Rundstrahlende Lautsprechervorrichtung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
rundstrahlende (omnidirektionale) Lautsprechervorrichtung, die ein
Gehäuse aufweist, das mit einem Lautsprecher und einem dem
Lautsprecher zugeordneten Verteilungselement für
akustische Wellen bestückt ist.
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Üblicherweise weisen die akustischen Gehäuse einen
oder mehrere Lautsprecher auf, die in der gleichen
Richtung orientiert sind. Wegen der von Natur aus bestehenden
Gegebenenheiten der Ausbreitung akustischer Wellen breiten
sich die niederfrequenten Wellen omnidirektional aus, d.h.
im Raum verteilt, ohne daß es eine bevorzugte
Ausbreitungsrichtung gibt, während die hochfrequenten Wellen
demgegenüber sich eher in einer bevorzugten Richtung
ausbreiten. Das bedeutet, daß um die akustischen Wirkungen
voll aufnehmen zu können, ohne die hohen Töne des hörbaren
Spektrums zu verlieren, sich der Zuhörer in einem
Beschallungsbereich aufhalten muß, der auf die Achse der
Abstrahlung des akustischen Gehäuses zentriert ist.
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Als Hinweis sei erwähnt, daß das hörbare Spektrum aus
der Gesamtheit der zwischen 20 Hz und 20.000 Hz liegenden
Frequenzen besteht und schematisch in drei Teile
unterteilt ist: Den oberen Bereich, in dem die hohen Töne
(Höhen) Frequenzen oberhalb von 5.000 Hz entsprechen; den
mittleren Bereich, in dem die mittleren Töne (Mitten)
Frequenzen zwischen 150 Hz und 5.000 Hz entsprechen und
den unteren Bereich, in dem die Baßtöne (Bässe) Frequenzen
unterhalb von 150 Hz entsprechen. Die von dem Lautsprecher
oder den Lautsprechern erzeugten Schallwellen liegen im
Prinzip in dem hörbaren Spektrum.
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Um dem Nachteil klassischer akustischer Gehäuse
abzuhelfen, wurde schon vorgeschlagen, den räumlichen
Schallabstrahlwinkel des Gehäuses durch Verwendung eines
Schallwellenreflektors zu vergrößern. Eine wesentliche
Eigenschaft der Schallwellen ist nämlich, daß je größer
die Frequenz wird, um so mehr die Reflexion an einer
starren Oberfläche ins Gewicht fällt. Daraus folgt, daß
mit Hilfe eines Reflektors der Ausbreitungsweg der hohen
Töne (Höhen) leichter abgelenkt werden kann als jener der
Bässe
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Konkret bestand die Lösung in einer bezüglich einer
Achse rotationssymmetrischen Beschallungsvorrichtung mit
auf diese Achse zentriertem Lautsprecher. Der Lautsprecher
ist in ein geschlossenes kugelförmiges Gehäuse oder in ein
Endteil einer Tonsäule eingebaut, die ein rohrförmiges
akustisches Labyrinth aufweist und deren anderes Ende
offen ist. Dem Lautsprecher gegenüberliegend ist ein
Reflektor angeordnet, dessen Reflexionsfläche durch
Rotation eines Parabel- oder Hyperbelbogens um die
Symmetrieachse erzeugt ist.
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Auf diese Weise werden die von dem Lautsprecher
erzeugten hohen Töne des hörbaren Spektrums von dem
Reflektor reflektiert und geleitet, wobei sie einen Raum von
360º um die Symmetrieachse abdecken und ein Abstrahlwinkel
270º erreicht werden kann.
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Abgesehen von der Vergrößerung des Abstrahlwinkels
der Vorrichtung bei den hohen Tönen erlaubt es der vor dem
Lautsprecher angeordnete Reflektor die bei den klassischen
Systemen unmittelbar vor dem Lautsprecher erzeugte
Luftturbulenz zu beseitigen oder wirksam zu verringern und
damit die Qualität des abgestrahlten Schalles zu
verbessern.
