EP1600034B1 - Lautsprecherbox - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Lautsprecherbox, mit einen Hohlkörper bildenden Gehäusewänden und wenigstens einem schallabstrahlenden Wandbereich, zur akustisch naturgetreuen Wiedergabe, insbesondere für den Tieftonbereich, mit einem oder mehreren elektro-akustischen Wandlern, vorzugsweise elektrodynamischen Lautsprechern, die im Gehäuse im schallabstrahlenden Wandbereich angeordnet sind,wobei eine Einrichtung zur Steuerung des Druckes im Hohlkörper mit Ventilanordnung vorgesehen ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Durch die US-6.353.670 B1 ist ein Lautsprechersystem gemäß dem vorstehenden Oberbegriff im wesentlichen bekannt, bei dem eine elektronische Steuerung eines im Gehäuse installierten Lautsprechers mittels einer Einrichtung zur aktiven Steuerung des Druckes (control device), wobei ein Steuerventil erwähnt ist, vorgenommen wird. Hierbei ist die Qualität der Schallabstrahlung von der Signalverarbeitung der elektronischen Beschaltung abhängig. Zum Stand der Technik sei außerdem verwiesen auf die DE-A1-195 37 401 , wonach es bekannt ist, in der Wand des Gehäuses eines Lautsprechers ein Druckausgleichsventil 23 vorzusehen. Dieses ist jedoch viel zu klein als dass es einen Effekt im Sinne des Erfindungsgegenstandes haben könnte (Durchmesser der Ventilöffnung von 6 µm bis 100 µm) Das Druckausgleichsventil dient lediglich dem Druck- und Temperaturaus-gleich zur Umgebung, damit sich im Inneren des Hohlkörpers längerfristig zu hohe Druck- und Temperaturwerte nicht aufbauen können.
• Bei der Wiedergabe der musikalischen Klänge mit hohem Grad an Wiedergabetreue, genannt Hi Fidelity, kommen Lautsprecherboxen zum Einsatz. Eine herkömmliche Lautsprecherbox besteht in der Regel aus einem Gehäuse, das üblicherweise aus den Materialen wie Holz, MDF-Platten (= mitteldichte Faserplatten mit verdichteter glatter Oberfläche), Stein oder Kunststoff hergestellt wird, und dem Schallwandler, auch Chassis genannt. Physikalisch bedingt, hängt die naturgetreue Musikwiedergabe von dem richtigen Frequenzgang ab. Idealerweise wäre ein Schallwandler, der das ganze Frequenzspektrum wiedergibt von Vorteil, ist aber in der Praxis schwer realisierbar. Anstelle von einem einzigen breitbandigen Schallwandler werden mehrere Schallwandler verwendet, in der Regel 2, 3 oder 4. Die Kombinationen mit 2 Schallwandlern werden in der Fachliteratur als 2-Wege Kombinationen bezeichnet und die mit 3 entsprechend als 3-Wege-Kombinationen.
• In der letzten Zeit setzen sich die sogenannten Subwoofer für Betonung und Verstärkung der Basswiedergabe durch, die aus einem im Korpus geschlossenen und eingebauten Tiefbasslautsprecher bestehen.
• Eine 3 Wege-Lautsprecherbox besitzt die Tief-, Mittel- und Hochtonchassis. Bei der Musikwiedergabe werden den Chassis die von einem Verstärker ausgehenden elektrischen Signale zugeführt. Die Einspeisung der Lautsprecherspule mit wechselnder Spannung bewirkt, dass die Spule, die in einem permanenten Magnet zwischen Nord- und Südpol befestigt ist, zu einem Elektromagnet wird, der entsprechend den elektrischen Impulsen zu schwingen beginnt. Die Schwingungen der Spule, die ihrerseits mit der Lautsprechermembran verbunden ist, sind für die schwingende Bewegung der Membran verantwortlich, die im Endeffekt die Klänge erzeugt.
• Wie oben betont wurde, werden die Chassis in einem Gehäuse angeordnet, das insbesondere aus harten MDF-Platten gefertigt wird. Dabei ist mit einigen Problemen zu rechnen, die zu wesentlichen Klangeinbußen oder sogar zur Klangverfälschungen führen. Bei der Beurteilung der Klangqualität einer fertigen Lautsprecherbox spielen solche Parameter wie Wirkungsgrad und Klirrfaktor eine wichtige Rolle. Bei der Entwicklung der Lautsprecherbox wird in der Regel angestrebt, dass die Musikwiedergabe mit einem hohen Wirkungsgrad und niedriger Verzerrung stattfindet. Dabei wird der akustischen Wiedergabe von klaren Bässen, feinen und präzisen Höhen und geprägten Stimmen eine große Aufmerksamkeit geschenkt.
• Für die meisten Probleme, die bei der akustischen Wiedergabe auftreten, ist die Wiedergabe von Tieftönen verantwortlich. Die unerwünschte Vibration des Gehäuses, stehende Wellen, niedriger Wirkungsgrad und Klangverzerrung sind die Folgen einer nicht optimalen Aufbauweise. Im Laufe der letzten 20 Jahren haben sich einige typische Lautsprecherausführungen wie Geschlossene- und Bassreflexgehäuse durchgesetzt, auf die im folgenden eingegangen wird.
