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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf den bereich
von Lautsprechern, und insbesondere auf einen Lautsprecher mit einem zweikammer-akustischen
Gehäuse
mit zwei externen Luftdurchlässen
und einem internen Luftdurchlass.
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Eine übliche Aufgabe
beim Entwerfen von Lautsprechersystemen ist die akustische Leistung
in dem Arbeitsbereich des Systems zu verbessern und Verzerrung zu
minimieren, die durch u. a. Auslenkungen des Lautsprecherkonus verursacht
werden bei Frequenzen auf oder unter der unteren Grenzfrequenz des
Systems.
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Im
Allgemeinen pendelt oder schwingt, wenn ein Lautsprecher mit Energie
versehen wird, die elektroakustische Wandlermembran ("der Konus") mit einer Frequenz,
die mit der Signalzuführung
zu dem Lautsprecher variiert. Wenn ein nicht eingebauter Lautsprecher
oder ein Lautsprecher ohne Schallwand in einer sog. "Freiluft"-Mode betrieben wird, zeigt
der Konus große
mechanische Auslenkungen wenn er der Resonanzfrequenz nähert, was
eine wesentliche akustische Verzerrung erzeugt. Um diese Bewegung
zu steuern und dadurch den Verzerrungspegel des Lautsprechers zu
reduzieren, ist es üblich, den
Lautsprecher in einer gewissen Form eines Gehäuses unterzubringen.
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In
der einfachsten Form ist dieses Gehäuse ein geschlossener Kasten,
wobei der Lautsprecher in einer Öffnung
in einer Wand desselben angeordnet oder aufgehängt ist. Ein derartiges Lautsprechersystem
sorgt dafür,
dass die großen
Amplituden der Auslenkungen des Lautsprecherkonus bei einer anderen Frequenz
auftreten, wodurch auf diese Weise die Resonanzfrequenz des Lautsprechers
gegenüber
der Resonanzfrequenz in der "Freiluft"-Betriebsart geändert wird.
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In
dem US Patent Nr. 4.549.631, von Amar G. Bose, wird ein akustisches
Aufhänge-Lautsprechersystem
beschrieben, das ein akustisches Gehäuse mit einem rechteckigen
Querschnitt mit einer Schallwand hat, die das Innere des Gehäuses in
einer erste und eine zweite Kammer aufteilt. Das akustische Gehäuse des
von Bose beschriebenen Lautsprechersystems wird meistens als "Bass-Reflex"-Gehäuse bezeichnet.
Jede Kammer dieses Gehäuses
hat ein Portrohr ("einen
Luftdurchlass"),
das die betreffende Kammer mit der Äußeren Umgebung des Gehäuses koppelt.
Die trennende Schallwand trägt
einen Tief töner.
Dieser Typ eines akustischen Gehäuses
kann als Zweikammer-Akustikgehäuse mit
zwei "externen" Luftdurchlässen gedacht
werden. Jeder externe Luftdurchlass ist als Passivstrahlmittel wirksam.
Insbesondere schafft jeder externe Luftdurchlass eine akustische
Masse, die eine extra Reaktanz bildet, die dazu benutzt werden kann,
den Frequenzgang des Lautsprechersystems am unteren Ende anzupassen.
Ein mit einem Port oder einem Luftdurchlass versehenes System wird
gekennzeichnet durch eine Resonanz (Portresonanz), bei der die Masse
der Luft in dem Port (Luftdurchlass) auf das Volumen an Luft innerhalb
des Gehäuses
reagiert zum Erzeugen einer Resonanz, bei der die Auslenkung des
Lautsprecherkonus minimiert wird. Das Zweikammer-Akustikgehäuse mit
zwei externen Luftdurchlässen,
beschrieben von Bose schafft eine verbesserte Empfindlichkeit bei
Portresonanz, was in einer Verlängerung
der unteren Grenzfrequenz des Lautsprechersystems zu einem niedrigeren
Wert führt,
während
auch die Auslenkungen des Lautsprecherkonus in der Nähe der unteren
Grenzfrequenz des Lautsprechersystems reduziert werden.
