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Die Erfindung bezieht sich auf dynamische Lautsprecher mit Kolben-,
insbesondere Konusmembrane, und zwar sowohl auf die für Einbau in einem Gehäuse
bestimmten Lautsprecher mit Schallaustrittsöffnungen im Korb als auch auf Einzellautsprecher
mit vollkommen geschlossenem Lautsprecherkorb.
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Die bekannten Lautsprecher dieser Art weisen einen grundsätzlichen
Nachteil auf. Das Lautsprecher-Gehäuse hat bekanntlich die Aufgabe, bei der Wiedergabe
den akustischen Kurzschluß zu verhindern, der ohne Vorhandensein einer Schallwand
oder eines Gehäuses eintreten würde, wenn die Schallwellen, die von der Vorderseite
der Membran ausgehen, mit denen zusammentreffen, die von der Rückseite der Membrane
gegenphasig abgestrahlt werden. Dies wirkt sich sehr stark bei tiefen Frequenzen
aus, so daß bei fehlendem Gehäuse besonders die Wiedergabe des Tieftonbereichs unbefriedigend
ist.
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Aber auch bei Einbau in einem Gehäuse wird der akustische Kurzschluß
zwischen Vorder- und Rückseite der Konusmembrane nicht immer wirksam vermieden.
Rundfunk- und Fernsehgehäuse, in welche Lautsprecher eingebaut werden, benötigen
nämlich zur Belüftung Öffnungen, die man vorzugsweise an der Rückseite anbringt.
Durch diese Öffnungen entsteht ein mehr oder weniger wirksamer akustischer Kurzschluß
und damit eine Benachteiligung des Tieftonbereiches. Zur Vermeidung dieses Kurzschlusses
hat man bei Gehäusen mit Öffnungen Maßnahmen getroffen, um die im Gehäuse auftretenden
Schallwellen der Membranrückseite durch Resonanzeffekte auszunützen, wobei eine
Phasenumkehr für die aus den Öffnungen austretenden Schallwellen eintritt und dadurch
der akustische Kurzschluß in einem bestimmten Frequenzgebiet wegen der gleichphasig
wirkenden Schallwellen verhindert wird. Man erreicht zwar mit dieser, auch als »Reflexgehäuse«
bezeichneten Gehäusekonstruktion eine Erweiterung des wiedergebbaren Frequenzgebietes
nach tiefen Frequenzen hin, jedoch fällt dabei nach den tieferen Frequenzen die
Frequenzkurve außerhalb des besonders beeinüußten Frequenzgebietes mit wesentlich
größerer Steilheit ab, so daß ein Wiedergabegewinn sich nur in begrenztem Maße erzielen
läßt. Es sind auch Lautsprecher bekannt, bei denen in ein vollständig geschlossenes
Gehäuse ein oder mehrere Tieftonlautsprecher so eingebaut sind, daß nur dex von
der Vorderseite der Membrane abgegebene Schall im Wiedergaberaum wirksam werden
kann. Solche Gehäuse sind in ihrer Wirkung einer unendlichen Schallwand -vergleichbar,
vorausgesetzt, daß ihr Volumen genügend groß ist. Für Wohnräume strebt man aber
aus Platzgründen möglichst kleine Gehäuse an. Je kleiner jedoch das im Gehäuse eingeschlossene
Luftvolumen ist, um so größer wird dessen Rückwirkung auf die Membranbewegung. Die
eingeschlossene Luft wirkt als elastisches Polster auf die Membranrückseite im Sinne
einer Rückstellkraft und verschiebt durch ihre Federungseigenschaft die Eigenresonanz
des Lautsprechers nach höheren Frequenzen. Die Folge ist eine Benachteiligung der
Wiedergabe tiefer Frequenzen, die um so größer ist, je kleiner das Gehäuse gewählt
wird.
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Um eine verhältnismäßig gute Tiefenwiedergabe zu erreichen, liegt
es deshalb nahe, die Rückstellkräfte, welche durch die übliche Zentnermembrane und
die Randeinspannung der Konusmembrane erzeugt werden, so weich zu machen, daß die
freie Eigenresonanz des Lautsprechers möglichst tief liegt, damit im eingebauten
Zustand d. h. nach Verschiebung der Resonanz nach höheren Frequenzen, immer noch
eine günstige Wiedergabe des Tieftonbereichs` erzielt wird. Abgesehen davon, daß
diese Lösung zu praktischen Schwierigkeiten führt, ist ihre Wirksamkeit nicht ausreichend.
