EP3197178B1

EP3197178B1 - Lautsprecher

Info

Publication number: EP3197178B1
Application number: EP17158435.2A
Authority: EP
Inventors: Thomas Sporer; Daniel Beer; Stephan Mauer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2024-07-24
Anticipated expiration: 2030-02-04
Also published as: US9191734B2; CN102396243A; JP2012518304A; WO2010091999A1; JP5405598B2; US20120008812A1; EP2396973A1; CN102396243B; PL3197178T3; DE102009010278A1; EP3197178A1; DE102009010278B4; EP2396973B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schallwiedergabesysteme und insbesondere auf Schallwiedergabesysteme mit hoher Schallwiedergabebandbreite.
Das Interesse an Flachlautsprechertechnologien ist in den letzten 10 Jahren deutlich gewachsen. Im Wesentlichen ist dies durch den erhöhten Platzbedarf moderner Schallwiedergabeverfahren, wie z.B. 5.1 Surround oder Wellenfeldsynthese, und durch den schwindenden Installationsraum für Lautsprecher in immer kleiner bzw. flacher werdenden Multimediageräten, wie z.B. Mobiltelefon und Notebook, bedingt. Der Einsatz von Flachlautsprechern statt konventionellen Lautsprechern soll diesen erhöhten Anforderungen gerecht werden.
Untersuchungen an verschiedenen Flachlautsprechertechnologien, die in der Regel so alt wie der Konuslautsprecher von Kellogg und Rice sind, haben gezeigt, dass sowohl die Verwendung des gehäuselosen Flachlautsprechers direkt an der Wand als auch der Einsatz eines flachen Lautsprechergehäuses mit erheblichen Klangeinbußen verbunden ist. Stand der Technik findet sich in Beer, D.: Flachlautsprecher - ein Überblick, präsentiert auf der DAGA08, März 2008, Dresden; H. Azima, J. Panzer, "Distributed-Mode Loudspeakers (DML) in Small Enclosures", presented at the 106th AES Convention, Munich, Germany, May 1999; Beer et al.: The air spring effect of flat panel speakers, presented at the 124th AES-Convention, May 2008, Amsterdam/The Netherlands; und Wagner, Roland: Electrostatic Loudspeaker - Design and Construction. Audio Amateure Press, Peterborough, New Hampshire, 1993.
Der gehäuselose Flachlautsprecher ist in der Regel ein Dipolstrahler, der infolge des akustischen Kurzschlusses einen geringen Schalldruckpegel im Tieftonbereich aufweist. Bei der Installation in Wandnähe kommt es bei einem solchen Dipol durch die Reflexion und Überlagerung der rückwärtigen Schallanteil mit den Anteilen, des auf der Membranvorderseite abgestrahlten Schalls und damit verbundenen Beugungseffekten zu kammfilterartigen Klangverfärbungen oberhalb der Kurzschlussfrequenz. Aus diesem Grund wird bei konventionellen Lautsprechern ein Lautsprechergehäuse verwendet. Damit dennoch der Vorteil der flachen Konstruktionsweise erhalten bleibt, werden flache Gehäuse verwendet, die in der Regel ein kleineres Luftvolumen einschließen. Wie auch bei konventionellen Lautsprechern verschiebt sich durch ein zu kleines Luftvolumen die Grundresonanzfrequenz des Schallwandlers nach oben. Die untere Grenzfrequenz steigt dadurch ebenso, was eine verringerte Tieftonwiedergabe zur Folge hat.
Z Die US 2007/263894 A1 offenbart ein Schallwiedergabesystem mit einem Array von Einzellautsprecher und einer Frequenzweiche. Das Array umfasst 2 Flächen-Teil-Array für Tieftonbereich und 1 Linien Array für Hochtonbereich.
Die US 2005/0201583 A1 offenbart ein Niederfrequenz-Oberflächenarray, das auf einem Dipol-Prinzip basiert. Das System umfasst ein Haltesystem mit einem offenen Rahmen, wobei mehrere Sub-Woofer in einer Dipol-Oberflächenarraykonfiguration in dem offenen Rahmensystem untergebracht sind, um eine gesteuerte Schalldispersion sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Ebene zu liefern. Die Sub-Woofer sind betreibbar, um eine Niederfrequenz-Schalldispersion unter etwa 300 Hz zu liefern.
Die DE 695 07 896 T2 offenbart eine Lautsprechervorrichtung mit gesteuerter Richtungsempfindlichkeit, der einen ersten Satz von mindestens drei Lautsprechern, die entlang einer ersten geraden Linie entsprechend einem vorbestimmten Muster angeordnet sind, wobei die Abstände von Lautsprecher zu Lautsprecher variable gestaltet sind, und wobei Lautsprecher auch in Kontakt miteinander angeordnet werden können.
Das US-Patent Nr. 2,602,860 offenbart eine Lautsprecherstruktur, bei der neun konische Lautsprecher symmetrisch in drei Reihen von jeweils drei in einem einzigen Rahmen angeordnet sind. Der Rahmen umfasst zueinander verkippte Segmente, um den Abstrahlwinkel zu erhöhen. So soll der Abstand zwischen den Rändern der Lautsprecher kleiner als der Radius der Lautsprecher sein, wobei alle Lautsprecher aus einer gleichen Quelle betrieben werden. Ferner soll keine Restriktion bezüglich der Luftbewegung durch ein Gehäuse erreicht werden, da dies das Verhalten bei tiefen Frequenzen beeinträchtigen würde.
Das US-Patent Nr. 4,399,328 offenbart eine Richtungs- und Frequenz-unabhängige Spalte von elektroakustischen Wandlern, die mit unterschiedlichen Amplituden angesteuert werden, so dass sich bestimmte Verhältnisse der Ansteuerung der elektroakustischen Wandler ergeben.
Das US-Patent Nr. 6, 801, 631 B1 offenbart ein Lautsprechersystem mit mehreren Wandlern, die in einer Ebene positioniert sind, um ein optimales akustisches Schallausstrahlungsmuster zu erreichen. Vier mittlere Wandler (Woofer) arbeiten zusammen, um die niedrigen und mittleren Frequenzen zu reproduzieren, wobei die Woofer so positioniert sind, dass keine zwei Woofer eine gemeinsame vertikale Achse oder eine gemeinsame horizontale Achse gemeinsam haben. Ferner ist ein fünfter Wandler, und zwar ein Hochfrequenz-Tweeter vorgesehen, der in der Mitte der Woofer angeordnet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Schallwiedergabesystem zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Schallwiedergabesystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein preisgünstiges, flaches und dennoch hochqualitatives Schallwiedergabesystem durch Anordnen eines Flächen-Arrays aus gehäuselosen Einzellautsprechern, welche alle eine flache Form haben, in einem flachen Gehäuse erreicht werden kann, wobei dieses Schallwiedergabesystem eine hohe Wiedergabebandbreite oder einen ausreichenden Schalldruck in einem gewünschten schmalen, z. B. tiefen, Frequenzbereich aufweist.
Dieses Schallwiedergabesystem ist dahingehend vorteilhaft, dass der Platzbedarf aufgrund der Verwendung der flachen und typischerweise im Durchmesser kleinen Einzellautsprecher sehr gering ist. Auch das pro Einzellautsprecher erforderliche Gehäusevolumen ist aufgrund der Tatsache, dass die gehäuselosen Einzellautsprecher klein und flach sind, relativ gering, so dass das Gehäusevolumen des Flachgehäuses derart klein ist, dass das gesamte Schallwiedergabesystem eine kompakte Bauform hat. Insbesondere wird als Einzellautsprecher ein Element bevorzugt, das eine niedrige Freiluftresonanz hat. Dann ist üblicherweise auch das äquivalente Luftvolumen klein. Die Steifigkeit der Membranaufhängung des Einzellautsprechers wird hier mit der Steifigkeit eines äquivalenten Luftvolumens gleichgesetzt. Insofern werden Einzellautsprecher mit einer Resonanzfrequenz kleiner als 150 Hz und insbesondere sogar kleiner als 120 Hz oder sogar kleiner als 100 Hz bevorzugt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie die Verwendung von flachen gehäuselosen Einzellautsprechern ermöglicht, wobei das erforderliche Gehäusevolumen mit einem nahezu beliebigen Formfaktor, also mit einem flachen Gehäuse bereitzustellen. Die Verwendung von gehäuselosen Einzellautsprechern mit flachem Formfaktor hat ferner den Vortei1, dass diese Einzellautsprecher sehr preisgünstig in großer Stückzahl verfügbar sind. Durch Anordnung dieser gehäuselosen Einzellautsprecher in einem Flächen-Array wird eine Kopplung der Lautsprecher bei tiefen Frequenzen ausgenutzt, um auch bei tiefen Frequenzen, wie beispielsweise bei 100 Hz einen ausreichenden Schalldruck zu erzeugen. Andererseits ist die Verwendung von kleinen Einzellautsprechern, also von Einzellautsprechern mit einem Membrandurchmesser, der verhältnismäßig klein ist, insbesondere bei hohen Frequenzen von großem Vorteil im Vergleich zu einer Verwendung von Lautsprechern mit grö-βeren Membranen, weil bei kleinen Membranen gegenüber grö-ßeren Membranen erst bei höheren Frequenzen Partialschwingungen auftreten.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine variable Ansteuerung der vielen gehäuselosen Einzellautsprecher, und damit von Teilflächen des Flächen-Array, erfolgen kann. Es soll eine über weite Teile ortsunabhängige Vollbereichsbeschallung im Raum vor dem Schallwiedergabesystem so gut als möglich zu erreichen sein, trotz der Tatsache, dass das Schallwiedergabesystem ein Einzellautsprecher-Array großer Abmessungen aufweist.