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Für Bass-Reflexlautsprecher
von dem in dem US Patent Nr. 4. 549,631 (Bose) beschriebenen Typ
ist aber zum Erzielen eines flachen Banddurchlassfrequenzgangs eine
Lautsprecher-Treiberstufe mit einer ziemlich hohen magnetischen
Effizienz erforderlich, was teuer ist. Weiterhin neigen Bassreflex-Lautsprecher,
die zwei Kammern mit Porten zur direkten akustischen Kopplung jeder
der betreffenden Kammern mit der äußeren Umgebung verwenden, dazu,
eine schlechtes Verhalten für
akustische Frequenzen zu liefern, die zwischen die Resonanzfrequenzen
der beiden Kammern und deren entsprechenden Porten fallen, wenn
die Resonanzfrequenzen der zwei Kammern um mehr als einen Faktor
3 bis 1 variieren.
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US
Patent Nr. 4.875.546 von Palo Krnan beschreibt einen Zweikammer-Bassreflex-Lautsprecher,
bei dem die oben genannten Nachteile des Bose-Lautsprechersystems überwunden
sind. Insbesondere zeigt das Krnan-Lautsprechersystem ein gutes
Frequenzverhalten für
Frequenzen zwischen den Resonanzfrequenzen der zwei Kammern des
Zweikammergehäuses,
sogar wenn diese Resonanzfrequenzen um einen Faktor von 10 zu 1
voneinander getrennt sind. Das Krnan-Lautsprechersystem umfasst
eine erste Kammer, die mit der zweiten Kammer über einen ersten Port (Luftdurchlass)
pneumatisch und akustisch gekoppelt ist, wobei der erste Port derart
bemessen ist, dass er eine erste akustische Luftmasse enthält, während eine
der Kammern über
einen zweiten Port (Luftdurchlass) mit der äußeren Umgebung pneumatisch
und akustisch gekoppelt ist, wobei dieser zweite Port der art bemessen
ist, dass er eine zweite akustische Luftmasse enthält. Durch
eine richtige Konstruktion der ersten und der zweiten Kammer und
des ersten und zweiten Ports wird das Akustikgehäuse als akustisches Bandpassfilter
wirksam sein, wobei HF-Verzerrungsanteile, wie diejenigen, die von
Membranauslenkungen des Wandlers (Lautsprecherkonus) verursacht
werden, akustisch gedämpft
werden.
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Obschon
das oben beschriebene Krnan-Lautsprechersystem einige Probleme,
die zu elektrischer Filterung über
Frequenzweichen inhärent
sind, überwinden
und über
ein breiteres Arbeitsband ein besseres Verhalten zeigen als das
oben beschriebene Bose-Lautsprechersystem,
hat es dennoch wesentliche Nachteile und Mängel. Insbesondere ist die
Effizienz des Krnan-Lautsprechersystems weniger als erwünscht und
die erzeugten Verzerrungsprodukte in der Nähe der unteren Grenzfrequenz
sind größer als
erwünscht.
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Es
sei bemerkt, dass die Japanische veröffentlichte Patentanmeldung
Nr. 4-301998 von
Kinihiko Tamura als Erfinder, ein Zweikammer-Lautsprechersystem
beschreibt, das ein Akustikgehäuse
mit "dreifachem
Luftdurchlass" aufweist,
mit zwei "externen" Luftdurchlässen, die
pneumatisch und akustisch die betreffenden Kammern mit der äußeren Umgebung
koppeln, und mit einem "internen" Luftdurchlass, der
die erste und die zweite Kammer des Gehäuses pneumatisch und akustisch
miteinander koppelt. Dieses Zweikammer-Lautsprechersystem mit dreifachen
Luftdurchlass ist ein Tiefband-Lautsprechersystem
(d.h. Bass-Lautsprechersystem). Der interne Luftdurchlass ist speziell
entworfen und wird verwendet zum Minimieren der Verzerrung durch Auslenkungen
des Lautsprecherkonus bei Frequenzen tiefer als die Resonanzfrequenz
(d.h. die obere Grenzfrequenz des Bass-Lautsprechers wird schärfer), liefert
aber keinen Beitrag zu der akustischen Leistung innerhalb des normalen
Arbeitsbereichs. Im Wesentlichen lehrt Tamura, dass sogar in dem
betreffenden schmalen unteren Frequenzband in diesem System der
interne Luftdurchlass im Wesentlichen als Umleitungsweg wirksam
ist, dessen Effekt ist, die akustische Leistung aus den externen
Luftdurchlässen
sowie den Verzerrungspegel zu reduzieren.
