Vorrichtung für Schallstrahler zur Beseitigung akustischer Kurzschlusserscheinungen bei Lautsprechern

Abstract

 Vorrichtung für Schallstrahler zur Beseitigung akustischer Kurzschlußerscheinungen bei Lautsprechern. Die Vorrichtung weist wenigstens drei Lautsprecher (1) auf und jeder der Lautsprecher ist an je eine geschlossene Mantelfläche aufweisende starre Wand (2) derart angeschlossen, daß durch die Membran (3) des Lautsprechers (1) das eine Ende der durch die Mantelfläche umgrenzten Luftsäule (4) abgeschlossen ist, wohingegen das andere Ende der Luftsäulen mit dem äußeren Luftraum in Verbindung steht. Die Längsabmessungen der Mantelflächen sind derart gewählt, daß die kürzeste durch die Luft verlaufende Verbindungsstrecke zwischen der Vorderseite und der Hinterseite der jeweiligen Membran (3) nicht kürzer als ein Drittel der Wellenlänge der auszustrahlenden Schallwelle der untersten Frequenz sind, wobei die Länge der Luftsäulen (4) voneinander und von der halben und viertel Wellenlänge der Selbstresonanz der angeschlossenen Lautsprecher verschieden sind und die Eingänge (5, 6) der Lautsprecher (1) einen Generator (7) niedriger Impedanz angeschlossen sind.

Beschreibung

[0001] Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, mit deren Hilfe die gegenseitige Auslöschung von gegenphasigen Schallwellen, die durch die vordere und die hintere Membranfläche von Lautsprechern erzeugt sind, verhindert werden können. Die Vorrichtung kann in erster Linie bei Tieftonstrahlern verwendet werden.

[0002] Eine der wichtigsten Aufgaben der Schallstrahler ist die Beseitigung der akustischen Kurzschlußerscheinungen der angeschlossenen elektroakustischen Wandler (Lautsprecher) Eine klassische Lösung hierfür besteht in der Anwendung einer durch eine starre ebene Platte gebildeten Schallwand, deren Rand sich außerhalb eines um die Achse des Lautsprechers gelegten Kreises mit dem Radius λ /4 befindet, wobei A die Wellenlänge der tiefsten auszustrahlenden Frequenz bedeutet. Im Falle einer für Tieftonlautsprecher unerläßlichen unteren Grenzfrequenz von 30 bis 40 _Hz beträgt die kleinste Lineare Abmessung der Schallwand 5,7 bis 4,3 Meter, so daß solche Schallwände in der Praxis nicht verwendbar sind.

[0003] Die meisten modernen Tieftonstrahler werden mit Lautsprechern betrieben, die weich aufgehängt sind und einen kleinen Membrandurchmesser mit großem Stoß aufweisen. Sie sind außerdem geschlossen, derart, daß der akustische Kurzschluß verschwindet und verhältnismäßig kleine Boxenabmessungen vorliegen. Die untere Grenzfrequenz solcher Schallstrahler hängt in erster Linie von dem Gehäusevolumen ab. Solch ein Gehäuse muß gut abgedichtet und in erstklassiger Tischlerarbeit mit steifen Wänden gefertigt werden.

[0004] Infolge des Prinzips der Betriebsart soll der angewendete Schallstrahler - um eine niedrige untere Grenzfrequenz zu erreichen - einen kleinen Durchmesser aufweisen, wodurch die Belastbarkeit stark beeinflußt wird. Die charakteristischen Merkmale eines Studio-Kontroll-Schallstrahlers durchschnittlicher Qualität sind die folgenden: untere Grenzfrequenz 35 Hz, Belastbarkeit 40 VA, Volumen 0,15 m³. Bei gleichbleibender unterer Grenzfrequenz und gleichbleibenden Gehäuseabmessungen kann eine größere Belastbarkeit nur mit äußerst kostspieligen Lautsprechern erreicht werden. Der Lautsprecher ist in einem geschlossenen Raum außer durch die strahlende Impedanz auch durch die Impedanz des Innenraums des Gehäuses belastet. Sein Wirkungsgrad ist also schlechter als der eines in einer Schallwand eingebauten Lautsprechers.

[0005] Um die untere Grenzfrequenz zu vermindern, werden in manchen Fällen sog. Baßreflexgehäuse verwendet. Die Literatur hat aber nachgewiesen (Bild- und Tontechnik, 1976, Nr 3) daß dies nur mit der Vergrößerung des Gehäuses realisiert werden kann und zwar mit einem Lautsprecher niedriger Selbstresonanz und großen Tonstoßes.

[0006] Die Ausbildung des Reflexgehäuses ist komplizierter als die eines geschlossenen Gehäuses; sein Wirkungsgrad ist aber im allgemeinen besser.

