NO312799B1 - Fluid-dempet akustisk innbyggings-system - Google Patents

Abstract

Det er tilveiebrakt et fluid-dempet, akustisk innbyggings-system (10) for en høyttaler (100). En innkapsling eller boks (2) definerer et første og et andre kammer (14,6) adskilt av en felles vegg (20) som høyttaleren (100) er montert i på tettende måte. Det første kammeret () er lufttett, og det andre kammeret (16) har en åpning (18) i en vegg (12s) i dette som kommuniserer med boksens (12) utside. En fleksibel blære (2) er fylt med et fluidum (24) og holdes i det første kammeret (14) en gitt avstand fra høyttaleren (00). Blæren (22) mottar akustiske trykkbølger som genereres av høyttaleren (100). Blæren (22) er videre mekanisk koplet til en del av minst en vegg i det første kammeret (14) som kommuniserer med boksens (12) utside.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt høyttaler-bokser, og mer spesielt et fluidum-dempet, akustisk innbygnings-system.

En høyttaler som vibrerer isolert, frembringer svært lite lyd. Grunnen for dette er at bølgene som dannes på forsiden av og bak høyttaleren, effektivt kan utslukke hverandre. Når høyttaler-konen skyves fremover, dannes en kompresjon med høyt trykk foran og en fortynning med lavt trykk bak konen. Dersom lydens bølgelengde er stor i sammenligning med høyttalerens dimensjoner, vil det dannes en luftstrøm mellom områdene med høyt og lavt trykk, med det resultat at lydintensiteten reduseres vesentlig.

For å forhindre en slik reduksjon av lydintensiteten kan en høyttaler monteres i et baffel. Baffelet forhindrer at luften foran høyttaleren kan kommunisere med luften bak. Et baffel er effektivt så lenge den resulterende banelengde mellom høyttalerens front og bakside er større enn lydens bølgelengde. Med andre ord må tiden som behøves for at en forstyrrelse kan vandre fra forside til bakside, være lengre enn en periode av konens bevegelse.

Høyttalere er imidlertid vanligvis ikke montert i et baffel. Den normale er at høyttalere monteres i en innbyg-ningsenhet (boks, kasse). Mens et slikt arrangement forhindrer transport av luft fra høyttalerens forside til baksiden, oppstår andre problemer i forbindelse med lavfrekvent lydgjengivelse. I forhold til lavfrekvent lyd (1 - 150 Hz)

kan generelt et menneskeøre ikke detektere lydsignaler under omtrent 20 Hz. Allikevel vil de vibrerende inntrykk som oppfattes av lydsignaler under 20 Hz, som typisk kan fremkomme under en ledende opptreden, forsterke lytteopplevelsen. Imidlertid er selv de beste lavfrekvens-høyttalersystemer, eller "sub-basser" som de vanligvis kalles, bare i stand til å gjenskape effektivt lavfrekvens-signaler ned til omkring 15

Hz, og de har vanligvis behov for en svært høy effekt for å få til dette.

Det er følgelig et formål for foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et akustisk høyttalersystem som gjengir lavfrekvente lydsignaler effektivt.

Et trekk ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et akustisk høyttalersystem hvis lavfrekvens- eller bass-respons svært nær simulerer responsen i faktiske instrument-toner.

Et annet trekk ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et akustisk høyttalersystem som effektivt gjengir lydsignaler under 15 Hz.

Andre trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil bli mer åpenbare i den beskrivelse som følger, og i tegningene.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt et akustisk innbyggings-system for en høyttaler. En boks eller kasse definerer et første kammer over et andre kammer. Det første og andre kammer adskilles av en felles, horisontal vegg i hvilken høyttaleren er montert avtettet. Det første kammeret er lufttett, og det andre kammeret har en åpning i en vegg i kammeret som er åpen mot boksens utside. En fleksibel blære er fylt med et fluidum og holdes i det første kammeret i en gitt avstand over høyttaleren. Den fleksible blæren mottar akustiske trykkbølger generert av høyttaleren. Blæren er mekanisk koplet til en del av minst en vegg (for eksempel topp-veggen) i det første kammeret som kommuniserer med boksens utside. En fleksibel støtte er anbrakt under blæren. Den fleksible støtten deler det første kammeret horisontalt i et tredje kammer som deler en felles toppvegg med det første kammeret, og et fjerde kammer som befinner seg mellom den felles horisontale veggen og den fleksible støtten. Fig. la er et skjematisk riss over det akustiske innbyggings-systemet ifølge en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse; Fig. lb er et skjematisk riss over en alternativ utførelse av det akustiske innbyggings-systemet ifølge foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 er et tverrsnitt gjennom en foretrukket utførelses- konstruksjon av boksen; og Fig. 3 er et planriss over utførelsen av den fleksible veggen i figur 2.