• Eine geschlossene Lautsprecherbox ist relativ einfach aufgebaut und stellt einen luftdichten Kasten dar, dessen Aufgabe es ist, das Zusammentreffen der rückwärtig abgestrahlten Wellenfront des Schallwandlers und der von der Membranfront abgestrahlten, zu verhindern. Die Vor- und Rückwärtsbewegung der Membran in einem geschlossen Gehäuse führt wegen des Effektes der Komprimierung dazu, dass die eingeschlossene Luftmenge als eine Federung wirkt, was die Lautsprecherresonanzen erhöht und die Basswiedergabe schwächt. Bei der Bewegung der Membran ändert sich der Druck der im Box eingeschlossenen Luft, wird die Luft nämlich komprimiert oder entspannt. Die komprimierte Luft wirkt weiterhin bremsend auf die Membranbewegung. Im ungünstigen Fall führt dies zur Wirkungsgradverschlechterung und Klangverzerrung. Je kleiner das Gehäusevolumen, desto größer ist die Federwirkung der Luft und die Abschwächung der Tiefbasswiedergabe. Generell besitzen die geschlossenen Lautsprecherboxen einen niedrigeren akustischen Wirkungsgrad. Ein niedriger Wirkungsgrad erfordert von einem Verstärker mehr elektrische Leistung, was in der Regel mit einer Verteuerung der Musikanlage und einer unerwünschten Erhöhung der Stromkosten verbunden ist.
• Eine Alternative zur geschlossenen Lautsprecherbox bietet ein sogenanntes Bassreflexgehäuse. Eine Reflexbox nutzt den rückwärtigen Schall eines Schallwandlers. Dies wird dadurch erreicht, dass an einer Seite des Gehäuses ein- bzw. zwei Rohre installiert werden. Ein korrekt ausgelegtes und mit der Konstruktion des Gehäuses abgestimmtes Reflexrohr bringt einige Vorteile, die sich in einer betonten Basswiedergabe und einem größeren Wirkungsgrad widerspiegeln.
• Trotz dieser Vorteile sind im Falle eines solchen Aufbaus einige erhebliche Probleme zu bekämpfen: Die Baxreflexausführung hat zwar weniger bremsendende Wirkung, sogar keine. Dies kann auch negativ auffallen, wenn der Basslautsprecher einen kräftigen Impuls erhält. In diesem Fall kann die Spule die Magnetoberfläche berühren, was zu Klangverschlechterung und Beschädigungen des Lautsprechers führen könnte. Weitere Probleme sind die lästigen Vibrationen der Box, die die Klangwiedergabe stark negativ beeinflussen, die im Gehäuse stehenden Wellen sowie auch die Strömungsverluste im Luftrohr, die ihrerseits zu störenden, manchmal donnernden Geräuschen führen. Die Gehäuseschwingungen werden dadurch reduziert, dass das Gehäuse nicht aus Holz wie z.B. Fichte, sondern aus teurerem und in der Regel wesentlich schwererem Stoff wie MDF-Platten, Marmor etc. hergestellt wird. Der Verzicht auf Holzmaterialien, die sich aber beim Bau der musikalischen Instrumenten bewährt haben, verschlechtert ihrerseits die Klangqualität. Um die Resonanzen weiter zu verhindern, werden Reflexboxen mit einem Dämmmaterial gefüllt. Jedoch unterdrücken die herkömmlichen Materialen wie Mineralwolle, Polyesterwatte und ähnliches auch die Hohlraumresonanz und damit die Tiefe der Basswiedergabe sowie sind auch für einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad verantwortlich.
• Bei der Auslegung einer Lautsprecheranlage ist eine besonders getreue Klangwiedergabe und ein hoher akustischer Wirkungsgrad ein übliches Auslegungsziel. Die Aufgabe der Erfindung ist es, unter Überwindung der eingangs geschilderten Probleme beim Stand der Technik eine Lautsprecherbox mit wesentlich höherem Wirkungsgrad und natürlicher Klangwiedergabe, besonders im Tiefbassbereich, zu schaffen, bei der keine störende Resonanzen und stehenden Schallwellen, die für deutliche Verschlechterung der naturgetreuen Musikwiedergabe und sogar für Verfälschung verantwortlich sind, auftreten können.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Lautsprecherbox gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst, nämlich dadurch, dass das Gehäuse der Lausprecherbox wenigstens zwei Rückschlagventile aufweist, von denen das eine als Auslaßöffnung bei Druckerhöhung und das andere als Einlaßöffnung bei Druckerniedrigung im Hohlkörper öffnet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rückschlagventile in ihrem Durchlaßquerschnitt abhängig vom Schalldruck oder einer schalldruck-analogen Größe steuerbar sind. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 3 bis 8 angegeben.
