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Aus einer Einheit bestehender, zur Erzielung einer gleichmäßigen,
schwankungsfreien Schalldruckverteilung vor der Membran innerhalb eines größeren
räumlichen Winkels dienender Lautsprecher Die Erfindung betrifft einen Lautsprecher,
der besonders zur gleichmäßigen Wiedergabe eines verhältnismäßig @ breiten, vorzugsweise
im akustischen Hörbereich liegenden 'Frequenzgebietes geeignet sein soll. Das Verhältnis
von erzeugtem Schalldruck zur erregenden Kraft soll auf der Vorderseite der Membran
innerhalb eines größeren räumlichen Winkels weitgehend konstant sein.
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Die meisten Lautsprecher, vornehmlich die der elektromagnetischen,
elektroakustischen und elektrodynamischen Type, sind bisher so ausgeführt, daß die
schallstrahlende Membran entweder in einem einzigen Punkt, einer Linie oder einer
Fläche durch eine periodisch veränderliche, erregende Kraft möglichst gleichmäßig
in der Weise angetrieben wird, daß die erregende Kraft das gesamte zu übertragende
Frequenzgebiet umfaßt. Besitzt die Membran ausreichende mechanische Steifigkeit
und ist ihre Masse hinreichend klein, so schwingt sie unter der Wirkung der gleichmäßig
angreifenden erregenden- Kraft kolbenförmig. In gleichen. Augenblicken bewegen sich
alle Teile der Membran in Richtung der erregenden Kraft-mit gleicher Phase und Amplitude.
Ist die Frequenz der erregenden Kraft so hoch, daß die von der in einer genügend
großenebenen Schallwand kolbenförmig schwingenden Membran abgestrahlte akustische
Wellenlänge
nicht mehr groß, gegen die linearen Abmessungen der
Membran selbst ist, so erfolgt in bekannter Weise für Beobachtungspunkte vor der
Membran, deren Abstand von der Membranläche groß gegen die akustische Wellenlänge
ist, durch Interferenz eine Schallfeldverzerrung. Das Schallfeld wird unter Umständen
zu mehr oder weniger scharfen, räumlich verteilten Schallstrahlen gebündelt. Die
frequenzabhängige Schallverteilung vor der Membran erfolgt nicht nur in Punkten
längs einer ausgezeichneten Linie, z. B. der Lautsprecherachse, sondern im allgemeinen
in wachsendem Maße auf Linien, welche größere Winkel zur Lautsprecherachse einschließen.
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Schwingt die strahlende Membran nicht mehr, wie bisher angenommen,
kolbenförmig, sondern in teilweise gegenphasigen Teilschwingungen, etwa infolge
nicht genügender mechanischer Steifigkeit oder infolge der mit steigender Frequenz
besonders stark wirksam werdenden Massenkräfte, so wird dag bei großflächigen Kolbenmembranen
an sich schon stark verzerrte Schallfeld noch ungleichförmiger und damit für praktische
Fälle unbeherrschbar.
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Diese Nachteile lassen sich nicht lediglich dadurch vermeiden, daß
z. B. die linearen Abmessungen der strahlenden Membran für die Übertragung eines
großen Frequenzgebietes klein gegen die kleinste akustische Wellenlänge des übertragungsbereichs
gemacht werden, da die Lautstärke einer Membran mit kleiner werdender Fläche schnell
abnimmt und damit vor allem für tiefere Frequenzen meist ungenügend wird.