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Der Einsatz des Reflektors zum Erzielen einer
omnidirektionalen Abstrahlung der hohen Töne macht es aber
notwendig, daß der Lautsprecher zu dem Reflektor und nicht
zu dem Zuhörer hin gewandt angeordnet ist. Eine solche
Anordnung hat keinen unmittelbaren Einfluß auf die
Ausbreitung der Bässe, die bereits omnidirektionale
Eigenschaften aufweisen. Was aber die Mitteltöne (Mitten)
anbelangt, so ist insofern der akustische Wirkungsgrad eher
bescheiden.
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Zwischen den Höhen und den Bässen liegend können
nämlich die Mitten nur zu einem sehr kleinen Teil reflektiert
werden, so daß sie sich in nur geringem Maße
omnidirektional ausbreiten. Daraus ergibt sich, daß die bis heute
bekannten Lautsprechervorrichtungen mit Reflektor keine
wirksame Wiedergabe der von dem Lautsprecher erzeugten
Mitteltöne des hörbaren Spektrums ergeben, allgemein
gesehen sind es aber gerade die Mitten, die stärker
benötigt werden, als die Höhen und die Bässe.
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Darüberhinaus ist aus der amerikanischen
Patentschrift US-A 3 819 005 eine rundstrahlende
Lautsprechervorrichtung bekannt, die ein im wesentlichen kugelförmiges
Gehäuse aufweist, das mit zwei Lautsprechern versehen ist,
die voneinander getrennt und radial zur Außenseite des
Gehäuses hin orientiert sind und die über zwei
rotationssymmetrische Schallwellenreflektoren verfügt, die den
Lautsprechern gegenüberliegend angeordnet und mechanisch
mit dem Gehäuse über eine das Gehäuse umgebende
Einrichtung verbunden sind. Jeder Reflektor ist durch die
Rotation zweier Kreisbogen unterschiedlicher Radien erzeugt.
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Außerdem ist aus der amerikanischen Patentschrift
US-A 1 943 499 ein Schallverstärker bekannt, der zwei
Schallkanäle aufweist, die auf beiden Seiten eines oder
mehrerer Lautsprecher angeordnet sind und der über eine
Ausgleichskammer verfügt, die zwischen den beiden
Schallkanälen ausgebildet ist, um unerwünschte
Schallinterferenzen zu beseitigen, die von den beiden Schallkanälen
herrühren. Der vor dem Lautsprecher angeordnete Schallkanal
weist ein zentrales Rohr in Gestalt eines Hornes auf, das
durch einen ringspaltförmigen Trichter (Rotationstrichter)
mit ringförmigem Querschnitt verlängert ist.
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Wie bei den klassischen omnidirektionalen
Lautsprechervorrichtungen erlaubt das Fehlen der Druckkammer bei
den in den vorgenannten amerikanischen Patentschriften
vorgeschlagenen Lautsprechervorrichtungen keine wirksame
Anhebung der von den Lautsprechern erzeugten Mitten des
hörbaren Spektrums.
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Ziel der Erfindung ist es, dem vorgenannten Nachteil
abzuhelfen und eine omnidirektionale
Lautsprechervorrichtung zu schaffen, die über das ganze hörbare Spektrum und
insbesondere in den Mitten sich durch eine hohe
Leistungsfähigkeit auszeichnet.
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Die erfindungsgemäße rundstrahlende
Lautsprechervorrichtung weist ein rotationssymmetrisches Gehäuse auf, das
einen auf die Symmetrieachse zentrierten und axial zum
Gehäuseaußenraum hin orientierten Lautsprecher aufweist
und über ein bezüglich der Symmetrieachse
rotationssymmetrisches Verteilungs- oder Reflexionselement akustischer
Wellen verfügt, das gegenüber dem Lautsprecher angeordnet
und mechanisch mit dem Gehäuse verbunden ist. Das
Verteilungs- oder Reflexionselement begrenzt mit dem Gehäuse
einen rotationssymmetrischen Raum, der einerseits aus
einem Zentralvolumen vor der Lautsprecher und andererseits
aus einem ringspaltförmigen Trichter (Rotationstrichter)
besteht, dessen Ringquerschnitt von seinem ringförmigen
Eingang bis zu seinem ringförmigen Ausgang zunimmt.