Idet det nå henvises til tegningene, og mer spesielt til figur la, vises her et skjematisk riss over et akustisk innbyggingssystem 10 for en høyttaler 100 ifølge en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse. Høyttaleren 100 er en konvensjonell, dynamisk lavfrekvens-høyttaler eller bass-høyttaler, idet valg av høyttaler ikke er en begrensning ved foreliggende oppfinnelse. Systemet 10 innbefatter 10 en boks 12 med et lufttett øvre kammer 14 og et nedre kammer 16 med en åpning 18 som åpner seg mot omgivelsene. Slik det er normalt for høyttaler-kasser, er hele innbyggings-strukturen konstruert stiv. Høyttaleren 100 er montert i en vegg 20 som adskiller og avtetter det øvre kammeret 14 fra det nedre kammeret 16. Slik det fremgår, er høyttaleren 100 montert for å stråle oppover, inn i det øvre kammeret 14.

En fleksibel blære 22 befinner seg i det øvre kammeret 14, en avstand 1 over høyttaleren 100. Blæren 22 er fylt med en væske 24 via ventilen 26. Når blæren 22 er fylt, kan den avtettes permanent og installeres i det øvre kammeret 14. Alternativt kan ventilen 26 være en ventil som kan åpnes, og blæren 22 kan være utskiftbar i forhold til det øvre kammeret 14 for å forenkle fylling og tømming av blæren. Væsken 24 velges slik at den forblir i sin væske-fase gjennom området med forventede driftstemperaturer for systemet 100. For de fleste formål kan væsken 24 være vann. Dersom det er nødvendig med drift av systemet 10 ved lavere temperaturer, kan det imidlertid være passende med saltvann eller vann med en antifrost-tilsetning. Omvendt kan det være nødvendig, ved ekstremt høye temperaturer, å benytte en vann/kjølemiddel-blanding for å forhindre koking. Mengden av vann eller blanding med vann som benyttes for å fylle blæren 22, er omtrent lik 4 liter (1 gallon) pr 5 cm (2 tommer) høyttaler-diameter d. Eksempelvis, dersom høyttaleren 100 har en diameter på 45 cm (18 tommer), er det nødvendig med 34 liter (9 gallons) væske 24 for å fylle blæren 22.

Blæren 22 støttes og holdes i høyden 1 zover høyttaleren 100 av en fleksibel vegg 28 som er festet til og opphengt i sideveggene 12s i boksen 12. For å forenkle diskusjonen og analysen av foreliggende oppfinnelse skal det nå antas at den fleksible veggen 28 er hovedsakelig horisontal, slik at 1 zer hovedsakelig konstant. Det er funnet eksperimentelt at 1 zer lik omtrent halvparten av høyttalerens 100 diameter d. Slik det vil bli forklart nærmere nedenfor, er den fleksible veggen 28 utformet med perforeringer 28a for å tillate at lydtrykk som genereres av høyttaleren 100, kan passere gjennom den fleksible veggen.

Når blæren 22 fylles, utvider den seg slik at den hovedsakelig fyller kammeret som defineres av boksens 12 toppvegg 12t, sideveggene 12s og den fleksible veggen 28. Når blæren 22 er fylt, er den i kontakt med en eller flere av toppveggen 12c og sideveggene 12s. Siden blæren 22 innsettes fra toppen av boksen 12, er toppveggen 12t hovedsakelig en fjernbar del av boksen 12 som kan avtettes ved hjelp av hvilke som helst vanlige midler når den er på plass. Av grunner som skal forklares nærmere nedenfor, kan man i visse anvendelser samtidig benytte blæren 22 som boksens 12 toppvegg, slik at blæren 22 danner en lufttett forsegling sammen med sideveggene 12s slik at det øvre kammeret 14 er lufttett. En slik alternativ utførelse er vist i figur lb. Dersom blæren 22 Skal kunne tømmes og fylles nå og da, kan ventilen 26 være igjen-tettbar og strekke seg gjennom og være avtettet i en av sideveggene 12s eller gjennom toppveggen 12t.