• Diese völlig neuartige Gestaltung einer Lautsprecherbox bewirkt, dass durch die Arbeit der Rückschlagventile während der Signalwiedergabe solche optimalen physikali-schen Bedingungen erfüllt sind, bei denen keine unerwünschten Gehäuseresonanzen und brummende Geräusche auftreten. Außerdem lässt sich dadurch der Wirkungsgrad des Lautsprechers wesentlich verbessern (bis 6-10 dB) und eine überragende Klangqualität erreichen.
• Durch die abgestimmte Arbeit der Ventile wird ein optimaler Druck, der etwas mehr als atmosphärischer Druck ist, erreicht. Damit verbindet eine solche Konstruktion die Vorteile sowohl einer geschlossenen, als auch einer Bassreflexbox, was sich wiederum in viel besserer und verlustarmer Klangwiedergabe widerspiegelt. Die mit der Erfindung erzielbaren weiteren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Arbeit der Rückschlagventile, die entsprechend den von der Lautsprechermembran ausgehenden Druckimpulsen abgestimmt wird, ein günstiges Druckniveau für die optimale, schonende und verzerrungsarmere Funktionsweise des Chassis erreicht werden kann.
• Weiterhin ist ein derartiges Konzept besonders bei dem Einsatz in den sogenannten aktiven oder passiven Subwoofern vorteilhaft.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
• Darin zeigt die einzige Figur in vereinfachter schematischer Darstellung eine Lautsprecherbox 1, die aus einem Gehäuse 2 besteht, das beispielweise aus Holz gefertigt ist. Die Lautsprecherbox 1 gemäß der Figur ist zur Klangwiedergabe vorgesehen und umfasst dazu ein Gehäuse 2 mit Frontwand 2a, Rückwand 2b und Deck- sowie Bodenwand 2c, 2d. Die beiden Seitenwände sind zur Vereinfachung nicht dargestellt. In das Gehäuse 2 sind ein bzw. mehrere Lautsprecher eingebaut. Im Ausführungsbeispiel umfasst die Lautsprecherbox einen Basslautsprecher 3 und einen Hochtonlautsprecher 4, die durch eine Gehäusetrennwand 8 räumlich voneinander getrennt sind, so daß zwei Gehäusekammern 2.1 (Baßbereich) und 2.2 (Hochtonbereich) gebildet sind. Die Lautsprecherbox 1 ist somit als 2-Wege-Lautsprecher-Box ausgeführt. Alternativ kann die Lautsprecherbox 1 auch lediglich einen oder mehrere, insbesondere 3, Lautsprecher umfassen. Die Chassis 3 und 4 sind beispielweise in der Frontplatte 2a des Gehäuses 2 angeordnet. Der Basslautsprecher ist für ca. 20 - 5000 Hz und der Hochtonlautsprecher für ca. 2000 - 20000 Hz ausgelegt. Beim Anlegen eines elektrischen Impulses bewegt sich die (im einzelnen nicht dargestellte) Membran des "Tieftöners" 3 in Richtung der Vorderwand 2a oder Rückwand 2b. Bei der Bewegung der Membran zur Rückwand 2b wird die im Bassbereich 2.1 eingeschlossene Luftmenge komprimiert, was zur Luftdruckerhöhung führt. Der höhere Druck betätigt die Steuerungseinheit 6b des Rückschlagventils 5b, das - wie es der Luftströmungspfeil f1 verdeutlicht - als druckabhängiges Auslaßventil dient und somit eine Luftmenge ausströmen läßt. Somit wird der Druck abgesenkt. In dem anderen Fall bewegt sich die Membran von (3) in Richtung der Vorderwand 2a und bewirkt die Luftausdehnung, die für die Absenkung des Luftdruckes verantwortlich ist. Der niedrigere Druck wirkt auf die Steuerungseinheit 6a des Rückschlagventils 5a, das - wie es der Luftströmungspfeil f2 verdeutlicht - als druckabhängiges Einlaßventil dient und somit eine Luftmenge in den Baßbereich 2.1 einsrömen läßt. Der Luftdruck wird somit erhöht.
• Wie man erkennt, verfügt die Lautsprecherbox 1 in ihrer Rückwand 2b über die beiden Öffnungen (9a, 9b) zum Einfügen der Rückschlagventil-Anordnungen 7a, 5a; 7b, 5b. Es können auch mehr als zwei Öffnungen und Rückschlagventil-Anordnungen vorgesehen sein. Die Öffnungen 9a, 9b sind in einer der Außenwände 2a, 2b angeordnet, im Beispiel in der Außenwand 2b. Im einzelnen ist in die Öffnungen 9a, 9b jeweils ein Rohrstück 7a, 7b eingesetzt, und im Inneren der Rohrstücke 7a, 7b ist jeweils ein Rückschlagventil 5a, 5b mit diesen strömungstechnisch verbunden.
• Die Lautsprecherbox läßt sich mit Vorteil als eine Subwoofer - Box ausgestalten. Die Rückschlagventile (5a, 5b) können in ihrem Durchlaßquerschnitt auch abhängig von einer schalldruck-analogen Größe steuerbar sein.
• Der Durchlaßquerschnitt (Q) der Rückschlagventile (5a, 5b) liegt bevorzugt im Bereich 50 mm² < Q < 10⁴ mm^2. .
Bezugszeichenllste