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Erfindungsgemäß bildet das Zentralvolumen vor dem
Lautsprecher eine Druckkammer für von dem Lautsprecher in
dem hörbaren Spektrum erzeugte Schallwellen, wobei die
Querschnittsfläche des peripheren Ausgangs der Druckkammer
kleiner ist als die Oberfläche der Membrane des
Lautsprechers. Ein auf der Symmetrieachse zentrierter Hochtöner
oder mehrere regelmäßig um die Symmetrieachse verteilte
Hochtöner ist bzw. sind in der Druckkammer angeordnet. Die
Hochtöner sind Lautsprecher, die Schallwellen in dem
oberen Teil des hörbaren Spektrums abstrahlen.
Vorteilhafterweise schließt der Richtungsvektor der Abstrahlfläche
der Hochtöner jeweils einen Winkel von weniger als 90º mit
der Symmetrieachse ein, derart, daß die Hochtöner zu dem
Reflektor hin gerichtet sind.
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Der periphere Ausgang der Druckkammer besteht mit
Vorteil aus einem ringsumlaufenden Halsteil, der eine
Einschnürung der ringförmigen Schnittfläche der Druckkammer
darstellt. Dieser rundumlaufende Halsteil kann längs des
peripheren Randes des Lautsprechers liegen.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung
weist der Reflektor einen auf der Symmetrieachse
zentrierten und auf den Lautsprecher zu gerichteten
rotationssymmetrischen Vorsprung auf. Am Ende des Vorsprunges ist ein
Stützelement in Gestalt eines Sternes angeordnet, bei dem
jeder Arm einen Hochtöner trägt. In gleicher Weise ist es
möglich den oder die Hochtöner unmittelbar auf dem
Vorsprung des Reflektors in einer zweckentsprechenden
Ausrichtung zu montieren.
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Die Änderung des Ringquerschnitts des Trichters von
dessen Eingang zu seinem Ausgang hin folgt mit Vorteil
einem exponentiellen Wachstumsgesetz; sie kann aber ebenso
hyperbolisch oder konisch sein.
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Das den Lautsprecher tragende Gehäuse, welches für
die niedrigen Frequenzen die akustische Belastung bildet,
kann in verschiedener Weise ausgeführt sein. Insbesondere
kann es von der Art eines Helmholtzresonators mit
angepaßter Entlüftungsöffnung sein. Es kann entweder eine
Entlüftungsöffnung oder mehrere Entlüftungsöffnungen aufweisen,
die regelmäßig um die Symmetrieachse verteilt und dem
Lautsprecher gegenüberliegend angeordnet sind.
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Mit Vorzug sind das Gehäuse und der Reflektor mittels
mehrerer gleichförmig um die Symmetrieachse verteilter und
dem ringförmigen Querschnitt des peripheren Ausgangs der
Druckkammer folgender starrer Stangen miteinander fest
verbunden. Auf diese Weise wird die Fläche des
Austrittsquerschnittes durch das Vorhandensein der Stangen in noch
kleinerem Maße verringert.
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Der Reflektor und der den Rotationstrichter bildende
Teil des Gehäuses müssen eine glatte Oberfläche aufweisen,
um die Reflexionsbedingungen für die Schallwellen zu
verbessern. Das Gehäuse und der Reflektor sind mit Vorteil
aus einem leichten Material, beispielsweise aus einem
steifen Kunststoff oder aus Aluminium hergestellt, um
damit das Gewicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu
verringern.
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Ein besseres Verständnis der Erfindung folgt aus dem
Studium der detaillierten Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels, das als nicht beschränkend zu verstehen und in
der einzigen beigefügten Zeichnung dargestellt ist, welche
einen schematischen Axialschnitt der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zeigt.
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Gemäß der einzigen Figur verfügt die erfindungsgemäße
omnidirektionale Lautsprechervorrichtung über ein Gehäuse
1, einen Lautsprecher 2, ein Schallwellenverteilungs- oder
Reflektorelement 3 und mehrere Hochtöner 4. Der
Lautsprecher 2 ist in die Wand 5 des Gehäuses 1 über einen
ringförmigen Trägerflansch 6 eingesetzt, der die Umf
angsberandung des Lautsprechers 2 umgibt.