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Durch die Erfindung sollen diese Nachteile vermieden werden. Die strahlende
Lautsprechermembran wird nicht, wie bisher, in ihrer ganzen Ausnehmung oder in zufälligen,
durch Festigkeitseigenschaften bedingten, unbeherrschbaren Teilen erregt, sondern
die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe der Erzielung einer gleichmäßigen schwankungsfreien
Schalldruckverteilung vor der Membran innerhalb eines größeren räumlichen Winkels
mit Hilfe eines aus einer Einheit bestehenden Lautsprechers, dessen Membran aus
verschiedenen Teilen besteht und bei dem die einzelnen Teile dieser unterteilten
Lautsprechermembran, welche miteinander zweckmäßig mechanisch nicht oder nur lose
gekoppelt sind, mit je einer besonderen erregenden Kraft angetrieben werden, wird
erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß die einzelnen erregenden Kräfte bestimmte,
begrenzte, voneinander verschiedene Frequenzbereiche umfassen und daß Jeder einzelne
Teil der mechanisch unterteilten Membran derart bemessen ist, daß er entweder in
dem ihm zugewiesenen Frequenzbereich kolbenförmig schwingt oder daß doch die linearen
Abmessungen jedes einzelnen Membranteils jeweils kleiner sind als die kleinste akustische
Wellenlänge desjenigen Frequenzbereichs, den der einzelne Membranteil gleichmäßig
und schwankungsfrei wiedergeben soll.
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Nach dem weiteren Gegenstand der Erfindung wird ein aus einer Einheit
bestehender Lautsprecher, dessen Membran aus verschiedenen Teilen besteht und bei
dem die einzelnen Teile dieser unterteilten Lautsprechermembran, die zweckmäßig
miteinander mechanisch nicht gekoppelt sind, mit je einer besonderen erregenden
Kraft angetrieben werden, derart ausgeführt, daß der eine schwingungsfähige Membranteil,
der von einem Frequenzbereich angetrieben wird, nämlich von den tiefen Frequenzen,
durch seine räumliche Formgebung nicht nur als Schallstrahler dient, sondern zugleich
als Schallführung für die Schallstrahlung, die von einem andern Membranteil, nämlich
dem von höheren Frequenzen angetriebenen, ausgesandt wird.
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Insbesondere können derartige erfindungsgemäße Lautsprecher so ausgeführt
werden, daß für die Erregung durch tiefere Frequenzbereiche eine übliche konische
oder kegelstumpfförmige Membran, für die Erregung durch hohe Frequenzbereiche eine
speziell hochtonempfindliche Membran verwandt wird, z. B. eine solche, die nach
außen, d. h. in Richtung der Schallstrahlung, gewölbt (konvex) ist.
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Es sind Lautsprecher bekannt, und zwar sowohl ebenflächige, elektrostatische
Lautsprecher als auch elektrodynamische Konus-Iautsprecher sowie sonstige Schallstrahler,
insbesondere bestehend aus mehreren verschieden großen Einzelstrahlern, bei denen
die schwingende Membran ebenfalls in eine Mehrzahl von zweckmäßig verschieden großen
Teilflächen unterteilt ist. Diese Unterteilungen haben mit der Erfindung nichts
gemeinsam. Durch diese Unterteilungen soll lediglich erreicht werden, daß die einzelnen
Membranteile voneinander verschiedene Eigenschwingungen erhalten. Wäre die Membran
nicht unterteilt, so hätte sie, wenn man von Teil- i schwingungen absieht, im allgemeinen
eine einzige Haupteigenschwingung. Fiele die Frequenz der erregenden Kraft mit dieser
Haupteigenschwingung zusammen, so würde für diese Frequenz die Erregung der Membran
besonders kräftig werden und dadurch eine starke Lautstärkeerhöhung ergeben. Zweck
dieser erwähnten einfachen Unterteilung ist ledijlich, die Haupteigenschwingung
in ihrer Wirkung zu schwächen und die durch Resonanz entstehenden unerwünschten
Lautstärkespitzen zu vermeiden. Die erregende
Kraft umfaßt bei diesen
erwähnten Lautsprechern in allen Fällen das, gesamte zu übertragende Frequenzgebiet.
