DE631724C - Trichterloser Lautsprecher mit Schallwand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Lautsprecher und bezweckt, eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, die imstande ist, den gesamten für die Wiedergabe von Sprache und Musik notwendigen Frequenzbereich möglichst wirksam abzustrahlen und verzerrungsfrei wiederzugeben.

Der Erfindung liegt nun folgende Überlegung zugrunde: · ·

Ist der Durchmesser einer frei im Raum befindlichen schwingenden Membran im Vergleich zu — klein (A= Wellenlänge), so ist die ausgestrahlte Leistung

P₁^-C

Erg. pro Sekunde,

2JJl³C?

wenn C die Dichte des Mediums in g»cm—*, so ω — 2 π/ und / die Frequenz der Schwingung pro Sekunde, 5" die Gesamtfläche der Membran (beide Seiten) in qcm, χ die (maximale) Schwingungsamplitude in cm und c die Schallgeschwindigkeit in dem Medium in cm pro Sekunde ist.

Mit wachsender Frequenz steigt die abgestrahlte Leistung also stark an, d. h. mit anderen Worten: Die tiefen Frequenzen werden bei. Abstrahlung vernachlässigt. Daß der Durchmesser im Vergleich zu — klein ist,

trifft bei Telephon- und: Lautsprechermembranen bezüglich der tieferen Frequenzen zu. Eine schwingende., frei im Räume befindliche Membran überträgt nun mit ihrer Vorderseite und ihrer Rückseite Schwingungen au die Luft, zwischen denen eine Phasenverschiebung von i8o° besteht. Es ist einleuchtend, daß die Gesamtwirkung dieser beiden Strahlungsquellen nach außen hin (auf in einiger Entfernung von der Membran befindliche Aufpunkte) sehr gering ist, und zwar um so

geringer, je größer —*- im Vergleich zum

Membrandurchmesser ist.

Macht man die eine Seite der Membran nach außen hin unwirksam, indem man die Rückseite der Membran abschließt, so erhält man von der wirksam bleibenden Stelle eine Strahlung ·

co*Six²
δπ-c '

P., = C

wo ^₁ die Fläche der wirksam bleibenden

Seite der Membran ist. Bildet man den Quotienten aus P₂ ^und -Pt--^- ei heiße b — so ist

für ω .-= 5000
für ω-— 500

= ^=460

Es zeigt sich also, daß auch in diesem Falle die tieferen Frequenzen stark benachteiligt werden. Jedoch läßt der Ausdruck für P_s auch erkennen, daß bei abgeschlossener Rückseite der Membran die Strahlungsleistung nicht mehr in dem Maße frequenzabhängig ist, als wenn beide Membranseiten strahlen können (Fi).

Anstatt nun die Rückseite der Membran (luftdicht)· abzuschließen, kann man sich, um ihre nachteilige-Wirkung auszuschalten," die Membran in eine unendlich große starre Wand eingesetzt denken. Dann ist auf jeder Seite dieser Wand nur eine Seite der Membran wirksam. Es ist verhindert, daß die Schallstrahlen der einen Seite...der Membran mit denen der anderen in nachteiliger Weise interferieren können.

Dann ist die von jeder Seite der Membran ausgestrahlte Leistung

*» ₂ß.C

(Rice und Kellogg: ΆΙΕΕ Sept. 1925, S. 985), wenn S₁ die Fläche der betreffenden Seite der Membran und β der Raumwinkel ist, in welchem die Ausstrahlung erfolgt, β ist für die Halbkugel gleich 2 π. ;

Dieser Ausdruck (F₈) gilt wieder für den Fall,· daß der .Durchmesser der Membran

klein ist im Vergleich zu -^₇-.. Dieses trifft

2JE

aber, wie bereits gesagt, bei Telephon- bzw. Lautsprechermembranen bezüglich der tieferen Frequenzen zu; denn eine Frequenz von 100 Perioden hat bereits eine Wellenlänge von 3,3 m. Andererseits ist eine solch tiefe Frequenz zur naturgetreuen Wiedergabe von Sprache und Musik noch notwendig.