Vorzugsweise umfasst das Schallwiedergabesystem ausschließlich identische Einzellautsprecher, die beispielsweise Kopfhörerkapseln oder allgemein gesagt Miniaturschallwandler sein können. Dies führt dazu, dass die Herstellung des Schallwiedergabesystems zu einem günstigen Preis möglich ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Einzellautsprecher in mehreren Arrays gruppiert, wobei das Flächen-Array mit den einzelnen Einzellautsprechern für die Tieftonwiedergabe vorgesehen ist und ein Array von einem oder mehreren gleichen Einzellautsprechern für eine Hochtonwiedergabe vorgesehen ist, wenn ein 2-Wege-System eingesetzt wird. Alternativ kann auch ein 3-Wege-System implementiert werden, bei dem das zweite Array mehrere Mitteltöner umfasst und der Hochtonbereich vorzugsweise von einem einzigen oder von nur wenigen Einzellautsprechern bestritten wird. Allerdings liefert auch bereits ein Ein-Wege-System mit gehäuselosen flachen Einzellautsprechern eine gute Wiedergabe in einem überraschend großen Wiedergabeband.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird es bevorzugt, dem Flächenarray nur das Tiefpasssignal zu liefern und dem weiteren Array, das für die mittleren oder hohen Töne zuständig ist, das Audiosignal mit der gesamten Bandbreite zur Verfügung zu stellen. Das heißt, dass eine Frequenzweiche in diesem Fall nur eine Tiefpassfunktion und keine Hochpassfunktion hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Schallwiedergabesysteme bzw. Lautsprecher erhalten, die trotz eines flachen Lautsprechergehäuses von weniger als 5 cm und insbesondere weniger als 3cm Tiefe und insbesondere mit identischen Einzellautsprechern eine Wiedergabe des Frequenzbereichs von 100 Hz bis 20 kHz mit einer Sensitivität von wenigstens 90dB/1W/1m ermöglichen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel umfasst 25 Miniaturschallwandler, welche ein etwa 21x21cm großes Flächen-Array bilden, das zwei Teil-Arrays für die Tieftonwiedergabe und ein zwischen diesen beiden Teilarrays vorhandenes Linienarray für eine Hochtonwiedergabe aufweist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnung detailliert erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a: eine Vorderansicht eines Lautsprechers bzw. Schallwiedergabesystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1b: eine Rückansicht des Lautsprechers bzw. Schallwiedergabesystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 1c: eine Verschaltung der gehäuselosen Einzellautsprecher gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 1d: eine frequenzmäßige Aufteilung der Arrayelemente von Fig. 1a für eine 3-Wege-Ansteuerung;
Fig. 2a: eine Vorderansicht eines Lautsprechers bzw. Schallwiedergabesystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2b: eine Darstellung des Gehäuses des Lautsprechers bzw. Schallwiedergabesystems von Fig. 2a;
Fig. 2c: eine Rückansicht des Lautsprechers bzw. Schallwiedergabesystems von Fig. 2a ohne Gehäuserückwand;
Fig. 2d: eine Belegung der gehäuselosen Einzellautsprecher für eine 2-Wege-Ansteuerung;
Fig. 2e: eine alternative Implementierung des Lautsprechers bzw. Schallwiedergabesystems von Fig. 2a mit angesetzten Fasen;
Fig. 3: eine Verschaltung der gehäuselosen Einzellautsprecher mit zusätzlicher Treiberelektronik für die in Fig. 2d gezeigte Lautsprecherbelegung;
Fig. 4a: eine schematische Darstellung des flachen Gehäuses des Lautsprechers bzw. Schallwiedergabesystems von Fig. 2a, Fig. 2b und Fig. 2c;
Fig. 4b: eine alternative schematische Darstellung des Gehäuses des Lautsprechers bzw. Schallwiedergabesystems von Fig. 2a, Fig. 2b und Fig. 2c;
Fig. 5a: eine Übertragungsfunktion einer Frequenzweiche für eine 2-Wege-Ansteuerung;
Fig. 5b: die Frequenzgänge des Hoch- und des Tieftonwegs für den in Fig. 2a gezeigten Lautsprecher bzw. das in Fig. 2a gezeigte Schallwiedergabesystem;
Fig. 5c: einen Frequenzgang des 2-Wege-Lautsprechers bzw. Schallwiedergabesystems gemäß Fig. 2a-2d ohne Entzerrung;
Fig. 5d: einen entzerrten Frequenzgang des Lautsprechers bzw. Schallwiedergabesystems von Fig. 2a mit einer Ansteuerung gemäß Fig. 3;
Fig. 6a: eine Vorderansicht und eine Rückansicht eines bevorzugten gehäuselosen Einzellautsprechers in Form einer Kopfhörerkapsel;
Fig. 6b: technische Daten des gehäuselosen Einzellautsprechers von Fig. 6a;
Fig. 7a: eine schematische Darstellung eines Einsatzbereiches für Flachlautsprecher bzw. Schallwiedergabesystems mit verkippt angeordneten Hoch- bzw. Mitteltönern; und
Fig. 7b: eine schematische Darstellung eines Lautsprechers bzw. Schallwiedergabesystems mit einem zurückgesetzten Mittel- bzw. Hochtonarray mit einem Horn bzw. Wave-Guide zum Vergleichmäßigen der Richtcharakteristik des Mittel- bzw. Hochtonarrays.

Fig. 1a zeigt eine Vorderansicht eines Schallwiedergabesystems, das nachfolgend auch Lautsprecher genannt wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Lautsprecher in Fig. 1a umfasst ein Flächen-Array 10 aus gehäuselosen Einzellautsprechern 11a, 11b, 11c, ... , wobei jeder gehäuselose Einzellautsprecher eine flache Form aufweist, wie es bereits anhand der Rückansicht in Fig. 1b anhand des gehäuselosen Einzellautsprechers 11d zu sehen ist. Insbesondere zeigt die Vorderansicht in Fig. 1a pro Einzellautsprecher den vorderen Bereich, also eine Aufsicht auf die Membran des Lautsprechers, während die Rückansicht veranschaulicht, dass der gesamte Einzellautsprecher so flach ist, dass er in dem in Fig. 1b gezeigten Gehäuse bzw. in der entsprechenden Gehäusebohrung aufgenommen ist und kaum über die Bohrung hervorsteht. Wie es noch anhand von Fig. 4a zu sehen ist, ist bei dem gehäuselosen Einzellautsprecher, der beispielhaft in Fig. 1b und Fig. 1a eingesetzt ist, und der in Fig. 6a detailliert dargestellt ist, der Einzellautsprecher nahezu vollständig in der Gesamtdicke des Materials der Lautsprechervorderwand aufgenommen, derart, dass der Lautsprecher nur ein kleines Stück über die Gehäusevorderwand hervorsteht und rückseitig aus der Gehäusevorderwand ebenfalls nur ein kleines Stück hervorsteht, wobei der Vorstand aus der Gehäusevorderwand bei einem Ausführungsbeispiel lediglich 4,5mm beträgt und der Lautsprecher lediglich etwa 1,5mm auf der rückwärtigen Seite der Gehäusevorderwand vorsteht und damit ein extrem flacher Einzellautsprecher ist.