Fertigungstechnisch ist es sehr schwierig, bei sehr weicher Rückstellkraft die erforderliche
Proportionalität zwischen Rückstellkraft und Auslenkamplitude zu gewährleisten,
die für das verzerrungsfreie Arbeiten eines Lautsprechers notwendig ist. Außerdem
ist es schwierig, bei der Fertigung der Lautsprecherteile die Toleranz so eng zu
halten, wie es für das Einhalten einer bestimmten Resonanzfrequenz einer größeren
Serie von Lautsprechern erforderlich ist. Aber selbst wenn die Fertigungsschwierigkeiten
beherrscht würden, ergeben sich Schwierigkeiten beim Betrieb eines solchen Lautsprechers,
weil die Schwingspule einer »weich« geführten Konusmembrane nicht exakt im engen
Magnetluftspalt geführt wird. Es entstehen z. B. Taumelbewegungen, bei denen die
Schwingspule am Polkern oder der Polplatte streift. Eine Vergrößerung des Luftspaltes,
die man hiergegen etwa in Erwägung ziehen könnte, setzt aber den Wirkungsgrad eines
Lautsprechers erheblich herab. -Die Wahl einer sehr weichen Rückstellkraft ist andererseits,
was die Verbesserung der Tiefenwiedergabe betrifft, besonders bei kleinen Lautsprechergehäusen,
wenig wirksam. Je kleiner das Gehäuse gewählt wird, um so mehr bestimmt nämlich
das Luftpolster das Verhalten des Lautsprechers. Baut man einen Lautsprecher bestimmter
Größe, dessen freie Eigenresonanz 65 Hz beträgt, z. B. in ein Gehäuse von 6 Liter
Volumen, dann erhöht sich die Eigenresonanz auf 70 bis 75 Hz. Setzt man die freie
Eigenresonanz des Lautsprechers durch »weichere« Rückstellkräfte auf z. B. 40 Hz
herab, dann ergibt sich im eingebauten Zustand eine Eigenresonanz von 65 bis 70
Hz. Man erkennt daraus; däß der Einfluß der eingeschlossenen Luft überwiegt. Selbst
wenn man mit der freien Eigenresonanz des Lautsprechers soweit heruntergehen würde,
wie es aus Fertigungs- und Stabilitätsgründen zulässig wäre, ergäbe sich kein wesentlicher
Gewinn. Man ist daher gezwungen, für eine gute Tieftonwiedergabe größere Gehäuse
in Kauf zu nehmen, was aber z: B. für die Wiedergabe in Wohnräumen, insbesondere
wenn für Stereowiedergabe zwei derartige Gehäuse benötigt werden, aus Platzgründen
sehr unerwünscht ist.
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Die Vielzahl der bekannten Maßnahmen zeigt, daß es bisher nicht gelungen
ist, eine befriedigende Baßwiedergabe, insbesondere bei kleinen Lautsprechergehäusen,
zu erreichen. Die Erfindung weist einen neuen Weg, um dieses Ziel zu erreichen.
Sie beruht auf dem Grundgedanken, daß man Vorkehrungen trifft, durch welche man
die schädliche Federungseigenschaft der im Gehäuse eingeschlossenen Luft kompensiert.
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Das Prinzip dieser Kompensation sei an Hand der F i g. 1 erläutert.
Zwischen zwei festen Halterungen 1 und 2 sei ein aus zwei symmetrischen Hälften
3 und 4 bestehender V-förmiger elastischer Körper derart eingespannt, daß ein labiler
Gleichgewichtszustand für den Punkt A besteht. Wird auf den Punkt A eine äußere
Kraft ausgeübt, beispielsweise nach unten in Richtung auf B, dann wird diese Kraft
durch die Eigenfederung des Körpers 3, 4 unterstützt, da dieser auf Grund seiner
Eigenspannung in eine stabile Lage
nach unten strebt. Der entsprechende
Vorgang entsteht auch, wenn die äußere Kraft nach oben in Richtung auf C wirkt.
Auch hierbei ergibt sich ein Kraftgewinn aus der Eigenspannung des Körpers 3, 4.
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In einem Ausführungsbeispiel F i g. 2 sei die Anwendung dieses Prinzips
bei einem dynamischen Konuslautsprecher erläutert. In einem geschlossenen Gehäuse
5 befindet sich ein dynamischer Lautsprecher. Wenn die Schwingspule 6 des Lautsprechers
die Konusmembrane 7 bewegt, dann wird diese Bewegung in beiden Richtungen behindert:
bei einer Bewegung nach unten wirkt die Rückstellkraft des zusammengedrückten Luftpolsters,
welches durch den auf der Rückseite der Membrane befindlichen Gehäuseraum gebildet
wird, bremsend. Bei einer Bewegung nach oben wirkt der äußere Luftdruck bremsend,
da in dem Gehäuse durch die Ausdehnung des Luftvolumens ein Unterdruck entsteht
und der äußere Luftdruck die Membrane in das Gehäuse zurückzudrücken sucht.