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Auch wenn in bezug auf einen Lautsprecher mit aus mehreren Zonen verschiedener
Größe bestehender Konusmembran gesagt worden ist, daß dabei die Gewähr geschaffen
worden sei, daß auch die hohen Frequenzen infolge der Wirksamkeit der kleineren
Zonen gut abgestrahlt werden, so bezieht sich dieser Glesichtspunkt lediglich auf
die Art der Abstrahlung von der Membran, während die Frage, wie die Schallstrahlung
von den einzelnen Membranteilen an einem bestimmten Punkt des Schallfeldes .eintrifft
und sich aus den einzelnen Schallquellen zusammensetzt, dort nicht erörtert worden
ist, insbesondere ist dort die Aufgabe der Erzielung einer gleichmäßigen schwankungsfreien
Schalidruckverteilung innerhalb eines größeren räumlichen Winkels vor der Membran
nicht berührt.
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Bei der Erfindung dagegen wird in ihrer besten, weitgehendsten Ausführungsform
das gesamte zu übertragende Frequenzgebiet in eine Reihe von Frequenzintervallen
der erregenden Kraft geteilt, von denen jedes: einzelne erregende Frequenzband nur
in je einem Membranteil für die Schallstrahlung wirksam wird. Weiterhin wird -die
Membran derart ausgeführt, daß die Teile der Membran, welche von den einzelnen erregenden
Frequenzbändern gesondert angetrieben werden, gerade in diesen ihnen zugeführten
Frequenzbändern, ohne zusätzliche Teilschwingungen, d. h. möglichst kolbenförmig,
gleichmäßig und verzerrungsfrei arbeiten.
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Um leicht übersehbare akustische Abstrahlungsverhältnisse zu erhalten,
ist es vorteilhaft, die Membran in der Weise zu unterteilen, daß alle Unterteilungen
völlig frei und unabhängig voneinander schwingen können, daß, also alle Teile vorzugsweise
mechanisch schwach oder gar nicht mechanisch gekoppelt sind. Dies kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, daß den Stellen der Membran, welche die einzelnen Membranteile
voneinander scheiden, eine erhöhte Biegsamkeit .erteilt wird, z. B. durch Anordnung
von an sich bekannten Rillen, welche in eine zusammenhängende Membranfiäche eingeprägt
sind, oder daß man die Membran in mechanisch völlig voneinander getrennte Zonen
unterteilt und mit weichem, elastischem Zwischenmaterial wieder verbindet oder daß
man die Membranteile überhaupt ohne jede mechanische Kopplung frei beweglich läßt.
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Die Formgebung der einzelnen Membranteile und die Bemessung der Stärke
der einzelnen erregenden Kräfte verfolgt vorzugsweise derart, daß für den ganzen
akustischen übertragungsbereich eine möglichst gleichmäßige Schallstrahlung erzielt
wird.
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In den Abbildungen sind einige Ausführungsformen der Erfindung schematisch
gekennzeichnet.
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Fig. i zeigt eine Lautsprechermembran, zweckmäßig eine Großflächenmembran
i, die in vier Membranteileii, 12, , 13, i¢ unterteilt ist, derart, daß jeder
Teil für sich möglichst frei und ungehindert schwingen kann. Membranteil i i möge
im Beispiel so ausgeführt sein, . daß er vorzugsweise die ganz tiefen Frequenzen
günstig abstrahlt, Membranteil 12 die mittleren Frequenzen, Membranteil
13 die höheren und Membranteil i ¢ die höchsten Frequenzen. Die Anpassung
der einzelnen Membranteile an die einzelnen Frequenzgebiete braucht nicht allein
durch die Formgebung, Gestalt der schwingenden Fläche, Krümmung usw.. zu erfolgen,
sondern kann auch erzielt werden durch die Abmessungen der Membran, die Wahl des
Werkstoffs und die sonstigen Mittel, durch die an sich bekannt ist, die Schallstrahlung
einer Membran einem bestimmten Frequenzgebiet anzupassen. Membranteil i i möge durch
das Magnetsystem 2 i betrieben werden, Membranteil 12 durch das System 22, die Membranteile
i3 und 1q: durch die Systeme 23 bzw. 2q.. Diese mögen elektrisch derart geschaltet
sein, daß dem Magnetsystem 2 i die tiefen Frequenzen zugeführt werden, dem System
22 die mittleren Frequenzen, System 23 die höheren Frequenzen und dem System 2¢
die höchsten Frequenzen. Zu diesem Zweck können z. B. in den Zug der Leitungen zu
den Erregersystemen elektrische Siebketten o. dgl. eingeschaltet sein. Die Siebketten,
welche die einzelnen Systeme 21 bis 24 mit den Lautsprecherströmen .l 2 i bis
124 erregen, mögen die Kennlinien besitzen, die .in Fig.2 für die einzelnen
Systeme schematisch dargestellt sind in Abhängigkeit von der Frequenz/. In der Gesamtheit
werden demnach alle Frequenzen innerhalb des übertragungsgebietes zu irgendeinem
System durchgelassen, die einzelnen Frequenzen aber vorzugsweise einem solchen System
zusortiert, bei welchem die Abstrahlung besonders günstig ist.