[0007] Bekannte Tieftonstrahler guter Qualität sind die verschiedenen Ausführungsformen mit Exponentialtrichter-Kopplung, die von besonders guter Qualität sind - ihr Wirkungsgrad ist um eine Größenordnung besser als der von Strahlern mit geschlossenem Gehäuse - und zwar deshalb, weil sie außer der Beseitigung des akustischen Kurzschlusses die optimale Kopplung zwischen dem Lautsprecher und dem äußeren Schallraum lösen können. Ihre Abmessungen sind einfacher mit konischen Trichtern: diese weisen aber eine Selbstresonanz auf, die durch Anwendung von schalldämpfendem Material behoben werden kann, wodurch aber der Wirkungsgrad vermindert wird.

[0008] Schallstrahler tiefer Grenzfrequenz mit einem Speiseweg der Länge A bzw. λ/4 sind ebenfalls bekannt ( A bedeutet die Wellenlänge, die zur Selbstresonanzfrequenz des verwendeten Lautsprechers gehört). Diese können außer der Beseitigung des akustischen Kurzschlusses eine zu tiefe Belastungsimpedanz auf der Lautsprechermembran in den Bereich der Selbstresonanzfrquenz transformieren oder sie führen das Verschwinden des hier anwesenden Anhebens in der Obertragungscharakteristik durch das Auslöschen von Signalen entgegengesetzter Phase durch. Der Speiseweg der Länge A addiert außerdem bei der Hälfte der Selbstresonanzfrequenz die Signale der beiden Hälften der Membran phasenrichtig. Somit wird - alleinstehend bei den bekannten Lösungen - unterhalb der Selbstresonanzfrequenz wirkungsvoll gestrahlt. Die Selbstresonanzen und sonstigen inneren Reflexionen werden auch hier durch Einbau von aschalldämpfendem Material behoben, wodurch aber der Wirkungsgrad vermindert wird. Dieser Wirkungsgrad liegt unter dem der Schallwand , ist aber besser als der der geschlossenen Reflexgehäuse. Das Volumen des Speiseweges mit der Länge λ/4 ist im Falle gleicher Belastbarkeit ungefähr gleich zu dem der Reflexgehäuse; die Konstruktion ist zwar kompliziert, jedoch wesentlich kleiner und einfacher als die der Trichterausführungsformen. Das Volumen des Speiseweges mit einer Länge λ beträgt das vierfache - ist aber noch immer kleiner als das der Trichterausführungsformen.

[0009] Eine ganz junge spezielle Lösung wird in der DE-A-29 34 473 beschrieben. Es wird hier für jede auszustrahlende Frequenz eine Speiseleitung verwendet, die als abgeglichenr Resonator wirkt. Außer daß diese den akustischen Kurzschluß beheben, wird - nach der Beschreibung - mit Hilfe der Resonanz das Spektrumbild der elektrischen Signale des geschlossenen Generators, d.h. die Klangfarbe geformt. Dieser Strahler ist demnach nur für spezielle elektronische Instrumente verwendbar, jedoch nicht für eine lineare Obertragung.

[0010] Ein Ausgangspunkt der Erfindung besteht darin, daß die nicht erwünschten Resonanzen der Speisewege % , λ/4 nicht durch eingebaute schalldämpfende Materialien gedämpft werden. Demgegenüber werden mehrere Lautsprecher unterschiedlicher Selbstresonanzfrequenz, und dementsprechend mehrere Speisewege unterschiedlicher Länge gleichzeitig verwendet. Durch eine gleichmäßige Verteilung der Resonanzpunkte wird eine gleichmäßige Übertragung gesichert.

[0011] Im Verlauf von Versuchen wurde klar, daß eine die Selbstresonanz dämpfende Wirkung der Speisewege kein wirksamer Effekt ist. Diese Tatsache folgt prinzipiell auch daraus, daß die Lautsprecherresonanz durch Lautsprecher niedriger Impedanz und durch die Antriebsgeneratoren unabhängig von dem Speiseweg - infolge des elektrischen Antriebskreises niedriger Impedanz - genügend gedämpft wird. Diese Erscheinung kann die Resonanzen der Speisewege weniger dämpfen (da diese wesentlich mehr Energie zum Speichern imstande sind), kann jedoch die Resonanzbandbreite derart vergrößern, daß durch einige Speisewege entsprechend verteilter Resonanzfrequenz eine gleichmäßige Frequenzübertragungscharakteristik erreicht werden kann. Somit können die Abmessungen der Speisewege von der Selbstresonanzfrequenz der Lautsprecher unabhängig sein und wird die Länge des kürzesten Speiseweges durch die Forderung der Beseitigung des akustischen Kurzschlusses bestimmt. Die Längen der anderen Speisewege werden nach Erfahrung derart gewählt, daß die Grundresonanzen der Speisewegresonanzen auf einen Bereich größer als ein Frequenzintervall mit einem Verhältiis von 3:2 gleichmäßig verteilt werden.