Dennoch wird es aufgrund des besseren Verhaltens bevorzugt, elektrodynamische gehäuselose Einzellautsprecher einzusetzen, die prinzipiell wie Konus-Lautsprecher aufgebaut sind. Konus-Lautsprecher haben bereits eine systembedingte Minimaltiefe. Insbesondere bei Kopfhörerkapseln ist jedoch diese Tiefe sehr gering, so dass Kopfhörerkapseln, wie sie beispielsweise in Fig. 6a und Fig. 6b dargestellt sind, mit einer sehr geringen Tiefe, nämlich z.B. nur mit einer Bautiefe von 10,6 mm, geeignet sind und außerdem preisgünstig angeboten werden.
Fig. 1c zeigt eine Ansteuerung der einzelnen gehäuselosen Einzellautsprecher in Fig. 1a im Falle einer 1-Wege-Implementierung. Insbesondere werden aus den gehäuselosen Einzellautsprechern des Flächenarrays wenigstens zwei Gruppen a wenigstens zwei Lautsprechern gebildet, wobei bei dem in Fig. 1c gezeigten Ausführungsbeispiel fünf Gruppen 12a-12e gebildet werden, wobei jede Gruppe fünf Einzellautsprecher aufweist, so dass der gesamte Lautsprecher insgesamt 25 gehäuselose Einzellautsprecher aufweist.
Generell wird es bevorzugt, Lautsprecher bereitzustellen, deren Anzahl von Einzellautsprechern zwischen 9 und 49 variiert, wobei die genaue Anzahl der Einzellautsprecher davon abhängt, wie die einzelnen Verhältnisse der Einzellautsprecher sind, und welcher Schalldruckpegel insbesondere im unteren Frequenzbereich, für den das Schallwiedergabesystem vorgesehen ist, gefordert wird.
Bei dem in Fig. 1a und Fig. 1b gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Membrandurchmesser eines Einzellautsprechers 36 mm. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden gehäuselose Einzellautsprecher verwendet, deren Membrandurchmesser kleiner als 5 cm und vorzugsweise sogar kleiner als 4cm ist, da bei der erfindungsgemäßen Flächen-Array-Anordnung das Verhalten im Hochtonbereich besser wird, je kleiner der Membrandurchmesser eines Einzellautsprechers wird. Kleinere Membranflächen, die durch kleinere Einzellautsprecher erreicht werden, und die Verwendung von gehäuselosen Einzellautsprechern ermöglichen eine dichtere Anordnung der Einzellautsprecher, um damit die Gesamtgröße des Arrays zu verkleinern. Dies führt zu einer reduzierten Richtwirkung. Außerdem werden Partialschwingungen, die zu ausgeprägten räumlichen Variationen des Schalldruckpegels im Raum führen können, zu unkritischeren höheren Frequenzen hin verschoben. Dort treten die Partialschwingungen zwar ebenfalls auf, sind aber aufgrund der Tatsachen, dass sie nicht bei tiefen Frequenzen sind, nicht mehr störend.
Der damit verbundene Abfall des Schalldruckpegels bei tiefen Frequenzen wird durch eine gekoppelte Anordnung von mehreren Einzellautsprechern im Array kompensiert, wobei es jedoch wesentlich ist, dass die Einzellautsprecher für die Tieftonwiedergabe in einem Flächen-Array angeordnet werden und nicht etwa in einem Linien-Array. Ein Flächen-Array erfordert wenigstens zwei benachbarte Reihen, wobei eine Reihe wenigstens zwei Lautsprecher haben muss und die andere Reihe wenigstens einen Lautsprecher haben muss. So ist bereits eine Dreiecks-Anordnung aus den Lautsprechern 11a, 11b, 11c in Fig. 1a ein Flächen-Array, wobei Flächen-Arrays in Form eines Rechtecks, Quadrates oder eines Kreises bzw. einer Ellipse bevorzugt werden. Insbesondere ein quadratisches Array wird am meisten bevorzugt, weil die QuadraLform der Kreisform am nächsten kommt und die gewissermaßen rechtwinklige Anordnung der einzelnen Einzellautsprecher, die zu einem insgesamten Quadrat für das Flächen-Array führt, es ermöglicht, die Einzellautsprecher möglichst nah aneinander anzuordnen. Insbesondere werden die Einzellautsprecher derart nah aneinander angeordnet, dass sie sich berühren oder dass zwischen den Einzellautsprechern, die zueinander benachbart sind, ein direkter Abstand besteht, der kleiner als 5 mm und insbesondere kleiner als 3mm ist.
Die in Fig. 1c gezeigte Seriell-/Parallel-Schaltung ermöglicht es, dass das gesamte Lautsprecher-Array noch einen nennenswerten Ohmschen Widerstand hat, im Vergleich zu der Situation, bei der alle Lautsprecher parallel geschaltet sind, so dass der fließende Strom die Belastbarkeit der Schwingspulen der Schallwandler nicht übersteigt. Im Vergleich zu einer kompletten Serienschaltung aller einzelnen Lautsprecher wird jedoch durch die Serien-Parallelschaltung erreicht, dass sich nicht alle, in Reihe geschalteten Lautsprecher gegenseitig elektrisch beeinflussen Die Seriell-/Parallel-Schaltung gemäß Fig. 1c stellt somit einen guten Kompromiss zwischen der Komplexität der Verdrahtung der Einzellautsprecher und der von den Einzellautsprechern vorgegebenen Spezifikationen für Maximalstrom dar.
Fig. 1d zeigt eine alternative Implementierung des in Fig. la gezeigten Ausführungsbeispiels, bei dem die Einzellautsprecher ähnlich wie in Fig. 1a angeordnet sind, die jedoch als 3-Wege-System angesteuert werden. Hierbei wird das Flächen-Array aus gehäuselosen Einzellautsprechern in eine erste Array-Hälfte 13a aus Tiefton-Lautsprechern und eine zweite Array-Hälfte 13b aus Tiefton-Lautsprechern ausgebildet. Diese beiden Arrayhälften bzw. Teilarrays werden von einem weiteren Array aus Mittelton-Lautsprechern 13c und einem noch weiteren Array, das nur aus einem einzelnen Hochton-Lautsprecher 13d besteht, getrennt. Bei der in Fig. 1d gezeigten Implementierung werden die beiden mit "x" bezeichneten Einzellautsprecher kurzgeschlossen, also deaktiviert, dahingehend, dass diese beiden Einzellautsprecher nicht zur Schallausgabe beitragen und ein Schwingen als Passivmembran verhindert werden kann.
Bei dem in Fig. 1d gezeigten Ausführungsbeispiel ist zu sehen, dass die Anzahl der Tiefton-Einzellautsprecher wesentlich größer ist als die Anzahl der Mittelton-Lautsprecher oder der Hochton-Lautsprecher. Diese Aufteilung zugunsten der Tiefton-Wiedergabe wird vorgenommen, um durch eine Kopplung der Einzellautsprecher für den Tieftonbereich, die dadurch erreicht wird, dass die Tiefton- Einzellautsprecher in einem Flächen-Array so nah als möglich zusammen angeordnet werden, ein ausreichender Schalldruck bei tiefen Frequenzen bereitgestellt wird.
Erfindungsgemäß wird trotz eines flachen Lautsprechergehäuses von nur 2,4 cm Innentiefe und der damit verbundenen hohen Federsteifigkeit des eingeschlossenen Luftvolumens, die Wiedergabe des Frequenzbereiches von 100 Hz (-6dB) bis zu 20kHz (-6dB) mit einer Sensitivity von 101 dB/1W/1m ermöglicht. Dazu wird aus 25 Miniaturschallwandlern ein 21 cm x 21 cm großes Array gebildet und in ein Gehäuse der Größe (LxBxH) eingebaut. Die Ansteuerung der einzelnen Treiber wird auf die Zielvorgabe eines möglichst linearen Amplitudenfrequenzganges und einer gleichmäßigen Directivity in Hauptabhörrichtung angepasst. Zu diesem Zweck wird das Array als Dreiwege-System ausgelegt. Der Array-Ansatz wird deshalb gewählt, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Antriebskraft auf die Membran zu realisieren und um mittels vieler kleiner Membranflächen das Auftreten von Partialschwingungen zu höheren Frequenzen zu verschieben. Im Gegensatz zu einer großen Membranfläche ist außerdem das wesentlich geringere Gewicht der Einzelmembrane von großem Vorteil für die Wiedergabe hoher Frequenzen.