Die Anordnung einer Membran in einer unendlichen großen starren Wand ist in der Literatur bereits erwähnt und zu Rechnungen benutzt worden. Die unendlich große starre Wand ist eine theoretische Annahme, die für die Praxis nicht verwertbar ist. Auch hat man bereits Versuche mit Stimmgabeln (oder anderen Gebilden, die praktisch nur eine Frequenz aussenden) vorgenommen und dabei die Stimmgabel in einer endlichen Trennwand angeordnet. Man hat dabei festgestellt, daß der ausgesandte Ton stärker ist, wenn die Stimmgabel in der Trennwand angeordnet ist, und ist zu.der Ansicht gekommen, daß die Trennwand möglichst groß sein, möglichst der unendlich großen Trennwand näherkommen müsse. Man hat jedoch bisher nicht ••die; Frage gelöst, wiejiie Membran in der ■-^trennwand anzuordnen und wie die Membran und Trennwand zu wählen seien, damit bei endlichen Abmessungen der letzteren eine, möglichst günstige Wirkung eintritt. Insbesondere hat man noch nicht festgestellt, wie die Trennwand zu bemessen ist, wenn durch ihre Verwendung die Abstrahlung eines sehr großen Frequenzbereiches möglichst günstig gestaltet werden soll, wie es für die Wiedergabe von Sprache und Musik durch Laut-Sprecher o. dgl. notwendig ist. Dabei müssen auch sehr tiefe Frequenzen — bis herab zu 100 Perioden oder noch weniger — wirksam und möglichst gleichmäßig abgestrahlt werden, wenn eine naturgetreue verzerrungsfreie Wiedergabe erzielt werden soll. Solche Untersuchtingen waren auch deshalb bisher nicht möglich, weil es noch keine geeignete Membranen gab, die die tiefen Frequenzen wirksam erzeugen Und eine befriedigende Wiedergäbe des gesamten notwendigen Frequenzbereiches gestatten.

Vor allem hat man aber den Strahlungsverhältnissen von Membranen zuwenig Beachtung geschenkt und noch weniger der erst durch die der Erfindung zugrunde liegenden Versuche begründeten Tatsache, daß es auf die durch Vorder- und Rückseite der Membran hervorgerufene Strahlung ankommt, wenn 'man eine geeignete Größe der Trennwand finden will.

Die bekannten Lautsprecher sind entweder nicht lautstark genug, oder sie verzerren das zu übertragende Frequenzgebiet, schwingen unterteilt und geben die tiefen Frequenzen too überhaupt nicht oder nur sehr verzerrt wieder. Die Anordnungen waren auch zumeist durch die Verwendung von Trichtern kompliziert, bei denen die Frequenzabhängigkeit der abgestrahlten Leistung wesentlich anderen Gesetzen folgt, insbesondere vom Exponenten der Trichterverbreiterung u. a. abhängt.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein trichterloser Lautsprecher mit Schallwand und vorzugsweise elektrodynamischem Antrieb, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die nichtebene vorzugsweise konusartige tiefabgestimmte Membran an oder nahe der öffnung der Schallwand allseitig nachgiebig gehaltert ist und daß der Luftweg von der Vorderseite zur Rückseite der Membran derartig bemessen ist, daß die tiefen, wichtigen Frequenzen wirksam abgestrahlt werden.

Ein solcher Lautsprecher ist den bekannten iao Anordnungen in der frequenzgetrenenWieder- ;abe von Sprache und Musik weit überlegen.

mi

Bei einfachster Konstruktion wird eine gute Wiedergabe nicht nur der hohen, sondern auch der tiefen Frequenzen erzielt. Ohne Anwendung von Trichtern ist die Wiedergabe dennoch hinreichend lautstark.