1

Lautsprecherbox

2

Gehäuse

2a

Frontwand

2b

Rückwand

2c, 2d

Deck- bzw. Bodenwand

3

Basslautsprecher

4

Hochtonlautsprecher

8

Gehäusetrennwand

2.1,2.2

Gehäusekammern

5a, 5b

Rückschlagventile

6a, 6b

Steuerungseinheiten

f1, f2

Luftströmungspfelle

7a, 7b

Rohrstücke

9a, 9b

Öffnungen

Claims (8)

1. Lautsprecherbox (1), mit einen Hohlkörper bildenden Gehäusewänden (2a-2d) und wenigstens einem schallabstrahlenden Wandbereich, zur akustisch naturgetreuen Wiedergabe, insbesondere für den Tieftonbereich, mit einem oder mehreren elektro-akustischen Wandlern (3, 4), vorzugsweise elektrodynamischen Lautsprechern, die im Gehäuse im schallabstrahlenden Wandbereich angeordnet sind, wobei eine Einrichtung zur Steuerung des Druckes im Hohlkörper mit Ventilanordnung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) der Lausprecherbox (1) wenigstens zwei Rückschlagventile (5a, 5b) aufweist, von denen das eine als Auslassöffnung bei Druckerhöhung und das andere als Einlassöffnung bei Druckerniedrigung im Hohlkörper öffnet.
2. Lautsprecherbox nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagventile (5a, 5b) in ihrem Durchlassquerschnitt abhängig vom Schalldruck oder einer schalldruck-analogen Größe steuerbar sind
3. Lautsprecherbox nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagventile (5a, 5b) für den Tieftonbereich zwischen 20-5000 Hz und den Mitteltonbereich zwischen 1000-10.000 Hz ausgelegt sind.
4. Lautsprecherbox nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zwei Kammern aufweist, von denen die eine Gehäusekammer (2.1) für den Tieftonbereich durch eine Platte (8) von der anderen Gehäusekammer (2.2) für einen anderen Frequenzbereich räumlich getrennt ist.
5. Lautsprecherbox nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lautsprecherbox mindestens eine Öffnung (9a, 9b) zum Einfügen von Rückschlagventil-Anordnungen (7a, 5a; 7b, 5b) aufweist.
6. Lautsprecherbox nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Öffnungen (9a, 9b) jeweils ein Rohrstück (7a, 7b) eingesetzt und im Inneren der Rohrstücke (7a, 7b) jeweils ein Rückschlagventil (9a, 9b) mit diesen strömungstechnisch verbunden ist.
7. Lautsprecherbox nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung als Subwoofer-Box.
8. Lautsprecherbox nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durcheinen Durchlaßquerschnitt (Q) der Rückschlagventile (5a, 5b) im Bereich $$\mathrm{50}{\mathrm{mm}}^{\mathrm{2}}\mathrm{<}\mathrm{Q}\mathrm{<}{\mathrm{10}}^{\mathrm{4}}{\mathrm{mm}}^{\mathrm{2}}\mathrm{.}$$

   

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