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Die elektrischen Siebketten, welche den Frequenzbereich der einzelnen
erregenden Kräfte begrenzen, können häufig dadurch vereinfacht oder gar ersetzt
werden, indem die mechanischen Eigenschaften der schwingenden Membranteile in bekannter
Weise z. B. durch Abstimmung auf die jeweils tiefste zu übertragende Frequenz zur
Frequenzbegrenzung passend mit herangezogen werden.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung für einen elektrodynamischen
Lautsprecher. Diese stellt einen Axialschnitt durch eine
zweckmäßig
rotationssymmetrische Anordnung dar. Die :Membran i sei unterteilt in einen äußeren
Ring i i, einen weiter innen liegenden Ring 12 und einen innersten Ring oder eine
Scheibe 13. In Fig. 3 sind die äußeren Ringe großflächiger als die inneren,
so daß durch die größere strahlende Fläche die Schallstrahlung tieferer Frequenzen
hinreichend kräftig wird. Fig.2 zeigt eine schematische Darstellung des Magnetfeldes,
in das die Tauchspulen 2 i des Membranteils 11, 22 des Membranteils 12 und
23 des Membranteils 13 eintauchen. Der Tauchspule 2 i werden die tiefen Töne, 22
die mittleren und 23 die höheren und höchsten Töne zugeführt.
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Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem
sind die für verschiedene Frequenzgebiete in Betracht kommenden Membranteile entsprechend
den verschiedenen Frequenzgebieten verschiedenartig ausgebildet. Fig. 4 stellt wiederum
eine zweckmäßig rotationssymmetrische Anordnung im Axialschnitt schematisch dar.
i i ist eine im wesentlichen kegelstumpfförmig gestaltete i Membran, z. B. aus Pappe,
wie bei üblichen großflächigen Konusmembranen, angetrieben durch eine Tauchspule
2 i, die sich in dem wiederum schematisch dargestellten Magnetfeld 2 befindet. Diese
Membran eignet sich gut für die Wiedergabe der tieferen und mittleren Frequenzen.
In der Mitte dieser kegelstumpfförmigen Membran ist nun eine weitere Membran 12
angeordnet, die besonders für die Übertragung der höheren Frequenzen geeignet ist
und von der Tauchspule 22 angetrieben wird. Die Membran i i strahle beispielsweise
die Frequenzen unter i ooo Hz, die Membran i 2 diejenigen über i ooo Hz ab. Die
Membran 12 kann so ausgeführt sein, wie man gemäß einem Vorschlag des Erfinders
die Membranen von Hochtonlautsprechern ausbilden kann, etwa in Gestalt einer dünnen,
gewölbten Membran, zweckmäßig in Form einer Kugelkalotte aus leichtem, schallfestem
Werkstoff, z. B. Aluminium- oder Magnesiumlegierungen oder Membranpapier. Damit
diese hohen Frequenzen gut und gleichmäßig abgestrahlt werden, wird man die Umgebung
der Hochtonmembran zweckmäßig derart ausbilden, daß innerhalb eines größeren räumlichen
Winkels die Schallstrahlung ungehindert und möglichst gleichmäßig erfolgen kann.