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Auf
Basis des Obenstehenden und des Vorhergehenden dürfte es einleuchten, dass es
zur Zeit ein Bedürfnis
gibt, dass ein Lautsprechersystem ein Akustikgehäuse hat, das die oben genannten
Nachteile und Mängel
der zur Zeit verfügbaren
Technologie vermeidet. Die vorliegende Erfindung erfüllt dieses
Bedürfnis.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung umfasst einen Lautsprecher, der ein akustisches
Gehäuse
aufweist, das eine interne Wand hat, die das Gehäuse in eine erste und eine
zweite Kammer aufteilt, einen elektroakustischen Wandler mit einem
schwingbaren Lautsprecherkonus, vorgesehen in einer Öffnung,
die in der Innenwand des Akustikgehäuses vorgesehen ist, einen
internen Luftdurchlass, vorgesehen in der internen Wand des Akustikgehäuses zur
pneumatischen Kopplung der ersten und der zweiten Kammer, einen
ersten externen Luftdurchlass in einer Wand der ersten Kammer zur
pneumatischen Kopplung der ersten Kammer mit einer äußeren Umgebung
außerhalb
des Akustikgehäuses,
und einen zweiten externen Luftdurchlass; vorgesehen in einer Wand
der zweiten Kammer zur pneumatischen Kopplung der zweiten Kammer
mit der äußeren Umgebung.
In einer Ausführungsform
liegt ein Verhältnis
der akustischen Masse des internen Luftdurchlasses zu der akustischen
Masse des zweiten akustischen Luftdurchlasses in einem Bereich von
etwa 3/1 bis 7/1. In einer anderen Ausführungsform liegt ein Verhältnis der
akustischen Masse des ersten externen Luftdurchlasses zu der akustischen
Masse des zweiten externen Luftdurchlasses in dem bereich von etwa 15/1
bis 30/1. In den beiden Ausführungsformen
liegt ein Verhältnis
des Volumens der ersten Kammer zu dem Volumen der zweiten Kammer
in einem Bereich von etwa 0,3 bis 2,5. In den beiden Ausführungsformen
kann wenigstens einer der internen und/oder externen Luftdurchlässe durch
einen Passivstrahler, wie einen Bass-Konus, ersetzt sein.
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Es
sei bemerkt, dass die Französische
Patentanmeldung Nr. 7624108 mit der Veröffentlichungsnummer 2 361 032
eine Lautsprecherstruktur mit zwei elektroakustischen Wandlern beschreibt. Die
Struktur umfasst ein Zweikammer-Akustikgehäuse mit einer Innenwand und
einer Außenwand.