Insbesondere für die Wellenfeldsynthese-Anwendung bietet der Array-Ansatz die Möglichkeit, den Lautsprecherabstand zwischen benachbarten Wiedergabekanälen veränderlich zu gestalten, indem die Gruppierung von Wandlern zu einem Wiedergabekanal beliebig möglich ist. Eine Randbedingung bei der Wellenfeldsynthese ist die "räumliche Abtastfrequenz", die es erfordert, dass zur Aliasing-freien Wiedergabe eines Tons von 1 kHz alle 17 cm ein Lautsprecherelement vorhanden ist, das mit einem jeweils eigenen Signal angesteuert wird. Bei 10 kHz sollte der Abstand bei 1,7 cm liegen, bei 100 Hz aber bei 1,7 m. Ein Abstand von 1,7 m kann leicht erfüllt werden. Ein Abstand von 1,7 cm dagegen schwer oder nur annähernd. Der erfindungsgemäße Flachlautsprecher ermöglicht es, größere Gruppen von Einzellautsprechern mit einem tiefpassgefilterten Signal zu versorgen, die eine größere Breite haben. Hier gibt es eine vorteilhafte Synergie, weil Einzellautsprecher im tiefen Bereich ohnehin in einem Flächenarray benötigt werden, um einen ausreichenden Schalldruck zu liefern. Dagegen werden benachbarte Gruppen oder einzelne nebeneinander liegende Lautsprecher mit unterschiedlichen Lautsprechersignalen versorgt, um für die höheren Frequenzen einen kleinen Kanalabstand zu erzeugen, der in der Größenordnung des Membrandurchmessers liegt. Das Lautsprechersignal kann jeweils ein Hochpasssignal oder ein Signal mit Hochpass- und Tiefpassanteilen sein.
Vorzugsweise ist also ein weiteres Array von Einzellautsprechern vorhanden, wobei Einzellautsprecher es Flächenarrays so gruppiert sind, dass räumlich benachbarte Wellenfeldsynthesekanäle mit begrenzter Bandbreite unter 1 KHz durch nebeneinander liegende Gruppen von Einzellautsprechern wiedergebbar sind, deren Abstand größer ist als der zwischen benachbarten Einzellautsprechern oder im Vergleich zu den Gruppen kleineren Grüppchen, die räumlich benachbarte Wellenfeldsynthesekanäle mit Signalanteilen über 1 kHz wiedergeben.
Erfindungsgemäß wird ein Lautsprecher erhalten, der einen linearen Frequenzgang über einen möglichst großen Frequenzbereich, gutes Impulsverhalten, ein gleichmäßiges und für die Anwendung sinnvolles Abstrahlverhalten aufweist, und der in der Lage ist, einen maximalen Schalldruckpegel von 101 dB oder mehr in einem 1 m Abstand zu erzeugen, wobei der Lautsprecher dabei außergewöhnlich flach ist. Der Flachlautsprecher ist dahin gehend vorteilhaft, dass er unauffällig in die Umgebung integrierbar ist und trotzdem gute Übertragungseigenschaften hat. Die Gehäusekonstruktion soll so sein, dass eine besonders geringe Bautiefe von 5 und vorzugsweise 3,6 cm bzw. noch bevorzugter 3,0 cm nicht überschritten wird. Zu diesem Zweck werden akustische Treiber verwendet, die eine sehr geringe Bautiefe haben. Bevorzugt wird das elektrodynamische Prinzip des Konuslautsprechers als Schallwandler, da diese Technologie gut beherrschbar und leistungsfähig ist. Die geforderte geringe Bautiefe erfordert den Einsatz von Miniaturlautsprechern und bedingt somit kleine Membranflächen. Daher werden einzelne Treiber in einer Gruppenanordnung verwendet, wobei es in einem solchen Flächen-Array möglich ist, im Gegensatz zu einem einzelnen großen Biegewellenwandler bzw. Einzelkolbenstrahler mit gleicher Membranfläche, die jeweils aktive Strahlerfläche durch frequenzabhängige Ansteuerung der Array-Elemente bei Bedarf zu verändern. Diese Option ist bezüglich der Vermeidung von Seitenkeulenbildung bei hohen Frequenzen und der Vermeidung von Partialschwingungen von Vorteil, wobei der Membranradius möglichst so gewählt wird, dass Partialschwingungen erst bei unkritischen Frequenzen auftreten. Gegenüber bekannten Dickenschwingern ist ein wesentlich höherer Membranhub und damit eine höhere Lautstärke im unteren Frequenzbereich erreichbar. Daher sind Flächen-Arrays für die erfindungsgemäßen Flachlautsprecher günstig.
Fig. 6a zeigt eine Vorderansicht und eine Rückansicht eines vorzugsweise verwendeten Miniaturlautsprechers bzw. "Miniaturchassis". Die Miniaturchassis ist vorzugsweise als rückwärtig offene Kopfhörerkapsel, wie in Fig. 6a gezeigt, ausgeführt. Die messtechnisch ermittelten Parameter eines solchen gehäuselosen Einzellautsprechers sind in der Tabelle in Fig. 6b dargestellt. Die Freiluftresonanzfrequenz eines solchen Einzellautsprechers liegt bei 120 Hz.
Sowohl bei dem in Fig. 1a gezeigten Lautsprecher als auch bei dem Bezug nehmend auf die Figuren 2a-2e diskutierten Lautsprecher gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein geschlossenes Gehäuse eingesetzt. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel kann auch ein geöffnetes Gehäuse eingesetzt werden, insbesondere mit einem Bassreflex-System, also einem Bassreflexgehäuse als Helmholtz-Resonator, wie er aus der Technik bekannt ist.
Bezüglich des Materials des flachen Gehäuses wird ein geeignet steifes Material bevorzugt, um ein ausreichend versteiftes Gehäuse zu erhalten, das mit einer Materialstärke von weniger als 7 mm und insbesondere sogar mit einer Materialstärke von 3 mm oder noch weniger auskommt. Es wird bevorzugt, als Material Stahlblech oder profilierten Kunststoff zu verwenden, obgleich auch Holz eingesetzt werden kann. Es wird bevorzugt, um die Anfälligkeit für Längs- und Quermoden gleicher Frequenz zu minimieren, dass die Kantenabmessungen des gesamten Lautsprechers in keinem ganzzahligen Vielfachen zueinander sind oder dass der Lautsprecher nicht parallele Wände aufweist. Um dennoch einen gewünschten optischen Eindruck mit parallelen Wänden zu haben, kann ein inneres Gehäuse mit nicht parallelen Wänden in ein äu-βeres Gehäuse mit parallelen Wänden gesetzt werden. Ein Beispiel für eine Innenabmessung des in Fig. 1a gezeigten Ausführungsbeispiels beträgt 61,5 cm Breite, 80 cm Höhe und 2,4 cm Tiefe. Bei einer Verwendung eines 6 mm MDF-Plattenmaterials ergeben sich Außenmaße mit einer Breite von 63,7 cm, einer Höhe von 81,2 cm und einer Tiefe von 3,6 cm.
Gegen das Mitschwingen des Gehäuses wird es bevorzugt, im Gehäuseinneren Stege zwischen Vorder- und Rückseite einzubringen, und es wird ferner bevorzugt, auf die Rückwand von außen Profile aufzubringen. Wie es beispielsweise in Fig. 2a, 2b zu sehen ist, wird es bevorzugt, dass das Flächen-Array bezüglich der Breite zentral und zu den Kanten parallel einzubringen, jedoch bezüglich der Höhe exzentrisch anzuordnen. Die Einzellautsprecher werden insbesondere in einzelnen Bohrungen untergebracht und teilweise im Gehäusematerial eingelassen. Die Einzellautsprecher können z.B. mit Heißklebstoff oder einem anderen Dichtungsmaterial eingeklebt und insbesondere akustisch abgedichtet werden.
Ein Vorteil der Array-Anordnung ist die Möglichkeit, einzelne Elemente und damit einzelne Teilflächen des Arrays unterschiedlich anzusteuern. Um die aktiven Elemente des Arrays frequenzabhängig bestimmen zu können, wird eine Mehrwege-Ansteuerung verwendet. Zu diesem Zweck wird das Flächen-Array, wie es anhand von Fig. 1d beschrieben worden ist, in zwei Teilarrays 13a, 13b für die Tieftonwiedergabe aufgeteilt.