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Erfindungsgemäß wird nun die äußere Randeinspannung der Membrane durch
einen ringwulstförmigen Federkörper 8-8 gebildet, der zwischen dem äußeren Membrankorbrand
und einem starren Ring 9 eingespannt ist; der Ring 9 ist seinerseits mit dem äußeren
Rand der Membrane 7 verbunden. Dies entspricht im Prinzip der Anordnung in F i g.
1, wobei die Verbindungsstelle A der F i g. 1 durch den Ring 9 verbreitert ist,
so daß die Hälften 3 und 4 in den Ring 8-8 übergehen. Durch entsprechende Dimensionierung
des Federkörpers 8-8 läßt sich nun seine Federkraft so einstellen, daß sie durch
ihre die Membranbewegung unterstützende Wirkung den Einftuß des Luftpolsters vollständig
oder weitgehend kompensiert. Voraussetzung hierfür ist, daß der Membraneinbau im
Korb bzw. im Gehäuse praktisch luftdicht erfolgt, was beispielsweise durch eine
Kalotte 10 über der Schwingspule bewirkt werden kann, wenn der Lautsprecher selbst
auch im Gehäuse luftdicht eingebaut ist.
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Erfindungsgemäß läßt sich die Kompensation der Wirkung der im Gehäuse
eingeschlossenen Luft auch dadurch erreichen, daß man die Randeinspannung der Membrane
in der allgemein üblichen Anordnung beläßt und die Kompensationsfederung an anderen
Stellen der Membrane einwirken läßt. Insbesondere kann man die Kompensationsfederung
nach Art des Federkörpers 8-8 in die übliche Zentriermembrane 11 eines Lautsprechers
verlegen, wobei durch entsprechende Ausführung der Zentriermembrane diese die Aufgabe
der Zentrierung der Schwingspule und die Kompensation der Wirkung der Gehäuseluft
übernimmt.
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Mit Hilfe der Erfindung wird es möglich, sehr kleine Lautsprechergehäuse
zu verwenden, ohne daß eine Benachteiligung der Wiedergabe des Tieftonbereiches
durch das Luftpolster festzustellen ist. Man kann schließlich das äußere Gehäuse
des Lautsprechers sogar weglassen und den Korb 12 des Lautsprechers als rückseitig
geschlossenes Gehäuse ausbilden. üblicherweise hat der Korb eines Lautsprechers
die Aufgabe, als Befestigungsglied zwischen Magnetsystem, Lautsprechermembrane und
Zentriermembran zu dienen. In der Regel besitzt er öffnungen im Bereich der Lautsprechermembrane,
um die Wirkung eines Luftpolsters hinter der Membrane zu beseitigen. Nach einer
besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann man den Korb luftdicht um die Laut-Sprechermembrane
anordnen und die Wirkung des Luftpolsters zwischen Korb und Membrane nach dem Vorschlag
der Erfindung kompensieren.
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Der in F i g. 2 beispielhaft beschriebene Federring läßt sich außer
aus federndem Metall auch aus Kunststoff, Gummi oder federndem Material irgendwelcher
Art herstellen. Je nach Zweckmäßigkeit lassen sich die Federeigenschaften auch aus
Drähten, Blättern, Schaumstoff oder anderen Federelementen verwirklichen. Auch die
Form als Halbkreisprofil (Ringwulst) ist nur ein Ausführungsbeispiel, und je nach
Zweckmäßigkeit kann man ein ovales, gestrecktes oder sonstiges Profil wählen. Schließlich
kann man die Kompensation auch anwenden bei Gehäusen, die aus irgendwelchen Gründen
nicht vollständig geschlossen sind, bei denen es aber vorteilhaft ist, eine Kompensation
des noch wirksamen Luftpolsters und anderer Rückstellkräfte des Lautsprechers zu
erreichen.
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Im Sinne des Erfindungsgedankens sind zur Kompensation nicht nur mechanische
Federelemente, sondern auch magnetische Kräfte verwendbar. Ein Ausführungsbeispiel
dieser Art ist in F i g. 3 dargestellt. Hier bezeichnet 13 den Polkern des
Lautsprecher-Magnetsystems, der in bekannter Weise mit einer Polplatte 14-14 einen
ringförmigen Luftspalt bildet, in welchem die Schwingspule 15 frei beweglich ist.