Die Innenwand ist mit einem der Wandler und mit einem inneren Luftdurchlass
versehen. Die Außenwand
ist mit dem anderen Wandler und mit einem oder mit den beiden externen
Luftdurchlässen
versehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden
Fall näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Lautsprechers, konstruiert nach einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
Graphik des Frequenzverhalten des Lautsprechers aus 1 mit
dem internen Luftdurchlass offen und dem externen Luftdurchlass
geschlossen,
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3 eine
Graphik der relative Konusamplitude zu der Frequenz für den Lautsprecher
aus 1 (mit einer 45 Hz niedrigeren Grenzfrequenz),
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4 eine
schematische Darstellung eines Lautsprechers, konstruiert entsprechend
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und
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5 eine
Graphik des Frequenzverhaltens des Lautsprechers aus 4 mit
dem externen Luftdurchlass 44 offen und dem externen Luftdurchlass 44 geschlossen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In 1 ist
eine schematische Darstellung eines Lautsprechers 20 sichtbar,
konstruiert entsprechend einer ersten bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Der Lautsprecher 20 umfasst ein
Gehäuse 22,
getrennt durch eine Trennwand oder Schallwand 24 in eine
erste Kammer 26 und eine zweite Kammer 28. Ein
elektroakustischer Wandler oder eine Lautsprecher-Treiberschaltung 30 mit
einem Lautsprecherkonus ist in einer Öffnung 33 in der Trenn
wand 24 vorgesehen, wobei die Vorderfläche des Lautsprecherkonus 32 mit
der ersten Kammer 26 kommuniziert und eine Rückfläche des Lautsprecherkonus 32 kommuniziert
mit der zweiten Kammer 28. Die internen Luftvolumen der
beiden Kammern 26 und 28 reagieren im Wesentlichen
auf die akustische Energie, die von der Lautsprecher-Treiberschaltung 30 in
Reaktion auf ein elektrisches Eingangssignal erzeugt worden ist.
Vorzugsweise sind die Lautsprecher-Treiberschaltung 30 und die Öffnung 33 derart
bemessen, dass die Treiberschaltung 30 die Öffnung 33 komplett
füllt,
damit gewährleistet
wird, dass keine Luft durch die Öffnung 33 hindurchgeht.
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In 1 umfasst
entsprechend der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung das Akustikgehäuse 22 einen
internen Luftdurchlass 40, der die erste und die zweite
Kammer 26 und 28 pneumatisch miteinander koppelt,
einen externen Luftdurchlass 42, der die erste Kammer 26 mit
der externen Umgebung, die den Lautsprecher 20 umgibt,
pneumatisch koppelt, und einen externen Luftdurchlass 44,
der die zweite Kammer 28 mit der externen Umgebung, die
den Lautsprecher 20 umgibt, pneumatisch koppelt. Auf diese
Weise kann das Akustikgehäuse 22 als
ein "dreifach-belüftetes" Zweikammer-Lautsprechergehäuse gedacht
werden.
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Nach
der ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Lautsprecher 20 derart
entworfen, dass die externen Luftdurchlässe 42 und 44 zu
der gesamten akustischen Leistung des Lautsprechers 20 wesentlich
beitragen. Im Allgemeinen geht dies mit einer geeigneten Selektion mehrerer
Parameter des Lautsprechers 20 einher.
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Insbesondere
liegt entsprechend der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung das Verhältnis
des Volumens der ersten und der zweiten Kammer 26 und 28 vorzugsweise
in dem Bereich von 0,3 bis 2,5, wobei das spezielle selektierte
Volumenverhältnis
von dem gewünschten
Betriebsband (d.h. von dem Frequenzband der akustischen Ausgangsleistung)
des Lautsprechers 20 und der selektierten Resonanzfrequenz
der Lautsprecher-Treiberschaltung 30 abhängig ist.
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Weiterhin
liegt entsprechend der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung das Verhältnis
der akustischen Masse des internen Luftdurchlasses 40 zu
der akustischen Masse des externen Luftdurchlasses 44 in
dem Bereich von etwa 3/1 bis 7/1, damit eine Verbesserung der akustischen
Ausgangsleistung des Lautsprechers 20 über ein ziemlich breites Betriebsband
erhalten wird, wobei das spezielle selektierte Verhältnis von
dem selektierten Betriebsband und der selektierten Resonanzfrequenz
der Lautsprecher-Treiberschaltung 30 weitgehend abhängig ist.