Alternativ zu dem in Fig. 1d gezeigten Ausführungsbeispiel würde eine 2-Wege-Anordnung darin bestehen, dass in der mittleren Spalte alle Lautsprecher bis auf den einzigen in der Mitte deaktiviert oder nicht vorhanden sind, wobei der einzige mittlere Lautsprecher dann als einziger Hochtöner wirken würde. Um den maximal erzielbaren Schalldruckpegel zu erhöhen, wird das in Fig. 1d gezeigte 3-Wege-System verwendet. Insbesondere wird, damit sich der von den 3 Wegen abgestrahlte Schallphasen richtig überlagert, der Mitteltonzweig um 0,5 ms und der Hochtonzweig um 0,52 ms gegenüber dem Tiefton-Array verzögert.
Um das Abstrahlverhalten noch weiter zu verbessern, wird es bevorzugt, eine 2-Wege-Ansteuerung mit Hochtonweg in Form eines Bessel-gewichteten linearen Arrays zu verwenden, wie sie in Fig. 2d schematisch gezeigt ist. Damit wird eine Bündelung und Seitenkeulenbildung besser unterdrückt. Dieser Effekt wird noch verbessert, wenn, wie es in Fig. 2d gezeigt ist, die Hochton-Einzellautsprecher in der Mitte angeordnet sind, und das Flächen-Array aus Tiefton-Lautsprechern in zwei Teil-Arrays 13a, 13b aufteilen. Im Gegensatz zur Fig. 1d existiert in Fig. 2 jedoch lediglich ein weiteres Hochton-Array 13e, wobei die einzelnen Hochton-Lautsprecher mit den Gewichtungen angesteuert werden, wie sie in Fig. 2d schematisch angegeben sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die Gewichtungsfaktoren 0,5, 1, -1 lediglich aufgrund einer schaltungstechnisch einfachen Realisierung der Bessel-Gewichte erhalten worden sind, die sich rechnerisch jedoch zu 0,11, 0,44, 0,76, -0,44 und 0,11 ergeben, und nur mit größerem Aufwand zu realisieren sind.
Die in Fig. 2d gezeigte Ansteuerung findet derart statt, dass die drei Einzellautsprecher in der Mitte des Arrays 13e mit voller Amplitude angesteuert werden, wobei jedoch der untere dieser drei Einzellautsprecher mit invertierter Phase angesteuert wird, während der oberste Einzellautsprecher und der unterste Einzellautsprecher des Arrays 13e mit halber Amplitude angesteuert werden. Diese Pegel- und Phasenverhältnisse lassen sich, entgegen den Bessel-Funktionen errechneten Faktoren mit sehr einfachen Mitteln umsetzen. Durch Parallelschalten der drei mittleren Einzellautsprecher mit einer Serienschaltung der Lautsprecher ganz oben und ganz unten des Arrays 13e lassen sich diese Amplitudenverhältnisse herstellen. Die Phase wird bei dem Einzellautsprecher, der einen Gewichtungsfaktor "-1" in Fig. 2d hat, einfach durch Verpolen des Anschlusses erreicht, wie es in Fig. 3 bei 15 dargestellt ist.
Ähnlich zu Fig. 1c werden die vier Spalten des TieftonArrays in vier Gruppen von jeweils fünf Einzellautsprechern gruppiert, wobei die Gruppen untereinander parallel geschaltet sind. Dadurch ergibt sich für das Hochton-Array eine Nennimpedanz von 10 Ohm und für das Tiefton-Array eine Nennimpedanz von 56 Ohm. Es könnten auch alle Tiefton-Einzellautsprecher parallel geschaltet werden, dann würde aber ein höherer Strom durch die Schwingspulen fließen.
Dies könnte jedoch den Schwingspulendraht der Einzellautsprecher jedoch überlasten und zerstörten.
Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, wird bei dem Ausführungsbeispiel eine Frequenzweiche 16 mit einer Grenzfrequenz 710 Hz bevorzugt. Bei einer größeren Arrayfläche sollte die Frequenzweiche eine kleinere Grenzfrequenz haben, und bei einer kleineren Arrayfläche sollte die Frequenzweiche eine größere Grenzfrequenz haben. Aufgrund der Frequenzweiche existieren ein Hochtonweg 17a und ein Tieftonweg 17b oder allgemein gesagt nur ein Tieftonweg und ein Weg mit voller Bandbreite statt dem Hochtonweg, der keine Tieftonanteile hat, welche vorzugsweise beide durch einen Entzerrer EQ 18a bzw. 18b entzerrt werden, wobei die entzerrten Signale ferner vorzugsweise durch jeweils einen Verstärker 19a bzw. 19b verstärkt werden.
Bei dem in Fig. 2a gezeigten Lautsprecher gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls ein geschlossenes System verwendet. Das Gehäuse basiert auf einer Berechnung unter Verwendung der sogenannten Thiele-Small-Parameter der gehäuselosen Einzellautsprecher, wobei die Gesamtgüte Q_tc der Kombination aus Gehäuse und Array bei 0,707 liegen soll. Diese Abstimmung wird auch als Butterworth-Abstimmung bezeichnet und äußerst sich in einem, bei idealem Free-Air-Frequenzgang, maximal glattem Frequenzgang und minimal erreichbarer Resonanzfrequenz.
Fig. 2a zeigt eine perspektivische Ansicht des Lautsprechers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer Gehäusevorderwand 1a und einer Gehäuseseitenwand 1b, wobei der Lautsprecher in einem reflexionsarmen Raum angeordnet ist. Die Gehäusevorderwand umfasst eine Höhe und eine Breite, wobei die Höhe größer als die Breite ist, und wobei es bevorzugt wird, das Array bezüglich der Breite zentriert und kantenparallel einzufügen, und das Array bezüglich der Höhe nicht zentriert, sondern dezentral unterzubringen, wie es in Fig. 2b gezeigt ist. Fig. 2c zeigt eine Rückansicht des geöffneten Lautsprechers, wobei Stege 19a, 19b in vertikaler Richtung und Stege 19c in horizontaler Richtung gezeigt sind. Diese Stege, die vorzugsweise komplett von der Gehäusevorderseite bis zur Gehäuserückseite durchgehend ausgebildet sind, ermöglichen eine Kapselung von unterschiedlich angetriebenen Einzellautsprechern. Druckänderungen im Inneren des Lautsprechers, hervorgerufen durch Schwingungen einzelner Membranen würden sich ansonsten nämlich auf alle auf das gleiche Volumen arbeitende Einzellautsprecher auswirken. Um dies zu vermeiden, arbeiten die Einzellautsprecher der mittleren Array-Spalte jeweils auf ein einzeln abgegrenztes Volumen, das durch die Stege 19a, 19b, 19c erreicht wird. Da diese Einzellautsprecher für den Hochtonzweig verwendet werden, diese also weit oberhalb ihrer Resonanzfrequenz arbeiten sollen, ist eine aufwendige Dimensionierung des entstehenden Volumens nicht nötig. Das an jeden Hochton-Einzellautsprecher angekoppelte Volumen beträgt 0,0361 l. Die Abmessungen der Volumina bestimmen sich aus den Abmessungen des Einzellautsprechers.
Die Streben 19a, 19b erreichen eine zusätzliche Versteifung des Gehäuses und führen dazu, dass das Volumen für das Tiefton-Array in zwei Kammern aufgeteilt wird, wie es aus Fig. 2c oder auch aus Fig. 4a oder Fig. 4b ersichtlich ist. Das Aufteilen des Gesamtvolumens in zwei Kammern für die Teil-Arrays der Tiefton-Lautsprecher führt zu einer effizienten Versteifung des Gehäuses und dazu, dass Biegeschwingungen der Gehäusefront und/oder der Gehäuserückwand und Moden im Gehäuse unterdrückt werden, um entsprechende negative Einflüsse auf das Verhalten des Lautsprechers zu reduzieren. Weitere Versteifungselemente, wie sie bei 21 in Fig. 4b oder 22 in Fig. 4a gezeigt sind, werden eingefügt, um die Steifigkeit des verwendeten Holzmaterials zu verbessern, die relativ gering ist. Durch Minimieren der Abstände zwischen den Versteifungspunkten wird das Mitschwingen der Gehäusewände wegen des hohen Drucks im Inneren bei Betrieb des Lautsprechers verhindert. Vorzugsweise sind Höhe und Breite des Gehäuses keine geradzahligen Vielfachen, um die Ausbildung von gleichzeitigen Längs- und Quermoden nicht zu begünstigen. Die Innentiefe beträgt bei dem in Fig. 2a bzw. 2b gezeigten Ausführungsbeispiel wieder 2,4 cm. Die Außenabmessungen des in Fig. 2a gezeigten Ausführungsbeispiels betragen in der Breite 35,2 cm, in der Höhe 46,2 cm und in der Tiefe 3,6 cm. Diese Außenmaße sind auch in der schematischen Zeichnung in Fig. 4a zusammen mit anderen bevorzugten Abmessungen dieses Ausführungsbeispiels angegeben.
