DE3408778C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lautsprechertrichter entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Aus der DE 31 16 307 ist ein Lautsprechertrichter bekannt, dessen Seitenwände eine Profilierung haben, durch die sich die gleichmäßige Strahlcharakteristik konischer Trichter mit der hohen Grenzfrequenz exponentieller Trichter vereinigen läßt. Hierdurch läßt sich zwar eine Strahlcharakteristik erzielen, die es im interessierenden Frequenzbereich ermöglicht, eine etwa rechteckige Beschallungsfläche insgesamt zu bestrahlen, jedoch hat sich gezeigt, daß der Schalldruckpegel auf der gesamten Fläche nicht etwa gleich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lautsprechertrichter zu schaffen, mit dem eine etwa rechteckige Beschallungsfläche frequenzunabhängig bei etwa gleichem Schalldruckpegel bestrahlt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale. Durch diese Ausbildung ist der in größerer Entfernung vom Trichter wirksame Öffnungswinkel schmäler und dadurch der Schalldruckpegel höher als nahe dem Trichter, so daß die typische Abnahme des Schalldruckpegels in Abhängigkeit von der Entfernung vom Trichter ausgeglichen, und ein gleichmäßiger Schalldruckpegel erreicht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 8 beispielsweise erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Vorderansicht eines Lautsprechertrichters entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2A und 2B schematische Darstellungen der Schallbedeckungscharakteristika des Schalltrichters der Fig. 1 bezüglich einer rechteckigen Beschallungsfläche, gesehen von oben bzw. von der Seite;

Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 einen zusammengesetzten Querschnitt längs mehrerer Linien 4-4 in Fig. 3, wobei die rechten Teile der Fig. 3 relativ zueinander winkelmäßig versetzt sind;

Fig. 5 schematisch die Anordnung eines Schalltrichters einer rechteckigen Beschallungsfläche;

Fig. 6 Frequenzgangkurven eines Schalltrichters gemäß der Erfindung bei verschiedenen Erhebungswinkeln relativ zum Schalltrichter, und

Fig. 7 und 8 Kurven, aus denen der seitlich achsenversetzte Frequenzgang bei Erhebungswinkeln von 0 bzw. 70 Grad hervorgeht.

Fig. 1 zeigt eine Lautsprecheranordnung 10, die aus einem Schalltrichter 12 und einem Schallgeber 14 besteht. Der Schalltrichter hat ein Paar obere und untere sich gegenüberliegende Seitenwände 16 und 18 und zwei gegenüberliegende Seitenwände 20, die einen divergierenden Kanal von einer spaltförmigen Auslaßöffnung 22 zu einer Trichteröffnung 24 bilden. Die Seitenwände 20 schließen einen Winkel ein, der sich mit dem Erhebungswinkel längs der spaltförmigen Auslaßöffnung ändert. Ein Umfangsflansch 25 dient zur Befestigung des Schalltrichters.

Wie die Fig. 2A und 2B zeigen, ist der Lautsprecher 10 oberhalb und hinter einer rechteckigen Beschallungsfläche 26 angeordnet, um Schall gleichmäßig über die Beschallungsfläche zu richten. Die oberen und unteren Seitenwände des Schalltrichters richten den Schall über einen konstanten Winkel 28, um die gesamte Länge 30 der Beschallungsfläche zu erfassen, und die Seitenwände 20 bestimmen unterschiedliche seitliche Bedeckungswinkel für verschiedene Punkte über die Länge 20. In Richtung des nahen Endes der Beschallungsfläche sind die Seitenwände so angeordnet, daß sie den Schall über einen Bedeckungswinkel 32 richten. Diese Richtung ist zweckmäßigerweise als Null Grad Erhebung definiert, wobei der maximale Erhebungswinkel zum entfernten Ende der Beschallungsfläche hin liegt. Nähert sich der Erhebungswinkel seinem Maximum, nimmt der seitliche Bedeckungswinkel ab, der von den Seitenwänden 20 bestimmt wird. Dadurch wird der Schall in Richtung auf die entfernten Bereiche der Beschallungsfläche konzentriert, und es wird ein Strahl geeigneter Breite in diesen Bereichen erzeugt. Der von den Wänden 20 bestimmte Bedeckungswinkel nimmt bei der gezeigten Ausführungsform vom maximalen Wert 32 auf einen minimalen Wert 34 konstant ab, um die Verbreiterung des Strahls und die Abnahme der Intensität bei der Strahlausbreitung in Luft zu berücksichtigen. Bei all diesen Fällen entsprechen die Schalltrichterwände nahe dem Spalt ziemlich genau der Fläche, die durch die Sichtlinie zwischen jedem Punkt an der Spaltauslaßöffnung und dem entsprechenden Punkt auf dem Beschallungsflächenumfang definiert ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen den Aufbau des Schalltrichters 12 im Einzelnen. Der Schallgeber 14 ist an einem Befestigungsflansch 36 des Schalltrichters 12 befestigt, um akustische Signale zum Schalltrichterhals 38 längs einer Hauptachse 39 abzugeben. Die oberen und unteren Seitenwände divergieren vom Trichterhals 38 mit dem vertikalen Bedeckungswinkel 28 (Fig. 2B) über entsprechende lineare Bereiche 40 und dann über äußere Bereiche 42 stärker.