Ved drift genererer høyttalerens fleksible kon 104 lyd-trykkbølger med lik og motsatt størrelse i både øvre kammer 14 og endre kammer 16. Når det gjelder det øvre kammeret 14, faller bølgene inn mot og passerer gjennom (via perforeringene 28a) den fleksible veggen 28. Undersiden av blæren 22 mottar bølgene og overfører disse gjennom væsken 24. Bølgene forplanter seg gjennom væsken 24, og koples til sideveggene 12s og til toppveggen 12t, dersom denne finnes, overalt hvor blæren 22 er i kontakt med en vegg. På denne måten koples lydbølger til relativt stive, utstrålende overflater, nemlig til boksen 12. Samtidig reflekteres en del av hver trykkbølge tilbake mot bølgens kilde, d.v.s. høyttaleren 100, og bevirker en reflekterende dempeeffekt i området for øvre kammer 14 under den fleksible veggen 28 og på konen 104. I tillegg, fordi den væskefylte blæren 22, den fleksible veggen 28 og konen 104 alle er fleksible og sammentrykkbare av konstruksjon, utgjør de et komplekst fjær-system som har en tendens

til å oscillere på en slik måte at eksiterings-frekvensen /^moduleres (eller utvides) noe. Dette, koplet med den relativt store massen av de "utstrålende overflatene" (som dannes av boksen 12) , kombinerer seg for å gi en lavfrekvens-respons med "full" lyd.

Lavfrekvens-responsen med den "fulle" lyd kan beskrives fysisk og matematisk ved å undersøke resonans-frekvensene f for en boks eller innkapsling, gitt ved

hvor v er lydhastigheten, d.v.s. omtrent 345 m/s; n^, n^., nz er heltall 0, 1, 2, 3, 4,....; og 1 , 1 og 1 er boksens lineære dimensjoner langs x, y og z-aksene. Siden den sterkeste kraftkomponenten som virker på blæren 22, går i vertikal retning (d.v.s. tyngdekraften og opp-adrettede lydbølger fra høyttaleren 100), ér det bare nødvendig å se på resonansfrekvenser langs den vertikale aksen, z-aksen. Således gjelder for tilfellet n2 = 1,

Når høyttaleren 100 energiseres, oscillerer dimensjonen 1z gjennom et lite område av avstander som er sentrert omkring dimensjonen 1^. Istedenfor en enkeltpunkts resonansfrekvens f, moduleres følgelig resonansfrekvensen for å tilveiebringe et lite område av resonansfrekvenser sentrert omkring f.

Det innsees at oppfinnelsen som er beskrevet ovenfor, vil gjelde en rekke forskjellige fasonger av innbygningsbokser samt materialer brukt i disse. For eksempel kan boksen eller innkapslingen 12 være sylindrisk, rektangulær, oktagonal o.s.v. Gjennom et beskrivende eksempel vises en rektangulær innbyggings-konstruksjon basert på det skjematiske risset i figur la, i nærmere detalj i figur 2, hvor elementer som er de samme som i figur la, beskrives med de samme henvisningstall. Blæren er utelatt fra figur 2 for klarhets skyld. Boksen 12 er stivt konstruert av et tett materiale som normalt skrus og limes sammen i samvirke med en rekke lister 32. For å oppnå best mulige utstrålings-egenskaper er materialet som benyttes for å konstruere boksen 12, et laminat slik som kryssfiner eller et laminert kompositt-materiale.

Den fleksible veggen 28 understøttes av og er festet til sideveggene 12s ved hjelp av lister 32. Den fleksible veggen 28 må være sterk nok til å understøtte den fluidumfylte blæren, og allikevel kunne bøye seg del av det komplekse fjærsystemet som innbefatter den fluidfylte blæren og høyttaler-konen 104. Den fleksible veggen 28 kan være av et materiale slik som en fleksibel duk eller et trelaminat. Et slikt materiale som oppfører seg på egnet måte, er et trelaminat som fremstilles av Georgia Pacific med varemerket "Lionite". Slik det fremgår av planrisset i figur 3 er den fleksible veggen 28 forsynt med en rekke sirkelformede perforeringer 28a for å tillate at trykkbølger kan passere slik som beskrevet ovenfor. Selv om formen og arrangementet av perforeringene 28a må være slik at den fleksible veggens 28 strukturelle integritet ikke settes i fare, er ikke spesielle trekk vedrørende perforeringene 28a og deres arrangement noen begrensning vedrørende foreliggende oppfinnelse.