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Der
interne Luftdurchlass 40 und die externen Luftdurchlässe 42 und 44 können als
Portrohre oder Kanäle
ausgebildet werden, beispielsweise als Portrohre von dem in dem
US Patent Nr. 4.875.546 von Palo Krnan beschriebenen Art. Wie in
dem "546"-Patent detailliert beschrieben, ist
ein Portrohr ein verlängertes
hohles Element, das an beiden Enden offen und derart bemessen ist,
dass es eine selektierte akustische Luftmasse aufnehmen kann. Vorzugsweise,
aber nicht unbedingt notwendig, ist jeder Port rohrförmig. Auf
alternative Weise kann ein Passivstrahler, beispielsweise ein Bass-Konus,
für jeden oder
für mehrere
der internen und externen Luftdurchlässe ersetzt werden, wobei die
akustische Masse jedes Passivstrahlers derart selektiert wird, dass
seine Masse den Platz der von dem ersetzten Luftdurchlass eingeschlossenen
akustischen Luftmasse einnehmen kann.
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In 2 ist
eine Graphik des Frequenzverhaltens des Lautsprechers 20 aus
Fig. Dargestellt, wobei der interne Luftdurchlass 40 offen
ist und der interne Luftdurchlass 40 geschlossen ist. Wie
deutlich sichtbar, wird bei einem geschlossenen internen Luftdurch lass
eine wesentliche Verbesserung in der akustischen Ausgangsleistung
des Lautsprechers 20 erhalten.
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In 3 ist
eine Graphik dargestellt, wobei die relative Lautsprecher-Konusamplitude gegen
die Frequenz für
den Lautsprecher 20 aus 1 aufgetragen
worden ist (mit einer 45 Hz niedrigerer Grenzfrequenz). Wie ersichtlich
führt das
Zweikammer-Akustikgehäuse
mit Dreifach-Entlüftung
zu einer hohen Impedanz zu Lautsprecher-Konusbewegung in der Nähe der unteren
Grenzfrequenz (in diesem Fall, 45 Hz), was zu einer minimalen Lautsprecher-Konusbewegung
in der Nähe
der unteren Grenzfrequenz führt
und dadurch wieder zu einer wesentlichen Reduktion der Verzerrungsprodukte,
verursacht durch Auslenkungen des Lautsprecherkonus. Insbesondere
verursacht der interne Luftdurchlass 40 eine zusätzliche
akustische Masse, die verursacht, dass ein zusätzliches Resonanznetzwerk auftritt,
was zu einer hohen Impedanz zu Lautsprecher-Konusbewegung in der
Nähe der
unteren Grenzfrequenz führt.
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In 4 ist
eine schematische Darstellung eines Lautsprechers 20' dargestellt,
konstruiert entsprechend einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist dieselbe wie
die erste Ausführungsform,
ausgenommen dass nach der zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung der Lautsprecher 20' derart entworfen
ist, dass der interne Luftdurchlass 40 und einer der externen
Luftdurchlässe 42 und 44 zu
der gesamten akustischen Ausgangsleistung des Lautsprechers 20' wesentlich beiträgt. Im Allgemeinen
geht dies mit einer geeigneten Selektion mehrerer Parameter des
Lautsprechers 20' einher.
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Insbesondere
liegt nach der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung das Verhältnis
der Volumen der ersten und der zweiten Kammer 26 bzw. 28 vorzugsweise
in dem Bereich von 0,3 bis 2,5, wobei das spezielle selektierte
Volumenverhältnis
von dem gewünschten
Betriebsband (d.h. dem Frequenzband der akustischen Ausgangsleistung)
des Lautsprechers 20' und
der selektierten Resonanzfrequenz der Lautsprecher-Treiberschaltung 30 abhängig ist.
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Weiterhin
liegt entsprechend der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung das Verhältnis
der akustischen Masse des externen Luftdurchlasses 42 zu
der akustischen Masse des externen Luftdurchlasses 44 in
dem Bereich von etwa 15/1 bis 30/1 um über ein ziemlich breites Betriebsband
eine spürbare
Verbesserung in der akustischen Ausgangsleistung des Lautsprechers 20' zu erreichen,
wobei das spezielle selektier te Verhältnis von dem selektierten
Betriebsband und der selektierten Resonanzfrequenz der Lautsprecher-Treiberschaltung 30 weitgehend
abhängig
ist.