Dies soll nachstehend erläutert werden:

Faßt man die strahlende Membranfläche

(ohne Schallschirm), also Vorderseite und Rückseite der Membran, als zwei in einem

ίο bestimmten Abstand angeordnete Nullstrahler auf, die in Gegenphase schwingen, so nuß

man dafür sorgen, daß der Schaljweg von dem einen zu dem anderen mindestens gleich

— wird. Man braucht also, wenn man diese * 5 *

tiefen Strahler dicht aneinahdersetzt, einen

Schallschirm, dessen Durchmesser gleich —

ist.

Bei der relativen Unempfindlichkeit des Ohres für Lautstärkepunterschiede kann man sich mit der Hälfte der Maximalenergie für die tiefsten Frequenzen begnügen. Der Schalldruck ist dann immer noch gleich

^a5 ¹Is^-V² des Maximalschalldr.ucks, was nicht als störend empfunden wird. Diesem Wert entspricht ein Schallweg von —, d. h. aber: Besitzt

der Schallwegverlängerer einen Durchmesser von ioo cm, so ist für die Wellenlänge von 3,14 m, entsprechend einer Frequenz von etwa 100 Perioden, ein hinreichend großer Strahlungswiderstand sichergestellt. Entsprechend gelingt es, mit einem Schallwegverlängerer von 60 cm Durchmesser, für eine Wellenlänge von 1,88 m, entsprechend etwa 180 Perioden, einen wirksamen Strahlungswiderstand herzustellen. Frequenzen von 200 Perioden müssen bei guten Lautsprechern auf jeden Fall abgestrahlt werden. Häufiger noch wird man vorsehen, daß auch die Frequenz 100 wirksam vorhanden sein muß. Natürlich weiden bei Verwendung des erfindungsgemäßen Schallschirmes auch die tieferen Frequenzen noch in ihrer Abstrahlung günstig beeinflußt. Zur Vermeidung von Verzerrungen ist es dabei wesentlich, daß eine als Ganzes schwingende Membran verwendet wird, und zwar eine solche mit einer tiefen Abstimmung, d.h.

So einer Eigenschwingungszahl, die im Bereich der tieferen oder tiefsten akustischen Schwingungen liegt. Denn erst in diesem Falle liefert die Membran auch für die tieferen Frequenzen hinreichend große Amplituden. Vor- teilhaft für eine konusförmige elektrodynamisch angetriebene Membran gewählt.

Der Schallwegverlängerer hat vorteilhaft die Gestalt einer ziemlich starren ebenen Wand. In manchen Fällen wird ihm jedoch auch zweckmäßig konusförmige Gestalt gegeben.

Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert. Abb. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt, Abb. 2 eine Ansicht von vorn. In den Abb. 3 bis 8 sind weitere Ausführungsformen dargestellt.

Der in den Abb. 1 und 2 d irgestellte Apparat besitzt eine Membran 1, deren Basis an der starren Wand 13 allseitig nachgiebig gehaltert ist. Zweckmäßig wird die Membranbasis von einem flachen Ring 5 aus leicht biegsamem Material, z. B. Gummi oder Tuch, getragen.

