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Lautsprecher in einem mit einem akustischen Widerstand versehenen
Kasten Es sind Lautsprecher bekannt, die in einen mit einem akustischen Wiederstand
versehenen Kasten eingebaut sind. Der akustische Widerstand besteht aus einer durchlochten
Hinterwand des Kastens. Es ist bekannt, daß bei in einem Kasten eingebauten Lautsprechern
die hinter der Lautsprechermembran befindliche Luftsäule feinen ungünstigen Einfluß
auf .die Gütedes wiederzugebenden Schalles ausübt. Die Steifheit :der Membranaufhängung
zusammen mit der Masse der Membran und der eingeschlossenen Luftsäule hat eine bestimmte
Resonanzfrequenz, welche die Helmholtzresonanz des Systems genannt wird. Durch diese
Resonanz wird eine b@estimmte tiefe Frequenz des ausgestrahlten Schalles'stark bevorzugt,
so daß eine nichtlineare Verzerrung des Schalles unvermeidlich ist. Es wird danach
gestrebt, diese Helmholtzresonanz zu verringern, indem durch die Löcher in der Hinterwand
.der Widerstand des schwingenden Systems von unendlich groß (geschlossene Hinterwand)
auf einen .endlichen Wert verringert wird und damit die Einschwingungszeit der Helmholtzschwingung
herabgesetzt wird.
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Dieser Widerstand ist andererseits aber so dimensioniert, ,daß die
zweiseitig wirksame Strahlung der Lautsprechermembran nicht mehr auftreten kann.
Demzufolge ist der Widerstand der bekannten Anordnung ziemlich hoch bemessen.
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Es ist nun gefunden worden, daß neben dieser Helmholtzresonanz noch
eine weitere Resonanz zu berücksichtigen ist, nämlich die sog. Orgelpfeifenresonanz
des Kastens. Diese Resonanz wird von der Tiefenabmessung des Kastens hervorgerufen,
welche mit der durchlochten
Hinterwand als offene Orgelpfeife wirkt.
Bei den üblichen Kastenabmessungen liegt die Frequenz dieser Resonanz erheblich
höher als die Helmholtzresonanz und ruft also in einem anderen Frequenzgebiet des
Lautsprechers nichtlineare Verzerrungen hervor.
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Die Erfindung bezweckt, auch die Orgelpfeifenresonanz herabzusetzen.
Durch diese Orgelpfeifenresonanz ist bekanntlich die Volumengeschwindigkeit der
Luft am offenen Ende der Orgelpfeife, also in dem Kasten an der offenen Hinterse:ite.,
viele Male größer als an der Lautsprechermembran. Durch Anwendung eines .genügend
großen akustischen Widerstandes in dieser offenen Hinterseite kann die Orgelpfeifenresonanz
heruntergedrückt werden. Andererseits soll dieser akustische Widerstand aber nicht
so hoch bemessen werden, daß die Helmholtzresonanz in dein Kasten sich wieder geltend
macht und die zweiseitige Strahlung nicht mehr auftritt.
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Nach der Erfindung soll der akustische Widerstand zwischen zwei Grenzwerten
liegen, von denen der Mindestwert ein Verhältnis zwischen der Volumengeschwindigkeit
der Luft in dem Kasten an dem akustischen Widerstand und in dem Kasten an der Lautsprechermembran
von höchstens 3 :2 und der Höchstwert des akustischen Widerstandes ein solches Verhältnis
von mindestens 2 : 3 bedingt.
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Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme werden also nicht nur die 1-Ielmholtzresonanz,
sondern gleichzeitig die beiden störenden Resonanzen wesentlich herabgesetzt, und
der Lautsprecher behält seine zweiseitige Strahlungswirkung.
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Unter Volumengeschwindigkeit der Luft ist hier, wie üblich, das Produkt
der Luftgeschwindigkeit und der von .der Luft (durchströmten Oberfläche zu verstehen.