[0012] )emgemäß sind bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für 5challstrahler insbesondere zur Ausstrahlung von tiefen fönen mit einer Charakteristik gleichmäßiger Frequenzübertragung und gutem Wirkungsgrad wenigstens drei Lautsprecher, jedoch weniger Lautsprecher als die Anzahl der abzustrahlenden Töne unterschiedlicher Frequenzen vorgesehen. Jeder der Lautsprecher ist an je eine eine geschlossene Mantelfläche aufweisende starre Wand derart angeschlossen, daß durch die Membran der Lautsprecher das eine Ende der durch die Mantelfläche umgrenzten Luftsäule abgeschlossen ist, wohingegen das andere Ende der Luftsäulen mit dem äußeren Luftraum in Verbindung steht. Die Längsabmessungen der Mantelfläche sind derart gewählt, daß die kürzeste durch die Luft verlaufende Verbindungsstrecke zwischen der Vorderseite und der Hinterseite der jeweiligen Membran nicht kürzer als 1/3 der Wellenlänge der auszustrahlenden Schallwelle mit der untersten Frequenz sind, wobei die Länge der Luftsäulen voneinander und von der halben und viertel Wellenlänge der Selbstresonanz der angeschlossenen Lautsprecher verschieden sind und die Eingänge der Lautsprecher an einen Generator niedriger Impedanz angeschlossen sind.

[0013] Die für die Erfindung charakteristischen Ausführungsformen sind technologisch sehr einfach aufgebaut. Als Fertigprodukt erhältliche PVC-, Papier- oder Asbestzementrohre mit dem Enddurchmesser der kegelförmigen Membran der verwendeten Lautsprecher werden auf die erforderlichen Längen (im Falle einer Grenzfrequenz von 30 Hz auf 2 bis 3 Meter) geschnitten und die Lautsprecher werden an dem einen Ende durch Schrauben befestigt. Somit entfällt die aufwendige und anspruchsvolle Tischlerarbeit.

[0014] Vergleicht man die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit denen der bekannten Schallstrahler, so wird gleich klar, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung mit gutem Wirkungsgrad zur übertragung solcher tiefen Frequenzen (16 Hz) geeignet ist, die mit Hilfe von Schallwand, Reflexgehäuse und Trichter nicht übertragen werden können.'Unter Voraussetzung gleicher unterer Grenzfrequenz und Belastbarkeit ist das Volumen der erfindungsgemäßen Vorrichtung größer als das Volumen eines geschlossenen Reflexgehäuses, ist aber kleiner als das einer Schallwand bzw. eines exponentiellen Trichters. Die Erfindung ist geeignet, untere Grenzfrequenzen wie bei den bekannten Speisewegen einer Länge von λ bzw. A/4 zu realisieren, jedoch ist ihr Wirkungsgrad besser. Bei einer gleichen unteren Grenzfrequenz und Belastbarkeit ist ihr Volumen kleiner als das des Speiseweges der Länge A und ist im allgemeinen ein wenig größer als das des Speiseweges mit der Länge λ/4. Die Speisewege der Länge λ bzw. λ/4 können ebenfalls in der geschilderten, einfachen Form und Technologie hergestellt werden. In diesem Falle stimmen die Herstellungskosten annähernd mit den Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Strahlers übereina

[0015] Die Herstellungskosten der anderen bekannten Schallstrahler sind jedoch höher als die des Schallstrahlers gemäß der Erfindung (bei diesem Vergleich ist natürlich eine gleiche untere Grenzfrequenz und gleiche Belastbarkeit voraussgesetzt). Ein Ausführungsbeispiel nach der bereits erwähnten deutschen Druckschrift ist äußerlich ähnlich zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung, da auch dort für ein jedes Resonanzrohr (Speiseweg) ein gesonderter Lautsprecher verwendet wird. Jedoch sind die Abmessungen.der'Speisewege gemäß der Erfindung anders. Gemäß der Erfindung sind in jedem Falle kürzere Speisewege als bei der bekannten Ausführungsform vorhanden (gleiche untere Grenzfrequenz vorausgesetzt) weiter ist - im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Ausführungsform - bei der bekannten Ausführungsform nicht vorgeschrieben, daß die Eingänge der Lautsprecher an einen Generator tiefer Impedanz angeschlossen sind. Somit (ann die Bandbreite der Speisewgeresonanzen, d.h. die Charakteristik der Frequenzübertragung, beliebig von der Charakteristik der Frequenzübertragung gemäß der Erfindung abweichen. Die bekannte Konstruktion kann auch im allgemeinen nicht für eine Breitbandübertragung, sondern nur zur Resonanzverstärkung der Strahlung von bestimmten Frequenzen, zur Umformung von Tönen bei elektrischen Orgeln, projektiert entsprechend der gegebenen Klangfarben, verwendet werden.