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Der Lautsprecher 2 ist vertikal nach oben
ausgerichtet, wobei seine Achse XX' die gemeinsame Symmetrieachse
des Gehäuses 1 und des Reflektors 3 bildet. Das Gehäuse 1
weist eine Entlüftungsöffnung 7 in Gestalt eines Rohres
auf, das zum Inneren des Gehäuses 1 hin gerichtet und
koaxial zu der Symmetrieachse XX' angeordnet ist. Das von
dem Gehäuse 1 umschlossene Volumen 8 trägt zu einer
Verstärkung der Bässe, insbesondere im Bereich um eine
Resonanzfrequenz, bei, die durch-die Entlüftungsöffnung 7
abgestimmt ist, welche einen bevorzugten Auslaß für die
niederfrequenten akustischen Wellen darstellt.
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Der Reflektor 3 ist auf dem Gehäuse 1 mittels
mehrerer nicht dargestellter steifer Stangen befestigt, die
gleichmäßig um den Lautsprecher 2 herum verteilt sind,
wobei sie einem strichpunktiert dargestellten
Ringquerschnitt 9 folgen.
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Der so montierte Reflektor 3 begrenzt mit der Wand 5
des Gehäuses 1 einen rotationssymmetrischen Raum um die
Achse XX', wobei dieser Raum in zwei Teile unterteilt ist:
Ein Zentralvolumen 10 vor dem Lautsprecher 2 und einen
ringspaltförmigen Trichter (Rotationstrichter) 11 um das
Zentralvolumen 10. Die Trennfläche zwischen dem
Zentralvolumen 10 und dem Trichter 11 ist durch den ringförmigen
Schnitt 9 dargestellt, der gleichzeitig den
umfangsseitigen (peripheren) Auslaß des Zentralvolumens 10 und den
Eingang des Trichters 11 bildet. Der ringförmige Auslaß 12
des Trichters 11 ist durch einen zwischen dem Außenrand 13
des Reflektors 3 und dem Gehäuse 1 ausgebildeten
ringförmigen Querschnitt gebildet, wobei diese Querschnittsfläche
durch die Rotation eines Stückes der Geraden um die Achse
XX' erzeugt ist, die dem Abstand zwischen dein Außenrand 13
des Reflektors 3 und dem Gehäuse 1 entspricht.
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Erfindungsgemäß ist die Ringquerschnittsfläche 14
durch die Rotation eines dem Abstand eines Punktes 15 auf
dem Reflektor 3 und dem Gehäuse 1 entsprechenden
Geradenstücks um die Symmetrieachse XX' erzeugt. Die Veränderung
des Ringquerschnittes 14 des Trichters 11, von dessen
Einlaß 9 bis zu dessem Auslaß 12 gehorcht einem monotonen,
vorzugsweise exponentiellen Wachstumsgesetz. Demgemäß
weist der Eingang 9 des Trichters 11 den kleinsten
Querschnitt
des Trichters auf.
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Erfindungsgemäß bildet der Eingang 9 des Trichters 11
gleichzeitig den peripheren Auslaß des Zentralvolumens 10
und er muß kleiner sein als die Oberfläche der Membran 16
des Lautsprechers 2, derart, daß in dem Volumen 10 eine
Druck- oder Kompressionskammer 10 für die Schallwellen,
insbesondere in den Mitteltönen und in einem Teil der
Bässe ausgebildet ist.
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Die Kombination der Druckkammer 10 mit dem Trichter
11 bewirkt eine Erhöhung der akustischen Abstrahlleistung
bei den Mitteltönen und den Bässen sowie eine Verstärkung
der entsprechenden Schallwellen am Auslaß 12 des Trichters
11. Die Innenfläche 17 des Reflektors 3 wie auch die von
dem Eingang 9 und dem Auslaß 12 des ringspaltförmigen
Trichters (Rotationstrichters) 11 begrenzte Außenfläche 18
des Gehäuses 1 sind glatt, um damit eine gute Reflexion
der Schallwellen gewährleisten zu können.