Bladene 22 kan konstrueres av et hvilket som helst fleksibelt og væske-ugjennomtrengelig materiale slik som polyvinyl eller gummi. Blærens dimensjoner velges slik at når den nødvendige væskemengde fyller blæren, kommer deler av blæren i kontakt med sideveggene 12s og toppveggen 12t i innkapslingen 12 slik det er beskrevet ovenfor med hensyn til figur la. Videre, slik det er nevnt ovenfor, kan det være ønskelig for visse anvendelser å la blæren 22 tjene som topp-avtettingskomponent for det øvre kammeret 14, slik det vises i utførelsen i figur lb. På denne måten kan en større mengde lyd-vibrasjonsenergi frigjøres, siden stivheten av toppveggen 12t tenderer til å dempe den avgitte effekt fra systemet 10. Selv om det er tilfelle at slik demping er riktig for den oftest forekommende rom-akustikk, kan akustikken i store haller gi behov for frigjøring av en større mengde lyd-vibrasjonsenergi, som kan oppnås med utførelsen ifølge figur lb. Det skal imidlertid bemerkes at nærværet av en stiv toppvegg 12t, slik den vises i figur la, forenkler håndtering av systemet 10, siden veggen beskytter blæren 22.

For å forbedre koplings-effektiviteten kan det øvre kammeret 14 og den nedre kammeret 16 innbefatte baffel-systemer for å rette lavfrekvente bølger som genereres av høyttaleren 100, slik at avrullings-forhold for basstoner elimineres eller reduseres i kamrene. Når det gjelder det øvre kammeret 14 i det rektangulære systemet 10 vist i figur 2, fremgår et slikt enkelt baffel-system som kunne benyttes, som en hovedsakelig konisk forlengelse 36 av konen 104. Anvendelse av den koniske forlengelsen 36 forhindrer at lavfrekvente bølger samler seg i de nedre hjørnene 38 av øvre kammer 14. Med hensyn til nedre kammer 16 i det rektangulære systemet 10 vist i figur 2, vises et enkelt enplate-baffel 40 som forhindrer at lavfrekvente bølger samler seg i hjørnet 42.

Fordelene ved foreliggende oppfinnelse er tallrike. Det akustiske innbyggings-systemet som beskrives her, gjengir effektivt hørbare og sub-hørbare frekvenser fra 0 til 150 Hz. Videre oppnås en full lavfrekvens-respons ved å frembringe et område av resonansfrekvenser som er sentrert om hver punkt-resonansfrekvens.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet i forhold til en spesiell utførelse av denne, foreligger det tallrike variasjo-ner og modifikasjoner som vil være lett tilgjengelige for fagfolk innen teknikken i lys av overstående lære. Man skal derfor være klar over at oppfinnelsen kan utøves på annen måte enn det som er spesifikt beskrevet her, idet oppfinnelsens bredde angis i de vedføyde patentkravene.

Claims (16)

1. Akustisk innbyggingssystem for en høyttaler, innbefattende en innkapsling eller boks som definerer et første og et andre kammer som er adskilt av en felles vegg som høyttaleren er montert i på avtettende måte, karakterisert ved at det første kammeret er lufttett og at det andre kammeret har en åpning i en vegg i dette som kommuniserer med boksens utside, og ved en fleksibel blære-anordning som er fylt med et fluidum og holdes i det første kammer en gitt avstand fra høyttaleren for å motta akustiske trykkbølger som genereres av høyttaleren, hvilken blære-anordning er mekanisk koplet til en del av minst en vegg i det første kammer som kommuniserer med boksens utside.

2. Akustisk innbyggingssystem ifølge krav 1, karakterisert ved at den gitte avstanden er en vertikal høyde.

3. Akustisk innbyggingssystem ifølge krav l eller 2, karakterisert ved at det innbefatter en anordning for å tilveiebringe fleksibel støtte for blære-anordningen i det første kammer, idet den fleksible støtte-anordningen fortrinnsvis er konstruert for å tillate at de akustiske trykkbølgene som genereres av lavfrekvens-høyt-taleren, kan passere gjennom denne.