Damit verläßt der Schall den Schalltrichter im wesentlichen unter dem konstanten Winkel, der durch die unterbrochenen Linien 44 und 46 definiert ist.

Fig. 4 zeigt die Form des Schalltrichters 12 gegenüber Fig. 3 um 90° gedreht. Schall des Schallgebers 14 wird von zwei im wesentlichen parallelen Wänden 48 seitlich begrenzt, die einen Spalt 50 bilden, der sich vom Trichterhals 38 zur Auslaßöffnung 22 des Spalts erstreckt.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Spalt 50 enger als der Tricherhals 38, so daß ein kurzer Übergangsteil 52 an dieser Stelle erforderlich ist.

Der Spalt 50 ermöglicht die Ausbreitung in vertikaler Richtung zwischen den oberen und unteren Seitenwänden 16 und 18 und begrenzt den Schall in seitlicher Richtung. Die seitliche Ausdehnung beginnt in Abstrahlrichtung weiter entfernt, wenn der Schall tatsächlich von der Spaltauslaßöffnung in seitlicher Richtung abgestrahlt wird. An dieser Stelle wird der Schall von den Seitenwänden 20 begrenzt, die unterschiedliche Winkel für unterschiedliche Erhebungsrichtungen begrenzen. Fig. 4 zeigt die Seitenwandformen für sieben charakteristische Erhebungswinkel. Zum besseren Verständnis sind die verschiedenen seitlichen Querschnitte nur für Stellen nur in Abstrahlrichtung nach der Spaltauslaßöffnung 22, gezeigt; der Spalt selbst ist so gezeigt, wie er längs der Achse des Trichterhalses 38 erscheint. Tatsächlich ändert sich der Winkel der Seitenwände 20 kontinuierlich über Werte zwischen den Winkeln 32 und 34.

Wie Fig. 4 zeigt, besteht jeder Querschnitt der Seitenwände 20 aus einem linearen Bereich 54 nahe der Spaltauslaßöffnung 22 und einem divergierenden Bereich 56 nahe der Trichteröffnung 24. Die Fig. 1 und 3 zeigen eine Abweichung von der beschriebenen Anordnung an den oberen und unteren Enden der Seitenwände 20. Da die wirksamen Erhebungswinkel nur zwischen den gestrichelten Linien 44 und 46 verlaufen, ist es nicht erforderlich, die Winkel der Seitenwände über die Werte an diesen Stellen hinaus zu ändern. Die Divergenz der Teile 42 bewirkt jedoch, daß sich die oberen und unteren Wände von den Richtungen 44 und 46 nach außen erstrecken und einen Spalt zwischen jedem Paar von benachbarten Wänden belassen. Bei der Ausführungsform 10 sind die Spalte durch zusätzliche Flächen geschlossen, die durch Umbiegen der Seitenwandprofile gebildet sind. Die sich ergebenden Flächen sind mit 59 und 61 bezeichnet.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des Lautsprechers 10, der bezüglich der rechteckigen Beschallungsfläche 26 schräg angeordnet ist. In dieser Darstellung werden die verschiedenen Winkel- und Dimensionsbeziehungen der bevorzugten Ausführungsform definiert. Die Beschallungsfläche 26 entspricht etwa der Hörebene einer Gruppe von Hörern, wie z. B. einer Zuhörerschaft in einem rechteckigen Konferenzraum oder einem anderen Raum. Eine Schallquelle (Lautsprecher 10) befindet sich in einem Abstand H über der Ebene der Beschallungsfläche unmittelbar über der Längsachse 60 der Beschallungsfläche. Die Längsrichtung des Schalltrichters liegt innerhalb einer Ebene, die sich senkrecht zur Achse der Beschallungsfläche und über diese erstreckt. In Fig. 5 liegt die Quelle H Einheiten über der Beschallungsfläche und L₁ Einheiten hinter dieser. Die Beschallungsfläche ist W Einheiten breit und L Einheiten lang. Der Erhebungswinkel ist α, festgelegt mit Null Grad für die Richtung am nahen Ende der Beschallungsfläche. Der gesamte eingeschlossene horizontale Bedeckungswinkel ist für jeden Erhebungswinkel β.