Dies kann erfindungsgemäß, wie Fig.4 andeutet, derart erreicht werden, daß die auf
die tieferen und mittleren Frequenzen ansprechende kegelstumpfförmige Membran i
i gleichzeitig als Leitfläche dient, durch welche die räumliche Strahlung der Membran
12 entsprechend geführt und nicht behindert wird. Die Formgebung der Meridianschnittlinie
der Leitmembran i i erfolgt ' zweckmäßig so, daß Hohlraumresonanzen innerhalb der
kegelstumpfförmigen Membran i i nicht störend. in Erscheinung treten.
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Die tiefsten Töne können ferner durch eine weitere, z. B. ebene oder
gewölbte großringförmige Membran i o, welche seitlich an die kegelstumpfförmige
Membran i i anschließt und durch eine Tauchspule 2o mit den tiefsten Frequenzen
erregt wird, wiedergegeben werden. Diese Anordnung, die nach Fig.4 noch angefügt
werden kann, ist in Fig. 4 gestrichelt angedeutet, einschließlich der hierzu notwendigen
Verbreiterung des Magnetfeldes. Im einzelnen können beispielsweise der Tauchspule
2o die tiefen Frequenzen bis etwa 3oo Hz zugeführt werden, wenn für die Abstrahlung
dieser Frequenzen die Membran i o besonders bemessen ist, der Tauchspule 21 die
Frequenzen von 3oo bis etwa iooo Hz, wenn die Membran i i diese günstig wiedergibt
und schließlich der Tauchspule 22 die Frequenzen über i ooo Hz.
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Besonders übersichtliche Verhältnisse für die Schallabstrahlung erhält
man, wenn in der beschriebenen Weise die Frequenzgebiete der erregenden Kraft voneinander
möglichst getrennt sind. Weniger günstig sind solche Ausführungen, bei denen diese
Unterteilung in verschiedene Frequenzgebiete, die den. ein- i zelnen Erregungssystemen
zugeführt werden, nur unvollkommen erfolgt. Solche unvollkommene Unterteilungen-
können aber Vorteile in bezug auf ihre einfache konstruktive und wirtschaftliche
Durchführung bieten. Dies soll durch Fig. 5 erläutert werden. Wenn beispielsweise
eine Membran i i für konstante erregende Kraft eine akustische Frequenzkurve in
der Lautsprecherachse besitzt, die etwa Fig. 5 entspricht, so werden durch. eine
solche Membran die tieferen Töne einwandfrei, die höheren aber mäßig oder fast gar
nicht wiedergegeben. Eine einfache, aber für den vorliegenden Fall meist noch durchaus
wirksame Ausführung der Erfindung besteht darin, daß man neben diesen Membranteilen
.einen weiteren Membranteil vorsieht, der vorzugsweise für die höheren Frequenzen
anspricht, etwa nach Fig.4, und daß man der Verbindung der Stromzuführung (Tauchspule
o. dgl.) dieser Membran mit der Leitung des Lautsprecherstromes einfach einen Kondensator
vorschaltet. Die höheren Frequenzen werden durch diesen Kondensator durchgelassen,
die tieferen jedoch nicht. Wenn auf diese Weise eine vollständige elektrische Siebkette
durch einen einfachen Kondensator ersetzt und gleichzeitig die mechanische Abstimmung
der Hochtonmewbran an die untere Frequenzgrenze des Hochtonbereichs gelegt wird,
erhält man ebenfalls eine verhältnismäßig scharfe, frequenzmäßige Begrenzung.
der
erregenden Kraft, damit aber eine bedeutende schaltungsmäßige Vereinfachung. Die
schematische Darstellung dieser Stromzuführung zeigt Fig. 6. 2 i und 22 stellen
die Erregungssysteme für die Membranen i i und 12 dar, 3 einen Kondensator in Serie
zum Erregungssystem 22.