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Der akustische Widerstand darf sich weiter nicht auf einen zu kleinen
Teil der betreffenden Wand beschränken. Die beiden obenerwähnten Bedingungen können
in diesem Fall nämlich nicht mehr gleichzeitig erfüllt werden. Wenn die schalldurchlässige
Oberfläche des akustischen Widerstandes zu klein und der Widerstand so hoch gewählt
wird, daß der ersten Anforderung betreffs des Mindestwertes Genüge getan wird, wird
die Rückwirkung .auf die Membran wieder zu groß, was auf einen vergrößerten Einfluß
der Starrheit der Luft hinter 'der Membran zurückzuführen ist. Die geringste Größe
des luftdurchlässigen Teiles läßt sich am einfachsten experimentell aus der akustischen
Frequenzcharakteristik ermitteln.
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Es wurde bei der vorstehenden Erörterung angenommen, daß die Reaktanz
kleiner ist als der Widerstand, d. h. daß das Material des Widerstandes bei den
betreffenden Frequenzen an der Bewegung praktisch nicht teilnimmt. Dieser Anforderung
kann unter anderem Genüge getan werden, indem man den akustischen Widerstand aus
der Vereinigung einer oder mehrerer Schichten aus einem an sich biegsamen Stoff,
wie z. B. einem Gewebe oder dünnem porösem Papier, und eines mit Öffnungen versehenen
starren Körpers, z. B. einer grob durchlöcherten starren Platte, die als Stütze
des biegsamen Stoffes dient, bildet. Diese Kombination läßt sich auf billige und
einfache Weise herstellen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der einige
_-,usführungsbeispiele schematisch dargestellt sind.
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In Fig. i ist ein in einen Katen eingebauter Lautsprecher dargestellt,
bei dem die Hinterseite des Kastens durch einen akustischen Widerstand abgeschlossen
ist.
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In Fig. 2 sind gemessene Charakteristiken für einen Kasten mit dem
genannten akustischen Widerstand und ohne diesen Widerstand dargestellt.
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Die Fig. 3 und q. zeigen weitere akustische Frequenzcharakteristiken.
In Fig. i ist der Lautsprecher i in einer Öffnung in der Vorderwand eines Kastens
2 angeordnet, der etwa .I3 cm breit. etwa 34 cm hoch und etwa 27 cm tief ist. Die
Hinterwand des Kastens ist durch eine aus Holz oder Pappe bestehende starre Wand
3 von der Größe von etwa 1q. dm-' und einer Dicke von etwa 21/-1 mm abgeschlossen.
Diese Wand weist mehrere Löcher 4. mit einem Durchmesser von 6 mm auf, die über
einen großen Teil der gesamten Wandoberfläche verbreitet sind und je Flächeneinheit
etwa 20 bis 75 °/o, z. B. -to IM, einnehmen. Die Löcher nehmen also
insgesamt etwa o,4- 1q. = 5,6 dm° ein. Auf der Innenseite der Wand ist eine Schicht
aus biegsamem Stoff, wie porösem Papier oder ein Lappen eines Textilgewebes festgeklebt,
so daß der Stoff derart gestützt wird, daß das Ganze durch die Luftschwingungen
praktisch nicht bewegt wird. Die Unterstützung kann durch eine genügende
Starrheit oder durch ein ausreichendes Gewicht der Unterlage oder durch beides erzielt
werden.
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In dem Kasten kann außer dein Lautsprecher noch ein vollständiges
Rundfunkgerät eingebaut sein. Der akustische Widerstand kann gegebenenfalls außerdem
auch in einem oder mehreren Teilen der Seiten-, Unter- oder Oberwand, zweckmäßig
in der Nähe der Hinterwand, vorgesehen werden.
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Je nach er Größe des Kastens und der luftdurchlässig zu machenden
Oberfläche der Wand können irn allgemeinen Widerstandsstoffe verwendet .werden,
die je cm= einen
Widerstand von etwa 3o bis i5o mechanischen Ohm
besitzen. Unter einem mechanischen Ohm ist die Impedanz eines Systems zu verstehen,
das sich bei einem Antrieb durch eine Kraft von i Dyn mit einer Geschwindigkeit
von i cm/Sek. bewegt. Das geeignetste Material 'kann im Zusammenhang mit der durch
!die Öffnungen in der stützenden Platte freigelassenen gesamten Durchströmoberfläche
für jede Art eines Kastens mit Lautsprecher besonders bestimmt werden, was am .einfachsten
dadurch erfolgen kann, .daß man verschiedene Materialien versucht.
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Statt an einer einzigen starren Wand befestigt zu sein, kann der biegsame
Stoff auch zwischen zwei gelochten Platten angebracht und an einerder Platten festgeklebt
sein, derart, daß die Löcher der beiden Platten sich ganz oder teilweise gegenüberstehen.