Verwendet man ein rechteckiges Koordinatensystem, dessen Mittelpunkt unterhalb der Quelle auf der Beschallungsfläche liegt, wobei die positive X-Achse mit der Längsachse 60 zusammenfällt, so ist der horizontale Bedeckungswinkel, der durch die Wände 20 der Erfindung begrenzt ist, gegeben durch:

Dabei kann L₁ positiv oder negativ sein, abhängig davon, wo die Quelle über der Mittellinie der Beschallungsfläche liegt. Den Ausdruck für den Winkel β erhält man aus der Geometrie der Fig. 5, in der β/2 der arctg der Hälfte der Beschallungsflächenbreite, geteilt durch die Längs eines Vektors 62 von der Quelle zur Achse 60 ist. Der Vektor 62 ist gleich somit ist

und

In ähnlicher Weise ist der Erhebungswinkel α, gemessen von einem Vektor 64 zur Abschlußlinie der Beschallungsfläche gleich α₂-α₁. Somit gilt:

Es ist ersichtlich, daß, da α und β hier als Funktionen der laufenden Parameter x ausgedrückt sind, jeder Winkel durch den anderen ausgedrückt werden kann, in dem man eine Gleichung nach x auflöst und in die andere Gleichung einsetzt. Die Formeln wurden jedoch der Einfachheit halber in der vorliegenden Form belassen.

Obwohl sich diese Formeln nur auf den Fall der rechteckigen Beschallungsfläche beziehen, bei der die Schallquelle direkt über deren Längsachse liegt, können ähnliche Ausdrücke für anders gestaltete Beschallungsflächen oder anders gerichtete Schallquellen abgeleitet werden.

Im speziellen Fall der Fig. 1 bis 4 beträgt die rechteckige Beschallungsfläche 2,645×2,0 normierte Größeneinheiten, und die Spaltauslaßöffnung liegt 0,61 Einheiten über der Beschallungsfläche und 0,33 Einheiten hinter deren Ende. Damit ist L=2,645, W=2,0 H=0,61 und L₁=0,33. Der Erhebungswinkel variiert von Null bis 50 Grad über die Länge der Beschallungsfläche, und die obigen Ausdrücke können zur Berechnung des seitlichen Bedeckungswinkels β für jeden Erhebungswinkel α innerhalb dieses Bereichs verwendet werden. Werte der umschlossenen Bedeckungswinkel bei der gezeigten Ausführungsform sind in der Tabelle I für einen Erhebungswinkelzuwachs von jeweils 5 Grad angegeben. Die Tabelle zeigt, daß die erhaltenen Bedeckungswinkel von einem Maximum von 110,5 Grad bei Null Grad Erhebung bis zu einem Minimum von 36,5 Grad bei einer Erhebung von 50 Grad variieren.

Tabelle I

Ein Schalltrichter, der im wesentlichen die beschriebene Form hat, wurde aus Holz hergestellt und einem vorläufigen akustischen Test zur Erzeugung einer Schalldruckpegelverteilung unterzogen. Zuvor wurde ein etwas anders gestalteter Schalltrichter aus Holz hergestellt. Der frühere Schalltrichter wurde so konstruiert, daß er eine rechteckige Beschallungsfläche von 2,0×2,75 normierten Größeneinheiten von einer Stelle, 1,0 Einheiten über der Mitte einer Endlinie des Bereiches, erfaßte. Der gesamte Erhebungswinkel betrug in diesem Fall 70 Grad. Akustische Tests zur Messung des Frequenzgangs wurden bei verschiedenen Winkelorientierungen relativ zum Schalltrichter durchgeführt. Dabei wurden alle Messungen bei gleicher Distanz (etwa 3 Meter) in Abstrahlrichtung der Schallquelle bei einer Nenneingangsleistung von einem Watt pro Meter durchgeführt. Representative Resultate solcher Tests sind in den Fig. 6 bis 8 dargestellt, in denen der Schalldruckpegel in "dB SPL" bezüglich eines Bezugspunktes von 20 Micro-Pascal ausgedrückt ist.

Fig. 6 zeigt eine Reihe von Frequenzgangkurven, bei verschiedenen Erhebungswinkeln bezogen auf den Schalltrichter, alle mit Null Grad seitlicher Ablenkung. Während eine konventionelle radiale Quelle idealerweise das gleiche Ansprechverhalten über ihren Winkelbereich bei gleichbleibender Abstrahlentfernung hat, hat der Schalltrichter mit definierter Bedeckung gemäß der Erfindung ein nicht gleichmäßiges Verhalten. Dies bedeutet, daß, je größer der Erhebungswinkel ist, desto höher der Schalldruckpegel ist. Fig. 6 zeigt, daß sich der Schalltrichter in der erwarteten Weise verhält. Die 40, 50 und 60 Grad Kurven haben den höchsten Druckpegel, und die 70 Grad Kurve lag etwas niedriger. Der hohe Druckpegel in den 40, 50 und 60 Grad Richtungen bestätigt die angestrebte Schallkonzentration, während der niedrigere Pegel bei 70 Grad zeigt, daß der Schalltrichter nicht perfekt ist. Wenn die Messungen auf der Beschallungsfläche selbst, statt in etwa gleichen Abständen in Abstrahlrichtung nach dem Schalltrichter vorgenommen werden, ist das Ergebnis ein etwa gleichmäßiger Schalldruckpegel längs der Achse.