4. Akustisk innbyggingssystem ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det første kammer er anbrakt på toppen av det annet kammer, med den felles vegg horisontalt anbrakt mellom disse, og at systemet innbefatter en anordning for å tilveiebringe fleksibel støtte under blære-anordningen, hvor den fleksible støtte-anordningen deler det første kammeret horisontalt i et tredje kammer som deler en felles toppvegg med det første kammer, og et fjerde kammer som befinner seg mellom den felles horisontale vegg og den fleksible støtteanordning.

5. Akustisk innbyggingssystem ifølge krav 4, karakterisert ved at den nevnte del av den ene vegg i det første kammer, innbefatter den nevnte felles topp-vegg.

6. Akustisk innbyggingssystem ifølge krav 5, karakterisert ved at delen av den ene vegg i det første kammer innbefatter minst en sidevegg i det tredje kammer som kommuniserer med boksens utside.

7. Akustisk innbyggingssystem ifølge krav 4, 5 eller 6, karakterisert ved at det fjerde kammer innbefatter en første baffel-anordning for å øke den akustiske koplingseffektivitet mellom det tredje og det fjerde kammer.

8. Akustisk innbyggings-system ifølge krav 4, 5, 6 eller 7, karakterisert ved at det annet kammer innbefatter en andre baffel-anordning for å øke den akustiske koplings-effektivitet mellom det annet kammer og boksens utside.

9. Akustisk innbyggingssystem for en lavfrekvens-høyttaler, innbefattende en hovedsakelig rektangulær innkapsling eller boks som definerer et første, hovedsakelig rektangulært kammer oppå et andre, hovedsakelig rektangulært kammer, hvor det første og det annet kammer er adskilt ved hjelp av en felles, horisontal vegg som høyttaleren er montert i på avtettende måte slik at.høyttalerens kon vender oppover, karakterisert ved at det første kammer er lufttett og det annet kammer har en åpning i en vegg i dette som kommuniserer med boksens utside, idet det annet kammer videre innbefatter en baffel-anordning montert i minst en del av hjørnene i det annet kammer for å øke den akustiske koplingseffektivitet mellom det annet kammer og boksens utside, videre ved en fleksibel blære-anordning som er fylt med et fluidum og som holdes i det første kammer en gitt avstand over høyttaleren for å motta akustiske trykkbølger som genereres av høyttaleren, idet blære-anordningen er mekanisk koplet til en del av minst en vegg i det første kammer som kommuniserer med boksens utside, og en anordning for å tilveiebringe fleksibel støtte under blære-anordningen, hvor den fleksible støtte-anordningen deler det første kammer horisontalt i et tredje kammer som deler en felles toppvegg med det første kammer og et fjerde kammer som befinner seg mellom den felles, horisontale vegg og den fleksible støtte-anordningen, idet det fjerde kammer videre innbefatter en baffel-anordning for å øke den akustiske koplings-effektivitet mellom det tredje og det fjerde kammer.

10. Akustisk innbyggingssystem ifølge krav 9, karakterisert ved at det fjerde kammerets baffel-anordning omfatter en hovedsakelig konisk formet vegg som strekker seg oppover og utover fra høyttalerens omkrets til sidevegger i det fjerde kammer.

11. Akustisk innbyggingssystem ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at høyttaleren er en lavfrekvens-høyttaler og at blære-anordningen er fylt med omtrent 3,8 liter (1 gallon) fluidum pr 5,1 cm (2 tommer) diametermål for lavfrekvens-høyttaleren.

12. Akustisk innbyggingssystem ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at blære-anordningen innbefatter en gjen-tettbar anordning gjennom hvilken blære-anordningen kan fylles med og tømmes for det nevnte fluidum.

13. Akustisk innbyggingssystem ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at fluidet er valgt for å forbli i den flytende fase gjennom et forventet område av drifts-temperaturer.

14. Akustisk innbyggingssystem ifølge krav 10, karakterisert ved at fluidet innbefatter vann, og fortrinnsvis er vann.

15. Akustisk innbyggingssystem ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at høyttaleren er en lavfrekvens-høyttaler og at den gitte avstand er omtrent lik halvparten av lavfrekvens-høyttalerens diametermål.

16. Akustisk innbyggingssystem ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at boksen som definerer det første og det annet kammer, er av laminat-konstruksjon, og fortrinnsvis er konstruert av kryssfiner.