Die Schwingspule 15 überträgt die Bewegung auf die Konusmembrane 16, von der nur
der untere Teil gezeichnet ist. Erfindungsgemäß ist im Schwingspulenhals ein ringförmiger
Magnet 17-17 angebracht, beispielsweise ein Oxydmagnet, um den Gewichtseinfluß klein
zu halten. Diesem Ringmagnet steht ein weiterer Ringmagnet 18-18, der am
Polkern befestigt ist, derart gegenüber, daß die aufeinander wirkenden magnetischen
Kräfte der beiden Ringe ein labiles Gleichgewicht herstellen. Bei Auslenkungen der
Schwingspule tritt auch hier eine unterstützende Kraft durch die Magnetringe auf,
die man so dimensionieren kann, daß eine Kompensation der Federwirkung der in einem
Gehäuse eingeschlossenen Luft erreicht wird.
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Die Lösung entsprechend F i g. 3 ist nur eine von vielen Möglichkeiten.
Man kann statt der Ringe z. B. auch kleinere Magnetstücke verwenden, wenn man die
Form der Polstücke so wählt, daß die auftretenden magnetischen Kräfte die Kräfte
kompensieren, die von der eingeschlossenen Gehäuseluft herrühren. Man kann außerdem
die Kompensation mit magnetischen Kräften auch an einer anderen Stelle der Membrane,
als es in F i g. 3 dargestellt ist, vornehmen.
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Man kann mit der beschriebenen Federung gegebenenfalls nicht nur die
schädlichen Federungseigenschaften der im Gehäuse eingeschlossenen Luft, sondern
auch andere ungünstige Membranrückstellkräfte kompensieren, um den Vorteil einer
ungeschwächten Wiedergabe des Tieftonbereiches zu erhalten. Auch wird man die Kompensationskräfte
entsprechend bemessen, je nachdem, ob man eine vollständige oder nur eine teilweise
Kompensation durchführen will. Es ist z. B. möglich, die freie Resonanzfrequenz
eines Lautsprechers soweit herunterzusetzen, wie es mechanisch vertretbar ist, jedoch
einen begrenzten Anstieg der Resonanzfrequenz im eingebauten Zustand zuzulassen,
so daß man die Federwirkung des eingeschlossenen Luftpolsters nur zum Teil zu kompensieren
braucht.
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Alle beschriebenen Erfindungsgedanken lassen sich im übrigen nicht
nur in Lautsprechergehäusen anwenden,
in welchen der gleiche stationäre
Luftdruck wie in der Umgebung des Gehäuses herrscht, sondern auch in Unterdruck-
oder Überdruckgehäusen, wobei es gleichgültig ist, mit welchem Gasmedium der Unter-
oder überdruck erzeugt wird. Bei solchen Gehäusen kann man außer den erfindungsgemäßen
Kompensationselementen noch zusätzlich Vorspannungskräfte vorsehen, um den stationären
Unter- bzw. Überdruck im Kompensationsbereich aufzuheben oder kräftemäßig zu Symmetrieren.
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Andererseits kann man die erfindungsgemäß vorgesehene Ausgleichskraft
auch dazu ausnutzen, um die auf die Membrane einwirkende Rückstellkraft teilweise
zu kompensieren. Dies kann insbesondere zweckmäßig sein, um bei der Vorfertigung
der Lautsprecher zur Erleicherung der Justierung der Membrane beim Zusammenbau des
Lautsprechers die durch die Zentriermembrane und/oder die Randeinspannung erzeugte
Rückstellkraft härter einstellen zu können, als sie bei dem betriebsmäßig eingebauten
Lautsprecher erwünscht ist. Beim Einbau eines derartig vorgefertigten Lautsprechers
in ein kleines Gehäuse wird man dann nicht nur die Rückwirkung des Luftpolsters,
sondern teilweise auch die Rückstellkraft in dem erforderlichen Ausmaß kompensieren
müssen. Dieses Verfahren der Herstellung ist z. B. dann von Vorteil, wenn der gleiche
Lautsprechertyp zum Einbau in Gehäuse verschiedener Größe vorgesehen ist.
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Selbstverständlich beschränkt sich der Erfindungsgedanke nicht auf
die Anwendung bei einem Lautsprecher mit einer Kreiskonusmembrane; die Erfindung
ist vielmehr allgemein bei jedem Lautsprecher mit kolbenartig wirkender Membrane
anwendbar, die z. B. plattenförmig oder in Form einer Oval-Konusmembrane ausgebildet
sein kann.