DE593202C

DE593202C - Direkt wirkender Schallausstrahler

Info

Publication number: DE593202C
Application number: DEE40550D
Authority: DE
Original assignee: Electrical Research Products Inc
Current assignee: Electrical Research Products Inc
Priority date: 1930-03-06
Filing date: 1931-01-24
Publication date: 1934-02-24
Also published as: GB373268A; FR712387A; US1841101A

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. r_b 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 i_b dargestellt. Unter diesen Voraussetzungen ist der wirklich ausgesandte Schall der Vektorsumme von if und i_b 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 r_b vernachlässigt, da dieser Wert' bei niedrigen Frequenzen verhältnismäßig klein ist,

ist, und ferner daß in bezug auf die Aufhebungswirkungen vorn am Konus

i^R\

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.

Q^ci = 1,4 X io⁶. X ist infolgedessen

i-4Xio^sx 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

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 r_h 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 i_b die Vorder- und Rückwelle wie in der Fig. 3 dar. Ist der zusätzliche Widerstand R nicht vorhanden, so wird i_b 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

i_h 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) > ^wi^e 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

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