Die exzentrische Platzierung des Arrays auf der Front des Lautsprechers wird verwendet. Der Schalldruck von Schallwellen, die sich von einer Schallquelle über eine Lautsprecherfront ausbreiten, ändert sich, wenn diese auf eine Kante treffen, weil sich die Energie der Welle auf ein geändertes Volumen aufteilt. Im Falle einer Gehäusekante beugt sich eine Schallwelle um das Gehäuse. Das Volumen, in welches sich die Schallwelle ausbreitet und die Oberfläche der Wellenfront werden größer. Der Schalldruck auf dieser Oberfläche wird geringer. Durch die Druckänderung entsteht an dieser Kante eine zweite Schallquelle mit entgegengesetzter Phase. Der von dieser sekundären Schallquelle abgestrahlte Schall überlagert sich mit dem, von der primären Schallquelle abgestrahlten Schall. Je nach Laufzeitunterschied, der durch die Entfernung zwischen beiden Schallquellen und zwischen Lautsprecher und Hörposition beeinflusst wird, kommt es im Frequenzgang des Lautsprechers abwechselnd zu konstruktiver und destruktiver Interferenz. Wenn der dem Laufzeitunterschied äquivalente Wegunterschied ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge entspricht, dann kommt es zu Minima bei den entsprechenden Frequenzen, bei ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge kommt es zu Überhöhungen. Wenn das Array zentral auf der Schallwand platziert würde, käme es für Beobachtungspunkte nahe der 0°-Achse durch gleiche Laufzeiten bezüglich rechter und linker bzw. oberer und unterer Schallwandkante zu einer Überlagerung der Interferenzerscheinungen. Folge davon ist ein ortsabhängiger, teilweise von starken Einbrüchen und Überhöhungen geprägter Frequenzgang. Um dies zu vermeiden, wird die Position des Arrays auf der Frontplatte so ausgewählt, dass die Entfernung vom zentralen Einzellautsprecher zur oberen, unteren und den seitlichen Gehäusekanten möglichst unterschiedlich und keine ganzzahligen Vielfachen voneinander sind. Dadurch wird das unvorteilhafte Zusammenfallen von Interferenz-Effekten verhindert.
Die Aufteilung des Gehäuses in zwei gleich große Kammern durch Versteifungsstege bedingt, dass das Array horizontal zentriert angeordnet wird. So beträgt der Abstand vom Zentrum des Arrays zu den Seitenkanten jeweils 17,6 cm. Der Abstand des Mittelpunkts des Arrays zur oberen Gehäusekante wird auf 14,1 cm festgelegt. Der Abstand zur unteren Gehäusekante ergibt sich somit zu 23,1 cm. Damit die bei dem Ausführungsbeispiel 6 mm starken Leisten, mit denen die Hochtontreiber abgetrennt werden, nicht die Luftkompression an den rückseitig offenen Membranen behindern, werden nicht alle Einzellautsprecher des Arrays ohne Zwischenraum angeordnet. Stattdessen wird zwischen den Einzellautsprechern der mittleren Spalte des Arrays und den Einzellautsprechern der links und rechts benachbarten Spalten ein Abstand von 6 mm vorgenommen, wie es aus Fig. 4a ersichtlich ist.
Es wird bevorzugt, das Gehäuse zur Vermeidung von Gehäusemoden mit Dämmwolle zu bedämpfen. Eine Dämmwolle mit einer Dicke von 3 cm und einer Masse von 280 g/m² kann eingesetzt werden. Gehäusemoden soll durch Absorption im Dämmstoff Energie entzogen werden, so dass sie sich nicht voll oder gar nicht ausbilden können. Dieses Prinzip funktioniert nur bei hoher Schallschnelle. Da an den Rändern von Gehäusen bei Stehwellen stets Druckmaxima und Schnelle-Minima sind, wird daher an den Rändern des Gehäuses auf einer Breite von etwa 7 cm kein Dämmmaterial eingebracht, wie es schematisch in Fig. 2c zu sehen ist.
Nachfolgend werden, Bezug nehmend auf die Figuren 5a-5d diverse Messungen an dem in Fig. 2a bis Fig. 2d erläuterten Lautsprecher gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert.
Die Auftrennung der Audiosignale in einen Hochton-Zweig und in einen Tiefton-Zweig durch die Frequenzweiche 16 wird mit Hilfe von Linkwitz-Riley-Filtern vierter Ordnung für die Frequenzweiche vorgenommen. Die Übertragungsfunktion der Frequenzweiche ist in Fig. 5a dargestellt. Der Pegel des Hochton-Zweiges ist gegenüber dem Tiefton-Signal um 3 dB angehoben. Dem Lautsprecher ist ein 80 Hz Hochpass vorgeschaltet, der in Fig. 3 nicht gezeigt ist.
Das mit dieser Filterung beaufschlagte Signal wird dem Array zugeführt. Fig. 5b zeigt die Frequenzgänge von Hoch- und Tiefton-Weg auf der 0°-Achse. Die akustische Summation beider Wege ergibt den in Fig. 5c gezeigten nichtentzerrten Frequenzgang. Um sowohl die Linearität des Frequenzgangs als auch die untere Frequenz näher an die gestellten Anforderungen zu bringen, wird es bevorzugt, eine Entzerrung unter Verwendung der Equalizer 18a, 18b vorzunehmen. Ein entzerrter Frequenzgang ist in Fig. 5d gezeigt, bei dem eine wesentlich bessere Linearität ersichtlich ist, und bei dem ferner ein wesentlich verbessertes Verhalten im unteren Frequenzbereich und eine gesenkte untere Grenzfrequenz erhalten worden ist. Damit sich die von beiden Wegen abgestrahlten Schallanteile im Übernahmebereich möglichst optimal überlagern, wird es bevorzugt, den Hochton-Weg um 0,17 ms zu verzögern. Der Frequenzgang bei dem in Fig. 5d messtechnisch charakterisierten Ausführungsbeispiel wird im Bereich von 100 Hz bis 20 kHz linearisiert, so dass sich eine Welligkeit von +/- 2 dB erreichen lässt. Die Grenzfrequenz bei -6 dB beträgt 100 Hz. Bei 20 kHz ist der Schalldruckpegel ebenfalls um 6 dB abgefallen. Die mittlere elektrische Empfindlichkeit des Lautsprechers beträgt 101 dB/1W/1m. Dieser Wert ist im Vergleich zu herkömmlichen HiFi-Lautsprechern hoch und ist auf die hohe Empfindlichkeit der gehäuselosen Einzellautsprecher zurückzuführen. Fig. 2e zeigt eine alternative Implementierung des Flachgehäuses mit angesetzten Fasen, um mehr in die Nähe einer Gehäusefront ähnlich eines Pyramidenstumpfes zur Abschwächung von Interferenz-Effekten aufgrund von Beugungserscheinungen an den Kanten des Gehäuses zu kommen. Damit kann ein besser linearer Frequenzgang erreicht werden.