Der auf diese Weise gebildete akustische Widerstand kann dadurch regelbar gemacht
werden, daß die eine Platte verschiebbar oder drehbar in bezug auf die -andere gemacht
wird, damit sich die Löcher in größerem oder geringerem Maße gegenüberstehen können.
Durch Verwendung eines Stoffes, wie z. B. Watte oder Schlackenwolle, ist es auch
durch Änderung des Abstandes zwischen den beiden Platten möglich, einen regelbaren
akustischen Widerstand zu erhalten.
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An Stelle eines akustischen Widerstandes in Form .einer durchlochten
starren Unterstützungsplatte, in der die Löcher durch eine oder mehrere Schichten
aus Tuch oder porösem Papier bedecktsi:nd, ist -auch ein Widerstand anwendbar, der
aus einem Gewebe von starren Metalldrähten und biegsamen, z. B. dünneren Drähten
aus Metall oder Faserstoff besteht.
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Ein einfaches Verfahren zur Messung des obenerwähnten Verhältnisses
zwischen den Volumengeschwindigkeiten der Luft in der Nähe der Membran und der Luft
in der Nähe des ,akustischen Widerstandes sowie der Rückwirkung auf die Membran
ist folgendes. Der Lautsprecher, der im Kasten zu verwenden_ ist, wird ohne Kasten
in einer Öffnung einer großen Schirmplatte angeordnet, :die zur Vermeidung von Raumresonanzen
im Freien aufgestellt ist. Nacheinander wird die Sprechspule mit einem Strom von
2o Hertz an stets ansteigender Frequenz gespeist. Die Intensität bleibt jedoch für
jede Frequenz gleich. In einigem Abstand, z. B. von Metern, werden von :einem Mikrophon
die infolge der Schallschwingungen verursachten Luftdruckänderungen aufgenommen,
die auf irgendeine bekannte Weise aufgezeichnet werden. Es wird auf -diese Weise
eine Charakteristik erhalten, die über einen Frequenzbereich von 2o bis iooo Hertz
ein Maß für de verschiedenen Volumengeschwindigkeiten in der Nähe der Membran ist.
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Der Lautsprecher wird jetzt im Kasten angeordnet, worauf letzterer
mit-:der mit einem akustischen Widerstand versehenen Hinterseite an der Öffnung
der Schirmplatte und dem registrierenden Mikrophon zugekehrt angeordnet wird. Der
Lautsprecher wird auf dieselbe Weise, wie bereits beschrieben, gespeist, und die
Luftdruckänderungen werden wiederum aufgezeichnet. Das Mikrophon muß sich in bezug
auf die Schirmplatte selbstverständlich .an derselben Stelle befinden wie bei der
ersten Messung. Die zweite Aufzeichnung gibt jetzt ein Maß für die Volumengeschwindigkeit
in .der Nähe des akustischen Widerstandes.
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Ein Verfahren zur Bestimmung der akustischen Frequenzcharakteristik,
bei dem der Schallausstrahlung in verschiedenen Richtungen Rechnung getragen wird,
wie dies auch bei Rundfunkgehäusen in einem Zimmer vorkommt, dessen Wände einen
Teil des Schalles zurückwerfen, besteht in der Aufnahme der Druckänderungen, z.
B. mit Hilfe eines Mikrophons, die durch ein sich drehendes Rundfunkgehäuse mit
Lautsprecher in der freien Luft herbeigeführt werden. Der Lautsprecher wird gleichfalls
auf die bereits beschriebene Weise gespeist. Dieses Verfahren wird dazu angewendet,
um möglichst einen Mittelwert der Schallausstrahlung in allen Richtungen erhalten
zu können. Eine Geschwindigkeit von etwa 7o bis 8o Umdrehungen in der Minute hat
sich dazu als sehr geeignet erwiesen. Die Charakteristiken der Fig:2, 3 und 4. wurden
auf diese Weise aufgenommen.