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Es
sei bemerkt, dass im Vergleich zu dem Zweikammer-Akustikgehäuse, das
mit zwei externen Luftdurchlässen
versehen ist, wie dies von Bose in dem US Patent Nr. 4.549.631 beschrieben
worden ist, reduziert das Akustikgehäuse mit drei Luftdurchlässen einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die magnetischen Effizienzanforderung
für die
Lautsprecher-Treiberschaltung um etwa die Hälfte, wodurch die Kosten des
Lautsprechers wesentlich reduziert werden.
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Weiterhin
zeigt das Akustikgehäuse
mit drei Luftdurchlässen
einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung eine verbesserte akustische Ausgangsleistung über ein
breites Betriebsband und erzeugt weniger Verzerrungsprodukte unterhalb
der unteren Grenzfrequenz im Vergleich zu dem Akustikgehäuse mit
zwei Kammern mit zwei externen Luftdurchlässen, wie von Bose in dem US
Patent Nr. 4.549.631 beschrieben.
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Es
sei ebenfalls bemerkt, dass im Vergleich zu dem Zweikammer-Akustikgehäuse mit
einem internen Luftdurchlass und einem externen Luftdurchlass, beschrieben
in dem US Patent Nr. 4.875.546, von Palo Krnan, das Akustikgehäuse mit
drei Luftdurchlässen
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine verbesserte akustische Ausgangsleistung über ein
breites Betriebsband zeigt, d.h. der von Krnan beschriebene Lautsprecher
ist um etwa 2dB weniger effizient als der Lautsprecher der vorliegenden
Erfindung.
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Es
sei ebenfalls bemerkt, dass im Vergleich zu dem Zweikammer-Akustikgehäuse mit
drei Luftdurchlässen,
wie in der Japanischen veröffentlichten Patentanmeldung
Nr. 4-301998 beschrieben, wobei Kinihiko Tamura als Erfinder genannt
worden ist, das Akustikgehäuse
mit drei Luftdurchlässen
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung über
ein breites Betriebsband, eine verbesserte akustische Ausgangsleistung
zeigt, d.h. der von Tamura beschriebene Lautsprecher ist ein Schmalband-Lautsprechersystem
(d.h. NF-Band-Lautsprechersystem), das nicht entworfen worden ist
zur Verbesserung der akustischen Ausgangsleistung über ein
breites Frequenzband.
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Weiterhin
ist der interne Luftdurchlass in dem Tamura-Gehäuse speziell entworfen und
benutzt zum Minimieren der Verzerrung, verursacht durch die Auslenkungen
des Lautsprecherkonus bei Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz
(d.h. er schärft die
obere Grenzfrequenz des Bass-Lautsprechers), liefert aber keinen
Beitrag zu der akustischen Ausgangsleistung innerhalb des normalen
Betriebsbandes. Im Wesentlichen lehrt Tamura, dass sogar in dem
bei diesem System betreffenden schmalen Niederfrequenzband der interne
Luftdurchlass im Wesentlichen als eine Umleitungsschaltung wirksam
ist, deren Effekt es ist, die akustische Ausgangsleistung der externen
Luftdurchlässe
sowie den Verzerrungspegel zu reduzieren.
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Obschon
die vorliegende Erfindung oben stehend in Bezug auf zwei bevorzugte
Ausführungsformen
derselben beschrieben worden ist, dürfte es einleuchten, dass dem
Fachmann viele alternative Ausführungsformen,
Variationen und/oder Abwandlungen auf Basis der erfinderischen Konzepte
im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie in den beiliegenden Patentansprüchen definiert,
einfallen könnten.
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Text in der
Zeichnung
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Fig. 2
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- Verstärkung
Db
- Interner Luftdurchlass offen
- Interner Luftdurchlass geschlossen
- Frequenz in Hz
- Phase
- Verzögerung
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Fig. 3
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- Verstärkung
Db
- Minimale Konusbewegung
- Frequenz in Hz
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Fig. 5
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- Verstärkung
Db
- Externer Luftdurchlass 4 offen
- Externer Luftdurchlass 4 geschlossen
- Frequenz in Hz