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Auf diese Weise werden die hohen Töne und die
Mitteltöne sowie gegebenenfalls ein Teil der Bässe auf der
Innenfläche 17 des Reflektors 3 und auf der Außenfläche 18
des Gehäuses 1 zu dem Auslaß 12 des ringspaltförmigen
Trichters (Rotationstrichters) 11 hin geleitet. Die aus
dem Ausgang 7 des Gehäuses 1 ausgetretenen Bässe sind dem
noch hinzuzufügen. Auf diese Weise erzielt die
erfindungsgemäße Vorrichtung eine omnidirektionale Beschallung um die
Achse XX'mit einem insbesondere für die Mitteltöne
erhöhten Wirkungsgrad. Die Beschallungszone liegt demgemäß
unter der Vorrichtung, ihr Ausmaß ist näherungsweise durch
eine kegelstumpfförmige Fläche begrenzt, welche den
Reflektor 3 tangential nach unten zu verlängert.
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Die von dem Lautsprecher 2 erzeugten Mitteltöne und
ein Teil der Bässe erfahren konkret zunächst eine
Kompression in der Druckkammer 10, bevor sie durch den
ringförmigen Halsteil 9 treten, der den peripheren Auslaß
bildet und dessen Ringquerschnittsfläche kleiner ist als
die Oberfläche der Membran 16 des Lautsprechers 2. Die
entsprechenden Wellen treten sodann in den Trichter 11
ein, dessen zunehmende Querschnittsabmessungen eine
Anpassung zwischen der hohen Strahlungsimpedanz des
ringförmigen Halsteiles und der niedrigen akustischen Impedanz
der Luft auf der Außenseite des Trichter bewirken. Auf
diese Weise wird die Abstrahlleistung im Bereiche der
Mitteltöne und eines Teiles der Bässe wesentlich erhöht.
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Was die von dem Lautsprecher 2 abgestrahlten hohen
Töne anbelangt, so trägt die Druckkammer 10 nicht zu einer
wesentlichen Erhöhung der Abstrahlleistung in diesem Teil
des Spektrums bei.
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Um die Abstrahlleistung im Bereich der hohen Töne zu
erhöhen, sieht die Erfindung einen oder mehrere Hochtöner
4 kleiner Abmessungen vor, der oder die auf einem
Stützelement 19 angeordnet ist bzw. sind, das an dem Ende eines
axialen Vorsprunges 20 des Reflektors 3 befestigt ist. Bei
Verwendung mehrerer Hochtöner ist das Stützelement 19 in
Form eines Sternes mit so vielen Armen ausgebildet, wie
Hochtöner 4 zu haltern sind. Die abstrahlende Seite 21 der
Hochtöner ist jeweils vorzugsweise zu der Innenfläche l7
des Reflektors 3 hin orientiert.
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Nach einer ersten Reflexion auf dem zentralen Teil
der Innenfläche 17 treten die hohen Töne aus der
Druckkammer 10 aus, um sodann gegebenenfalls von der
Außenfläche 18 des Gehäuses 1 und/oder der Innenfläche 17 des
Reflektors 3 reflektiert zu werden, bevor sie durch den
Auslaß 12 hindurchtreten. Da die Summe der abstrahlenden
Flächen der Hochtöner 4 wesentlich kleiner ist als die
Querschnittsfläche des ringförmigen Halsteiles 9, wird von
der Kammer 10 auf die von den Hochtönern abgestrahlten
Schallwellen keinerlei Kompressionswirkung ausgeübt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Reflektor 3
und die Wandung 5 des Gehäuses 1 jeweils durch die
Rotation eines gekrümmten Bogens um die Symmetrieachse XX'
erzeugt, dessen Krümmungsradius sich gleichmäßig ändert.
In gleicher Weise können aber auch andere Kurvenformen als
Erzeugende verwendet werden, wie Ausschnitte von Geraden
oder Kreisbögen. Es ist von Vorteil, den Reflektor
resonanzarm auszubilden, um parasitäre akustische Effekte zu
vermeiden. Eine Lösung dazu besteht darin, die Außenfläche
22 des Reflektors mit einem akustisch absorbierenden
Überzug, beispielsweise aus Gummi, zu überziehen.
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In der Praxis geschieht die elektrische
Stromversorgung des Lautsprechers 2 und der Hochtöner 4 mittels
eines elektrischen Kabels, das den Vorsprung 20 des
Reflektors 3 axial durchdringt. Die erfindungsgemäße
omnidirektionale Beschallungsvorrichtung kann sowohl längs der
Symmetrieachse XX' aufgehängt, als auch mittels eines
geeigneten Ständers in geneigter Lage verwendet werden.