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In Fig.2 stellt die ausgezogene Linie A die akustische Wiedergabecharakteristik
eines Rundfunkgerätes mit einem in den Kasten eingebauten Lautsprecher ohne akustischen
Widerstand dar. Die durch die Hinterwand des Kastens eingenommene Oberfläche beträgt
in diesem Fall wie bei dem Kasten. nach Fig. i etwa 14. dm2. Der ausgeprägte Scheitel
R1 bei etwa 225 Hertz, der infolge des Einbaues in den Kasten entstanden ist und
bei der Wiedergabe zu vermeiden ist, läßt sich durch Verwendung eines geeigneten
akustischen Widerstandes derart abflachen, daß eine Charakteristik gemäß der punktierten
Linie B erzielt wird. Es hat sich als möglich erwiesen, die Abweichungen von der
geraden Linie weniger als etwa 3 bis .l. Decibel betragen zu lassen, was aus Fig.
2 ersichtlich ist, und bedeutet, @daß der gestellten Anforderung betreffs des höchsten
Verhältnisses i12 zwischen den ° obenerwähnten Volumengeschwindigkeiten Genüge getan
ist.
Es ergibt sich außerdem aus der Kurve B, daß der Scheitel @R
in der Kurve A, der die Grundresonanz des Lautsprechers im offenen Kasten darstellt,
auf eine nicht störende Größe R. herabgesetzt .ist.
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Die strichpunktierte Linie C in dieser Figur gibt einen Eindruck von
demjenigen, was vorgeht, wenn der akustische Widerstand zu groß ist. Die Grundresonanz
R. des Lautsprechers selbst ist nach. den höheren Frequenzen verschoben und hat
außerdem wieder an Intensität zugenommen (s. Kurve C bei Rg) durch eine Vergrößerung
der auf die Membran rückwirkenden Kraft infolge des zu großen Wertes des gesamten
akustischen Widerstandes. Durch eine solche Wahl dieses Widerstandes, daß dieser
Scheitel R3 höchstens etwa q. Decibel über dem nahezu flachen Teile der Kennlinie,
z. B. über ;Ioo bis 8oo Hertz, zu liegen kommt, läßt sich dieser störende Scheitel,
wie sich aus der Kurve B ergibt, vermeiden.
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In Fig. 3 sind akustische Frequenzeharak-'eristiken eines Lautsprechers
in einem Kasten mit einer Hinterwand von etwa 1d. dm= wie in Fig. i dargestellt.
Die Oberfläche der Löcher .I (s. Fig. i) in dieser Wand betrug in diesem Fall etwa
0,7 dm°, d.-h. etwa 5°10 der gesamten Oberfläche -der 'EIinterwand. Durch
den Umstand, daß dieses Verhältnis der Oberflächen zu klein ist, wird die akustische
Impedanz der Löcher, anab:hängig davon, ob in ihnen ein akustischer Widerstand vorgesehen
ist oder nicht, so groß, daß unerwünschte Unregelmäßigkeiten in der Charakteristik
auftreten.
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Die Kurven A', B' und C' stellen die Charakteristiken des mit dem
Lautsprecher versehenen Kastens für den Nullwert und zwei verschiedene größere Werte
des akustischen Widerstandes der Hinterwand bei einer zu kleinen Oberfläche des
Widerstandes dar. Die unzulässigen Unregelmäßigkeiten zeigen sich durch zu hohe
Scheitel R', Ri und R3 , die den Scheiteln R bzw. R1 bzw. R3 in Fig. 2 entsprechen.
Die Unregelmäßigkeiten lassen sich in dieseln Fall durch keinen einzigen Widerstandswert
innerhalb zulässiger Grenzen zurückbringen. Bei Vergrößerung der Anzahl der Löcher
in der Hinterwand bis zu etwa 1.4 dm= nimmt der Wert der obenerwähnten Impedanz
bereits so viel ab, daß die Unregelmäßigkeiten in der Charakteristik bis auf zulässige
Werte herabgesetzt «-erden.
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Dies ist aus Fig. d. ersichtlich, in der die Kurven .d",
B" und C" Frequenzcharakteristiken darstellen, die den Kurven _-I'. B' und
C' der Fig. 3 entsprechen, in -dem Sinne, daß die spezifischen Widerstände in Fig.4.
die zu den Kurven A", B" und C" gehören, den Nullwert bzw. einen passend gewählten
Wert bzw. einen zu großen Wert besaßen. Die Scheitel R", R," und R3' entsprechen
dabei den Scheiteln R', R, und R," der Fig. 3.