[0016] Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erörtert.

Fig. 1 stellt schematisch den Schallstrahler dar, und in

Fig. 2 sind unterschiedliche Gestaltungen der Luftsäulen (Speisewege), ebenfalls schematisch, gezeigt.

[0017] Die Erfindung besteht aus einem mehrere - mindestens drei - Lautsprecher 1 aufweisenden Schallstrahler, wobei die kegelförmige Membran 3 jedes Lautsprechers 1 an eine starre geschlossene mantelförmige bzw. rohrförmige Wand 2 derart angeschlossen ist, daß von der Membran 3 des Lautsprechers 1 das eine Ende der durch die Mantelfläche umgrenzten Luftsäule 4 abgeschlossen wird, während das andere Ende der Luftsäule 4 mit dem äußeren Luftraum verbunden ist. Die Mantelfläche und die darin eingeschlossene Luftsäule 4 werden hier mit "Speiseweg" bezeichnet. Die oben bereits erwähnte deutsche Druckschrift bezeichnet diese Konstruktion als "Resonanzrohr".

[0018] Durch die Mantelflächen werden die Vorderseite und Hinterseite der Lautsprechermembran voneinander abgeteilt. Ihre Längen sollen derart gewählt werden, daß die kürzeste, die beiden Membranseiten verbindende durch die Luft verlaufende Verbindungsstrecke (Siehe in Fig. 1 die gestrichelt eingezeichnete Verbindungsstrecke) bei keinem Lautsprecher kürzer sein soll als ein Drittel der Wellenlänge der zu übertragenen Grenzfrequenz, und daß die Längen der Luftsäulen voneinander abweichen. Die Lautsprecher sollen - um die Selbstresonanz zu dämpfen - mit einem Generator kleiner Impedanz angetrieben werden. Die Luftsäulen können gerade oder beliebig gebogen, gedreht, mit ihren Abschnitten aneinandergrenzend geknickt und dergleichen mehr ausgebildet werden (siehe Fig. 2).

[0019] Bei Ausführungsformen, bei denen die beiden Enden der Speisewege weit voneinander wegliegen (z.B. bei einer Luftsäule mit geradliniger Achse) wird die untere Grenzfrequenz des Schallsystems entscheidend durch den kürzesten Speiseweg bestimmt (durch die längeren Speisewege wird sie weniger beeinflußt). Wenn die beiden Enden der_Speisewege nahe beieinander liegen, so vermindert sich die kürzeste durch die Luft verlaufende Verbindungsstrecke zwischen den beiden Seiten der Membran im Vergleich mit einer solchen Verbindungsstrecke bei einem geradlinigen Speiseweg. Durch diese Speisewege werden aber die Volumengeschwindigkeiten bei ihrer eigenen Selbstresonanzfreqenz phasengleich, so daß dadurch ein höherer Wirkungsgrad erreicht ist. Es liegt auf der Hand, daß bei einem Schallstrahlersystem die längsten Speisewege derart ausgebildet werden sollen.

Ansprüche

1. Vorrichtung für Schallstrahler, insbesondere zur Ausstrahlung von tiefen Tönen mit einer Charakteristik gleichmäßiger Frequenzübertragung und mit gutem Wirkungsgrad, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Lautsprecher (1), jedoch weniger Lautsprecher (1) als die Anzahl der abzustrahlenden Töne unterschiedlicher Frequenzen, vorgesehen sind und jeder der Lautsprecher (1) an eine eine geschlossene Mantelfläche aufweisende starre Wand (2) derart angeschlossen ist, daß durch die Membran (3) der Lautsprecher (1) das eine Ende der durch die Mantelfläche umgrenzten Luftsäule (4) abgeschlossen ist, wohingegen das andere Ende der Luftsäulen mit dem äußerem Luftraum in Verbindung steht, und daß die Längsabmessungen der Mantelfläche derart gewählt sind, daß die kürzeste durch die Luft verlaufende Verbindungsstrecke zwischen der Vorderseite und der Hinterseite der jeweiligen Membran (3) nicht kürzer als ein Drittel der Wellenlänge der auszustrahlenden Schallwellen mit der untersten Frequenz sind, wobei die Länge der Luftsäulen (4) vonei_" nander und von der halben und viertel Wellenlänge der Selbstresonanz der angeschlossenen Lautsprecher verschieden sind und die Eingänge (5, 6) der Lautsprecher (1) an einen Generator (7) niedriger Impedanz angeschlossen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftsäulen (4) beliebig gebogen, verdreht oder geknickt ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mantelförmige starre Wand (2) aus Holz oder aus PVC oder Papier oder Asbestzement besteht, wobei die drei letzteren Materialien in Form eines Rohres verwendet werden.

Zeichnung