Die Membran deckt die öffnung der starren Wand von rückwärts ab, so daß vorn eine glatte Fläche gebildet ist, die sich den räumlichen Verhältnissen leicht anpassen läßt. Die Membran ist kegelförmig, die öffnung in der starren Wand ein Kreis. Die Basis der Membran ist durch den Flansch 5. auf ihrer ganzen Länge mit dem Rand der öffnung nachgiebig verbunden. Zwischen Membran und Öffnungsrand ist kein Zwischenraum vorhanden, so daß kein schädlicher Druckausgleich zwischen Vorder- und Rückseite der Membran entsteht. Zweckmäßig ist der Flansch 5 der Membran an einem Metallring 6 befestigt, der den Raum zwischen Wand und Membran ausfüllt. Auf diese Weise wird die Abstrahlung der tiefen Frequenzen gewährleistet, ohne daß die Bewegungsfreiheit der. Membran und damit deren Empfindlichkeit leidet. Antriebs- und Rückstellkräfte greifen konzentrisch zur Membranachse an. Außer an der Basis ist die Membran noch an der Spitze nachgiebig gehaltert, um ein kolbenförmiges Schwingen sicherzustellen. Zu diesem Zweck ist das Ende der Membran abgestumpft und mittels töo eines durch die Spitze hindurchgehenden Bolzens an dem Magneteisen nachgiebig befestigt. Die Vorderseite der Membran fst durch einen mit Schlitzen versehenen Körper abgedeckt, der mit dem Rand der Wandöffnung verbunden ist. Die ganze Vorderseite des Lautsprechers bildet dann eine glatte, unauffällige Fläche. In dem gezeichneten Ausführungsbeispiel ist dieser Körper ein Teil des Magneteisens. 11*

Die Membran bzw. ihre ^vSpule 8 schwingt in einem durch die konzentrischen Polstücke 2 und 3 gebildeten kegelförmigen > Luftspalt. Die Pole können entweder einem permanenten Magneten angehören, oder es kann auch das magnetische Feld durch eine Erregerspüle 4, die den Pol 2 umgibt, erzeugt werden.

Zur Erzielung möglichst reiner kolbenförmiger Bewegungen werden Antriebsspulc und Membran in geeigneter Weise miteinander iao verbunden. Die Membran kann selbst aus einer Spule 8 bestehen, die von den die Mem-

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liran-.antreibenden Strömen durchflössen wird. Die Spule 8 wird auf biegsamem JVIaierialg, 2. B. Tuch oder Gummi, befestigt. Eine. Art, die Membran herzustellen-, besteht darin, daß eine Metallform mit Gummizement bestrichen wird. Auf das Zement wird die Spule aufgewickelt und dann die Spule mit einer weiteren Zemeiitschicht überzogen bzw. bestrichen. Das Ganze wird dann gebacken, um· ίο das Zement zu vulkanisieren. Basis und .Ende der Membran sind nicht durch die Spule versteift und bleiben dadurch nachgiebiger als der übrige strahlungsfähige Teil der Membran. Mail erspart damit die"Anordnung von zusätzlichen nachgiebigen Haltemitteln für die Membran. Ebenso wie die Membran belinden sich auch Antriebssystem, Maguetkörper, Spule usw. im Raum hinter der Membran. In dem auf der Vorderseite der Mem-Brau befindlichen Polstück sindradialeSchlitze 10 vorgesehen, die den erzeugten Schall hin-(lurchlässen. Auch die Rückseiteder Membran ist durch Öffnungen 11 im Magnetkörper 2 mit der* Außenluft verbunden. Auf diese Weise werden· Resonanzkammern an der Membran vermieden. Ware z. B. der hinter der Membran liegende Raum vollständig eingeschlossen, so würde es eine gewisse. Frequenz geben, bei der die eingeschlossene Luft .30 auf die Membran eine elastische Rückführungskraft äußert, die zu einer starken Resouanzwirkung Anlaß gibt. Bei anderen Frequenzen wird die Luft sich der Bewegung der Membran so widersetzen, daß ihre Amplilüde bedeutend herabgesetzt wird. Bei der dargestellten Anordnung ist der hinter der Membran befindliche Teil infolge des langen, engen Luftspaltes fast vollständig eingeschlossen, so daß die Luft nicht leicht entweichen kann. Der bei dieser Anordnung bestehenden Neigung zu Luftresonanzen kann dadurch entgegengetreten werden, daß in dem Polstück 2 radiale Schlitze 11 zur Entlüftung des hinter der Membran' befindlichen Luftraumes vorgesehen werden.

