungswirkung wird gleichfalls entsprechend vermin- dert.
Aus dem Obigen geht hervor, daß der tatsächliche Widerstand der durchlochten Abschlußwand
auf der Rückseite des Lautsprecherkastens lediglich die einzige unbekannte Größe
ist, die nicht berechnet werden kann.
Der Widerstand der durchlochten Abschlußwand auf der Rückseite des Lautsprecherkastens
kann aber dadurch festgestellt werden, indem experimentell festgelegt wird, welche Luftmenge
durch ein Materialprobestück hindurchgeht, wenn die Luft durch eine Membran verstellt
wird, die die meisten wichtigen Schallfrequenzen wiedergibt. Das Probestück wird in einem geeigneten
Apparat für die Messung der Impedanz ito einer akustischen Einrichtung geprüft. Mittels
desselben kann man das Verhältnis des Druckes am Ausgangsende einer Schalleitung zu dem
Druck am Eingangsende ermitteln. Wird die Schalleitung nacheinander durch die zu prüfende
Einrichtung und durch zwei bekannte akustische Impedanzen von verschiedenen Werten
abgeschlossen, so können hieraus die Impedanzen der Einrichtungen aus der Differenz
der so erhaltenen Verhältnisse errechnet werden.
Es wird ein bekanntes Flächenstück des Impedanzelementes in dem Apparat geprüft. Hat
'dieses Probestück nicht die geeignete Impedanz, so kommt ein anderes Stück zur Prüfung, bis
das. geeignete gefunden ist. Hierauf wird die endgültige durchlochte Abschlußwand gemacht.
Die Erfindung wurde in bezug auf eine besondere Ausführung erläutert. Es ist selbstverständlich,
daß auch Abweichungen hierfür in den Schutzumfang der Erfindung fallen.
Claims (2)
- Patentansprüche:i. Direkt wirkender Schallausstrahler mit einer Hemmvorrichtung in Gestalt eines mit einer öffnung versehenen Gehäuses mit starren Seiten, die teilweise die Luft auf der einen Seite des Schallausstrahlers begrenzen und mit einer starren, durchlochten Abschlußwand für das Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß letztere enge Schlitze oder Spalte aufweist, die so dimensioniert sind, daß der Widerstand für den Schwingwngsfluß der Luft hierdurch für die Frequenzschwingungen innerhalb des wichtigen Schallfrequenzbereiches so ist, daß die Luft wirbelfrei fließt und ferner die Oberfläche der durchlochten Abschlußwand und das Volumen des Gehäuses so proportioniert sind,die den Schall-daß die Größe 1 + (τ?) >verlust bei der niedrigsten wichtigen Schallfrequenz, beispielsweise 60 Perioden pro Sekunde, darstellt, geringer ist als erwünscht oder zulässig, so daß die Resonanzwirkungen infolge des Vorhandenseins der Hemmvorrichtung in dem unteren Teil des Frequenzbereiches ausgeschaltet werden. (X ist die akustische Reaktanz der Steifheit oder Elastizität der eingeschlossenen Luft bei den Schwingungen der in Frage kommenden Frequenz, und R ist der gesamte akustische Widerstand der durchlochten Abschlußwand, wobei X und R in gleichen Einheiten, beispielsweise in mechanischen Ohm, gemessen sind).
- 2. Direkt wirkender Schallausstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte akustische Widerstand (R) der durchlochten Abschlußwand bei 60 Perioden von derselben Größenordnung ist wie die elastische Reaktanz (X) der Luft in dem Gehäuse, wobei die beiden angegebenen Größen in entsprechenden Einheiten gemessen sind.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Cited By (1)
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