Die Fig. 7 und 8 sind die seitlichen Frequenzgangkurven bei versetzter Achse des vorherigen Schalltrichters zwischen Null und 70 Grad Erhebung, mit Zuwachsraten von 10 Grad von der Achse aus. Ein Vergleich dieser Kurven zeigt, daß der Schalltrichter bei 70 Grad Erhebung eine größere Richtwirkung hat als bei 10 Grad. Die hochfrequenten Anteile der 70 Grad Kurven fallen daher stärker ab, wenn die Sonde zur Achse versetzt wird. Die Strahlbreiten, welche durch die 6 dB Punkte festgelegt sind, liegen etwa an der Kante der Beschallungsfläche bei beiden Erhebungen. Speziell in Fig. 8, sind die 6 dB Punkte etwa 20 Grad achsenversetzt. Dies entspricht dem Rand der Beschallungsfläche, welche bei einer Erhebung von 70 Grad eine Gesamtbreite von 40 Grad hat. Bei Extrapolation auf die Beschallungsfläche, bedeckt diese Strahlbreite die Breite der Beschallungsfläche.

Obwohl die Schallverteilung der Fig. 6 bis 8 nicht vollkommen ist, ist sie zufriedenstellend. Ähnliche experimentelle Daten wurden für zur Längsachse versetzte Stellen für charakteristische Erhebungswinkel ermittelt. Diese Daten zeigen deutlich die gleichmäßige Schallverteilung über eine Beschallungsfläche. Vorversuche wurden außerdem mit dem zuletzt entwickelten Schalltrichter durchgeführt, bei dem die Winkelbeziehungen der Tabelle I angewandt sind. Diese Versuche bestätigen die zuvor gemachten Beobachtungen.

Obwohl die Seitenwände als im wesentlichen durch die Sichtlinie zwischen der Schallquelle und dem Umfang der Beschallungsfläche definiert beschrieben wurden, kann die tatsächliche Schallverteilung von dem Fall der Sichtlinie etwas abweichen. Diese Abweichungen sind jedoch relativ gering und in jedem Falle für Korrekturzwecke leicht berechenbar. Z. B. gilt die Sichtlinienannäherung sehr genau für den Fall, bei dem die Wände des Schalltrichters 12 sich nach außen unter einem konstanten Winkel fortsetzen, wie durch die gestrichelten Linien 44, 46 und 58 der Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, die Seitenwände an Stellen nahe der Trichteröffnung 24 nach außen divergieren zu lassen, um eine bessere Schallbedeckung und Richtwirkung zu erzielen. Diese Erscheinung ist im einzelnen in der DE 31 16 307, bei der die Wände entsprechend der Funktion:

y = a + bx + cxⁿ

nach außen divergieren, wobei x der axiale Abstand von der Schallquelle und y die seitliche Versetzung der Seitenwände ist. Die Konstanten a und b sind durch die Steigung des linearen Teils der Schalltrichterwandung bestimmt, während die Konstante c und Potenz n die Ausdehnung der gewünschten Krümmung bestimmen. Die Anwendung dieser Formel zur Bestimmung der Konturen der divergierenden Bereiche 42 und 56 ergibt sich aus der DE 31 16 307. Bei dem gezeigten Fall ist der Wert der Potenz n=7, kann jedoch in anderen Fällen zwischen etwa 4 und 8 variieren.

Claims (1)

1. Lautsprechertrichter mit einem Trichterhals, einer sich daran anschließenden Spaltauslaßöffnung, einem ersten Paar Seitenwänden und einem dazu im wesentlichen um 90° versetzten zweiten Paar Seitenwänden, deren Profillinien mindestens teilweise mittels Gleichungen bestimmt sind, die wenigstens ein lineares Glied und ein exponentielles Glied umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Paar Seitenwände (20) sich an die Spaltauslaßöffnung (22) unmittelbar anschließende Abschnitte (54) aufweist, die einen sich kontinuierlich ändernden seitlichen Abstrahlwinkel β (Fig. 5) einschließen, der durch die folgende Gleichung bestimmt ist: wobei W die Breite einer rechteckigen, horizontalen Beschallungsfläche, H die Höhe der Abstrahleinrichtung des Lautsprechertrichters über der Beschallungsfläche und X der Abstand zwischen einem Punkt senkrecht unter der Abstrahleinrichtung und einem Punkt auf der Längsachse der Beschallungsfläche ist.