Um den von dem Lautsprecher abgegebenen Schalldruck bei niedrigeren Frequenzen, also im Bereich von 100 Hz und darunter zu verbessern, kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung das flache Gehäuse als Bassreflexgehäuse ausgeführt sein, das nicht vollkommen geschlossen ist, sondern eine oder mehrere Öffnungen in der Schallwand hat, die auch als Kanäle in das Gehäuse hinein verlängert werden können. Das Gehäuse eines Bassreflexsystems ist bei verschlossener Einbauöffnung für den Schallwandler ein Helmholtz-Resonator. Innerhalb des Bassreflexkanals befindet sich eine Luftmasse, die im Resonanzfall mit maximaler Amplitude schwingt. Der Resonator wird auf eine Resonanzfrequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des Schallwandlers abgestimmt und trägt dann bei tiefen Frequenzen wesentlich zur Schallabstrahlung des Lautsprechers bei. Eine korrekt abgestimmte Bassreflexkonstruktion hat einen Impedanzverlauf mit zwei benachbarten Maxima. Der maximale Schalldruck wird vom Bassreflexrohr bei dem Minimum f_b zwischen den beiden Impedanz-Maxima abgestrahlt. In Richtung höherer und tieferer Frequenz nimmt der vom Bassreflexkanal abgestrahlte Schalldruck ab. Das Ziel der Abstimmung eines Bassreflexsystems ist die konstruktive Überlagerung von Schallanteilen, die von Schallwandler und Bassreflexöffnung abgestrahlt werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Bassreflexöffnung an der unteren Seitenwand des Gehäuses, das beispielsweise in Fig. 2b gezeigt ist, vorgesehen, wobei diese Kanalöffnung rechteckig mit einer Breite von 5 cm ausgelegt wird. Die Länge eines Reflexrohrs für eine Kammer ergibt sich dann beispielsweise zu 3,3 cm. Ein darauf hin optimiertes Gehäuse hat eine Abmessung in der Breite von 41,5 cm, in der Höhe von 66,2 cm und in der Tiefe von 2,4 cm, wobei sich diese Abmessungen auf die Innenmaße beziehen. Die Öffnung des Bassreflexkanals kann bei anderen Ausführungsbeispielen vergrößert werden, und zwar insbesondere über die komplette Breite einer Kammer von z.B. 17,2 cm vergrößert werden. Entsprechend kann die Reflexrohrlänge vergrößert werden, da die Länge mit zunehmender Öffnungsfläche ebenfalls vergrößert werden muss, wenn die Abstimmfrequenz beibehalten werden soll.
Bei einer anderen Implementierung kann die Reflexöffnung auch an der oberen Schmalseite des Gehäuses angeordnet werden.
Insbesondere ein geschlossener Lautsprecher mit einer flächigen Anordnung von 25 Miniaturlautsprechern als Schallwandler wird bevorzugt, wobei die Anzahl der Schallwandler je nach Einsatz auch zwischen 9 und 49 liegen kann. Eine quadratische Form der Anordnung der Schallwandler wird bevorzugt, wobei das Flächen-Array aufgeteilt in getrennte Teilarrays der den kritischen Tiefton-Bereich liefernden Einzellautsprecher vorzugsweise in abgetrennten Volumina arbeiten soll. Vorzugsweise wird eine symmetrische 2-Wege-Anordnung eingesetzt, wobei die Einzellautsprecher des weiteren Arrays zwischen den beiden Teil-Arrays, welche als Hochtöner arbeiten, nach Koeffizienten von Bessel-Funktionen gewichtet sind. Das Anregungs-Signal des Systems wird mit einem Lautsprecher-Controller entzerrt sowie aktiv getrennt und mittels zwei Endstufen verstärkt. Damit werden HiFi-übliche Werte sowohl für den maximal erreichbaren Schalldruckpegel als auch für die Welligkeit des Frequenzgangs und den Klirrfaktor erreicht. Der Lautsprecher zeichnet sich durch ein kontinuierliches, nicht übermäßig bündelndes Richtverhalten ohne Seitenkeulen aus.
Lautsprecher gemäß der vorliegenden Erfindung sind sowohl in klassischen Stereo- oder Multikanal-Setups, vorzugsweise mit einem Subwoofer für den untersten Frequenzbereich einsetzbar. Das Array-Konzept führt zu einer hohen Skalierbarkeit des Systems. So kann damit bei Lautsprecher-Panels für Wellenfeldsynthese der Abstand benachbarter Wiedergabekanäle durch den geringen Durchmesser der Einzellautsprecher minimiert werden. Durch die Möglichkeit, einzelne gehäuselose Einzellautsprecher und somit bestimmte Bereiche eines Arrays diskret anzusteuern, sind auch zeitlich modifizierbare Ansteuerungen verwendbar. Die Bündelungswirkung des Lautsprechers in der Vertikalebene oberhalb von 10 kHz kann durch eine geänderte Array-Ansteuerung noch verringert werden, wenn oberhalb von 10 kHz nur noch ein einzelner Lautsprecher betrieben wird. Entsprechend der Richtwirkung des einzelnen Lautsprechers kann der vertikale Abstrahlwinkel oberhalb von 10 kHz mit einem solchen 3-Wege-System vergrö-βert werden. Die Schalldrucküberhöhung im Frequenzgang des in den Ausführungsbeispielen verwendeten Miniaturtreibers wird vorzugsweise eliminiert, damit keine Entzerrung mehr nötig ist.
Bei nicht Echtzeit-kritischem Einsatz des Lautsprechers wird es bevorzugt, zur Entzerrung einen linearphasigen Filtersatz zu verwenden. Damit kann die Gruppenlaufzeit des Systems aus Lautsprecher und Controller positiv beeinflusst werden.
Um den Lautsprecher bei tieferen Frequenzen zu verbessern, wird es bevorzugt, nicht die Array-Fläche zu vergrößern, sondern den abgestrahlten Schalldruck durch die Vergrößerung des Membranhubs zu erhöhen. Bei einer Verdoppelung des Membranhubs verdoppelt sich idealerweise auch der abgestrahlte Schalldruck. Hierzu muss jedoch die Mechanik des Schallwandlers für größeren Hub ausgelegt werden. Die Kraft, die vom Antrieb eines elektrodynamischen Schallwandlers erzeugt wird, wird vom Produkt aus der magnetischen Flussdichte B des Magneten, der Länge l des Spulendrahtes und dem fließenden Strom I in der Spule bestimmt.
Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Lautsprecher als aktiver Lautsprecher mit interner Signalverarbeitung auf einem DSP implementiert, da eine (z. B. aktive) Frequenzweiche und eine Entzerrung sowie eine mehrkanalige Verstärkung eingesetzt werden und in das Lautsprechergehäuse integriert werden können.
Der erfindungsgemäße Lautsprecher zeichnet sich durch eine außergewöhnlich geringe Gehäusetiefe, durch eine kostengünstige Herstellbarkeit und durch überzeugende Werte sowohl auf messtechnischer Seite als auch auf subjektiver Ebene aus.
Fig. 7a zeigt einen Lautsprecher, bei dem ein weiteres Array von Einzellautsprechern vorzugsweise in der Mitte des Lautsprechers vorhanden ist, bei dem einer oder mehrere Einzellautsprecher bezüglich der Einzellautsprecher des Flächenarrays verkippt angeordnet sind, so dass sich eine Flächennormale auf eine aktive Fläche eines Einzellautsprechers des weiteren Arrays von einer Flächennormale auf eine aktive Fläche eines Einzellautsprechers des Flächenarrays unterscheidet. Die Verkippung kann beispielsweise 30 Grad bezüglich der Normalen betragen und liegt vorzugsweise zwischen 10° und 70°. Dann kann ein Hörer eine Ausrichtung der Lautsprecher auf sich haben, selbst wenn der Flachlautsprecher and der Wand montiert ist und nicht gedreht werden kann. Für die näherungsweise Rundstrahlcharakteristik des Tieftonarrays ist dagegen eine Ausrichtung nicht erforderlich.
Fig. 7b zeigt einen Lautsprecher, bei dem ein weiteres Array von Einzellautsprechern vorhanden ist, das in dem Gehäuse zurückgesetzt ist, oder das vor der aktiven Fläche eine Wellenführungseinrichtung aufweist. Vorzugsweise wird eine Zurücksetzung und eine Waveguide-Struktur verwendet, um eine eben Oberfläche des Lautsprechers zu haben. Außerdem ist die Zurücksetzung der Hochtöner in der Mitte unkritisch, weil das nötige Luftvolumen für die Hochtöner aufgrund der hohen Frequenzen klein bzw. insgesamt unerheblich ist. Die Waveguide-Struktur dient dazu, die inhärente Richtwirkung im beabsichtigten Bereich zu vergleichmäßigen und sie wird eine hornartige Form haben.