Membran und Antriebssystem werden ledig-

Hctuyon der starren Wand, zweckmäßig deren Rückseite getragen. Auf diese Weise ist die An- und Abmontage des Lautsprechers sowie des. Antriebssystems erleichtert.

Da die Membran 1 ganz unmagnetisch ist, hat sie keine Neigung, sich dem einen oder anderen Pol zu nähern, solange die Spule 8 . nicht von Strom durchflossen wird. Die elastische Kraft, die ausgeübt werden muß, um die. Membran in ihre Mittelstellung* zwischen den Polstücken zurückzubringen, ist daher sehr klein, und es ist infolgedessen möglich, bei einer Frequenz, die unterhalb aller wichtigen Sprachfrequenzen liegt, einen Resonanzpunkt der Membran zu erreichen. Ferner I greift die antreibende Kraft die wirksame Fläche der Membran in solcher Verteilung an, daß die Membran als Ganzes schwingt und sich nicht in Zonen aufteilt, die mit höherem Schwingüngsmodus schwingen, Die'ee Eigenschaften sind wichtig für eine Membran, die eine gleichmäßige Schallerzeugung innerhalb des ganzen wirksamen .Frequenzbereiches hervorbringen soll.

Die Benutzung eines Schallwegverlängeret s beseitigt nicht nur die Schwierigkeiten, die bei der Schaffung einer richtig gedämpften Kammer atf der Rückseite der Membran auftreten, sondern vergrößert auch die atisgesandte Schallmenge. Es wird nämlich durch beide Seiten der Membran eine nutzvolle Ausstrahlung erzeugt, so daß im Falle der Anwendung eines großen Schallwegverlängerers erheblich mehr Schallenergie ausgestrahlt wird als bei Nichtbenutzung eines Schallwegverlängerers und bei eingeschlossener Rückseite der Membran. Die Wand ist derart dimensioniert, daß die tiefen Frequenzen des wiederzugebenden Frequenzgebietes wirksam abgestrahlt werden, insbesondere die Frequenzen zwischen etwa 100 und 20° Hertz.

Bei Lautsprechern mit kleinen Membranen hat man bisher fast durchweg Schalltrichter angewendet. Ein Schalltrichter vergrößert die von der Membran ausgestrahlte Kraft durch Verkleinerung des Raumwinkels, in den die Ausstrahlung hineingesandt wird. Gleichzeitig aber werden störende Resonanz- und Gegenresonanzerscheinungen herbeigeführt, die bei einem Schallwegverlängerer so gut wie gar nicht auftreten. Auch wird der Trichter, wenn er für die Wiedergabe tiefer Frequenzen bestimmt, ist, verhältnismäßig groß und besitzt beträchtliche Richtwirkung, ist also zur Bestrahlung verhältnismäßig breiter Flächen nicht recht geeignet.

Bei Anwendung eines Schallwegverlängerers kann die Klangfarbe des Lautsprechers bis zu einem erheblichen Grade durch die Größe des Schallwegverlängerers beeinflußt werden. Ein großer Schallwegverlängerer ergibt eine tiefere Schallhöhe. Wie bereits erwähnt, wurden günstige Resultate mit einem tio Schallwegverlängerer von etwa 60 bis 100 cm Durchmesser erreicht.

Es ist ferner festgestellt, daß der Schallwegverlängerer, wie ihn die Abb. 3 und 4 veranschaulichen, eine konische Gestalt haben kann, wenn der Raumwinkel nicht viel weniger als 90⁰ beträgt, ohne die nachteiligen Resonanzerscheinungen der üblichen Schalltrichter hervorzurufen. Eine weitere günstige Anordnung ist ein Schallwegverlängerer iao in der Form eines niedrigen Kastens .mit offener Rückseite, wie dies, in den Abb. 5

Und 6 gezeigt ist. Es lassen sich natürlich viele andere Ausführungsformen angeben, die auch sehr wirksam sind und ungünstige Resonanzerscheinungen nicht aufweisen, wie z. B. ein pyramidenförmiger Schallwegverlängerer der in den Abb. 7 und 8 dargestellten Art.