Claims

Schallwiedergabesystem, mit folgenden Merkmalen:
einem flachen Gehäuse (1), wobei das flache Gehäuse (1) eine Vorderwand (1a), eine Rückwand, und eine Seitenwand (1b) aufweist,

einem Flächen-Array (10) aus Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c), die eine flache Form haben, wobei das Flächen-Array (10) wenigstens zwei benachbarte Reihen von Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) aufweist, wobei eine Reihe der wenigstens zwei benachbarten Reihen von Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) wenigstens zwei Einzellautsprecher (11a, 11b, 11c) aufweist, und wobei eine andere Reihe der wenigstens zwei benachbarten Reihen von Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) wenigstens einen Einzellautsprecher (11a, 11b, 11c) aufweist, wobei das Flächen-Array (10) ein erstes Flächen-Teil-Array (13a) aus Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) und ein zweites Flächen-Teil-Array (13b) aus Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) aufweist;

einem weiteren Array (13c, 13d, 13e) aus Einzellautsprechern, die eine flache Form haben, wobei das weitere Array (13c, 13d, 13e) entlang einer Breite der Vorderwand (1a) zwischen dem ersten Flächen-Teil-Array (13a) aus Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) und dem zweiten Flächen-Teil-Array (13b) aus Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) angeordnet ist; und

einer Frequenzweiche (16) zum Liefern eines Hochpass-Signals (17a) und eines Tiefpass-Signals (17b), wobei das Hochpass-Signal zum Ansteuern der Einzellautsprecher des weiteren Arrays (13c, 13d, 13e) verwendet wird, und wobei das Tiefpass-Signal (17b) zum Ansteuern der Einzellautsprecher (11a, 11b, 11c) des ersten Flächen-Teil-Arrays (13a) und des zweiten Flächen-Teil-Arrays (13b) des Flächen-Arrays (10) verwendet werden;

wobei die Einzellautsprecher (11a, 11b, 11c) des Flächen-Arrays (10) in der Vorderwand (1a) aufgenommen sind, und

wobei das flache Gehäuse (1) eine Tiefe kleiner als 5 cm aufweist, oder wobei ein Durchmesser eines Einzellautsprechers (11a, 11b, 11c) des Flächen-Arrays (10) kleiner als 5 cm ist, und

wobei das Flächen-Array (10) und das weitere Array (13c, 13d, 13e) in der Vorderwand (1a) zu den Kanten der Vorderwand (1a) parallel angeordnet sind, und wobei das Flächen-Array (10) und das weitere Array (13c, 13d, 13e) in der Vorderwand (1a) exzentrisch angeordnet sind.
Schallwiedergabesystem nach Anspruch 1,
bei dem ein kleinster Abstand eines Einzellautsprechers des weiteren Arrays (13c, 13d, 13e) zu einem Einzellautsprecher (11a, 11b, 11c) des Flächen-Arrays (10) größer ist als ein kleinster Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) des Flächen-Arrays (10).
Schallwiedergabesystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem für das Hochpass-Signal und/oder das Tiefpass-Signal ein Entzerrer (18a, 18b) und/oder ein Verstärker (19a, 19b) vorgesehen sind, die ausgebildet sind, um ein Frequenzverhalten einer Schallausgabe des Schallwiedergabesystems in einem vordefinierten Frequenzbereich zu vergleichmäßigen.
Schallwiedergabesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das flache Gehäuse (1) im Inneren mindestens einen Steg (19a, 19b, 19c) zum Verbinden der Vorderwand (1a) und der Rückwand aufweist, wobei der mindestens eine Steg (19a, 19b, 19c) so angeordnet ist, dass er zwischen einem Einzellautsprecher (11a, 11b, 11c) des Flächen-Arrays (10) und einem benachbarten Einzellautsprecher des weiteren Arrays (13c, 13d, 13e) angeordnet ist.
Schallwiedergabesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Flächen-Array (10) so in einer Vorderwand (1a) exzentrisch angeordnet ist, dass ein Mittelpunkt des Flächen-Arrays (10) von einem Mittelpunkt der Vorderwand (1a) um wenigstens 10 % der kürzeren Seite der Vorderwand (1a) unterschiedlich ist.
Schallwiedergabesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine Anzahl von Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) in dem Flächen-Array (10) wenigstens doppelt so groß ist wie eine Anzahl von Einzellautsprechern in dem weiteren Array (13c, 13d, 13e).
Schallwiedergabesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Flächen-Array (10) wenigstens zwei Gruppen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) von Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) aufweist, wobei jede Gruppe von Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) wenigstens zwei Einzellautsprecher (11a, 11b, 11c) aufweist, wobei die Einzellautsprecher (11a, 11b, 11c) in einer Gruppe von Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) seriell geschaltet sind, und wobei die Gruppen von Einzellautsprechern (11a, 11b, 11c) parallel geschaltet sind.
Schallwiedergabesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das weitere Array (13c, 13d, 13e) ein Linien-Array von Einzellautsprechern ist, wobei eine Ansteuerungsschaltung vorhanden ist, die ausgebildet ist, um äußere Einzellautsprecher des weiteren Arrays (13c, 13d, 13e) mit einem amplitudenmäßig schwächeren Treibersignal als einen mittleren Einzellautsprecher des weiteren Arrays (13c, 13d, 13e) zu versorgen.
Schallwiedergabesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem alle Einzellautsprecher des Schallwiedergabesystems insgesamt identische aktive Flächen haben.
Schallwiedergabesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einzellautsprecher (11a, 11b, 11c) so in dem flachen Gehäuse angeordnet sind, dass zwischen einer Rückseite einer Membran jedes Einzellautsprechers (11a, 11b, 11c) des Flächen-Arrays (10) und einer nächstliegenden Gehäusewand wenigstens ein Abstand von 0,8 cm und höchstens ein Abstand von 4 cm vorhanden ist.
Schallwiedergabesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Tiefe des flachen Gehäuses (1) kleiner als 1/10 der kürzeren Seite der Vorderwand (1a) oder der Rückwand ist.
Schallwiedergabesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das flache Gehäuse (1) eine durchgehende Trennung (19a, 19b) aufweist, um für das erste Flächen-Teil-Array (13a) ein erstes Gehäusevolumen bereitzustellen und für das zweite Flächen-Teil-Array (13b) ein zweites Gehäusevolumen bereitzustellen, wobei das erste Gehäusevolumen und das zweite Gehäusevolumen durch die Trennung (19a, 19b) voneinander getrennt sind.
Schallwiedergabesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das weitere Array (13c, 13d, 13e) von Einzellautsprechern vorhanden ist, das in dem flachen Gehäuse (1) zurückgesetzt ist, oder das vor der aktiven Fläche eine Wellenführungseinrichtung aufweist.
Schallwiedergabesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem weiteren Array (13c, 13d, 13e) von Einzellautsprechern einer oder mehrere Einzellautsprecher bezüglich der Einzellautsprecher (11a, 11b, 11c) des Flächen-Arrays (10) verkippt angeordnet sind, so dass sich eine Flächennormale auf eine aktive Fläche eines Einzellautsprechers des weiteren Arrays (13c, 13d, 13e) von einer Flächennormalen auf eine aktive Fläche eines Einzellautsprechers (11a, 11b, 11c) des Flächen-Arrays (10) unterscheidet.
Schallwiedergabesystem nach Anspruch 1, bei dem das Flächen-Array (10) und das weitere Array (13c, 13d, 13e) bezüglich der Breite zentral angeordnet sind.
Schallwiedergabesystem nach Anspruch 1, bei dem eine Anzahl von Einzellautsprechern zwischen 9 und 49 liegt.
Schallwiedergabesystem nach Anspruch 1, bei dem das Flächen-Array (10) bezüglich einer Breite des Schallwiedergabesystems zentral, zu Kanten des Schallwiedergabesystems parallel, und bezüglich einer Höhe des Schallwiedergabesystems exzentrisch angeordnet ist.
Schallwiedergabesystem nach Anspruch 1, bei dem eine Position des Arrays auf der Frontplatte so ausgewählt ist, dass eine Entfernung eines zentralen Einzellautsprechers zu einer oberen Gehäusekante, eine Entfernung eines zentralen Einzellautsprechers des Flächen-Arrays (10) zu einer unteren Gehäusekante und eine Entfernung eines zentralen Einzellautsprechers des Flächen-Arrays (10) zu seitlichen Gehäusekanten unterschiedlich zueinander sind und keine ganzzahligen Vielfachen voneinander sind.