Die Erfindung ist in ihrer Anwendung auf eine Membran beschrieben worden, die eine

ίο so kleine elastische Rückführungskraft aufweist, daß ihre Grundresonanzfrequenz tiefer ist als die wichtigen Sprachfrequenzen. Eine solche Membran kann als eine Membran mit Trägheitssteuerung bezeichnet werden. Der

t5 von ihr abgestrahlte Schall ist im wesentlichen dann unabhängig von der Frequenz, wenn der für den Antrieb der Membran benutzte Strom ebenfalls von der Frequenz unabhängig ist. Einen solchen Strom kann

ao man von einer Aufnahmevorrichtung der üblichen Art mit einer durch Elastizität gesteuerten Membran erhalten, also von einem Aufnahmeapparat, in welchem die Grundfrequenz höher liegt als die wichtigen Sprach-

»5 frequenzen. ,

Claims (15)

1. Patentansprüche:

   ι. Trichterloser Lautsprecher mit Schallwand, dadurch gekennzeichnet, daß eine nichtebene, vorzugsweise konische, durch allseitig nachgiebige Halterung auf eine unterhalb der niedrigsten wesentlichen Sprachfrequenz (etwa iooHertz) liegende Eigenfrequenz abgestimmte Membran an oder nahe der öffnung der Schallwand angeordnet und diese so bemessen ist, daß der akustische Kurzschluß der abzustrahlenden tiefen Frequenzen vermieden ist.
2. 2. Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis der Membran von einem flachen Ring aus leicht biegsamem Material, z. B. Gummi oder Tuch, getragen ist.

   ♦5
3. 3. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder 2,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Rand der Membran und dem Rand der öffnung der Wand derart ausgefüllt ist, daß kein Zwischenraum entsteht, der den Luftraum zwischen Vorder- und Rückseite der Membran verbindet.
4. 4. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die kegel-, kegelstumpfförmige oder sonstwie räumlich ausgedehnte Membran in den Raum hinter der Wand sich erstreckt.
5. 5. Lautsprecher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Membran und Antriebssystem lediglich von der Wand, zweckmäßig deren Rückseite, getragen sind.
6. 6. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis der Membran auf ihrem ganzen Umfang mit dem vorderen Polstück nachgiebig verbunden ist. '
7. 7. Lautsprecher nach Anspruch I und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran an dem ringförmigen Flansch des vorderen Polstückes befestigt ist.
8. 8. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran außer an der Basis noch an der Spitze nachgiebig gehaltert ist.
9. 9. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran an ihrer Spitze oder an dem abgestumpften Ende an einem mit Schlitzen versehenen, im. Innern der Membran befindlichen Körper z. B. mittels eines an der Spitze befestigten Bolzens nachgiebig' gehaltert ist.
10. 10. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite der Membran durch einen mit Schlitzen versehenen Körper abgedeckt ist, der mit dem Rande der Wandöffnung verbunden ist;
11. 11. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch ₌gekennzeichnet, daß Basis und abgestumpftes Ende der Membran nachgiebiger ausgebildet ist als der übrige strahlungsfähige Teil der Membran.
12. 12. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsfähige Teil der Membran aus einem an sich biegsamen Stoff besteht, der durch eine Drahtspule versteift wird, die in eine auf den Stoff aufgetragene Gummizementmasse eingebettet ist.
13. 13. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite der Membran durch im. Magnetkörper vorgesehene Öffnungen mit der Außenluft verbunden ist.
14. 14. Lautsprecher nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftweg zwischen Vorder- und Rückseite der Membran etwa 60 bis 100 cm beträgt,
15. 15. Lautsprecher nach Anspruch 1 -oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei trichterförmiger Wand der öffnungswinkel nicht viel kleiner ist als etwa 90°.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen