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Dokumentenidentifikation DE10310033A1 16.09.2004
Titel Schallwandler in Form eines Linienstrahlers zur Erzeugung und Abgabe pulsierender Zylinderwellen mittels kleiner und kleinster Schallwandler
Anmelder Kuntze, Karl-Heinz, 42657 Solingen, DE
Erfinder Kuntze, Karl-Heinz, 42657 Solingen, DE
DE-Anmeldedatum 06.03.2003
DE-Aktenzeichen 10310033
Offenlegungstag 16.09.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.09.2004
IPC-Hauptklasse H04R 1/20
IPC-Nebenklasse H04R 1/26   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft Schallwandler in Form eines Linienstrahlers zur Erzeugung und Abgabe pulsierender Zylinderwellen mittels kleiner und kleinster Schallwandler.
Aufgrund der Konstruktion ist es möglich, auf kleinstem Raum einen Schalleindruck, als aus einer einzigen Schallquelle stammend, zu erzeugen, mit höchstem Wirkungsgrad.

Beschreibung[de]

Schallwandler in Form eines Linienstrahlers zur Erzeugung und Abgabe von pulsierenden Zylinderwellen.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schallwandler in Form eines Linienstrahlers zur Erzeugung und Abgabe pulsierender Zylinderwellen.

Allgemein breitet sich Schall kugelförmig aus und verliert pro Entfernungsverdopplung 6 dB an Schalldruck. Für große Entfernungen reicht im Normalfall ein Lautsprecher nicht aus. Daher werden sogenannte „ Cluster" mehrerer Lautsprecher gebildet, um größere Entfernungen zu überbrücken. Damit wird zwar eine effektive Erhöhung der Lautstärke erreicht, aber der Schalldruck nimmt immer noch um 6 dB pro Entfernungsverdoppelung ab. Interferenzen der einzelnen Schallquellen untereinander sind dabei nicht zu vermeiden. Mehrere übereinander oder nebeneinander „gestackte" Lautsprecher werden also nicht als ein Lautsprecher wahrgenommen. Um das jedoch zu erreichen, müssen die einzelnen Schallwandler akustisch gekoppelt werden, nach Möglichkeit über den gesamten Frequenzbereich.

Die akustische Kopplung von Schallwandlern ist jedoch abhängig von der Entfernung der Wandler zueinander und von der Frequenz. Der Abstand der Schallwandler zueinander (von Mittelpunkt zu Mittelpunkt ) entspricht einer bestimmten Wellenlänge (&lgr;). Unterhalb dieser Frequenz ist die Kopplung möglich, oberhalb dieser Frequenz nicht mehr.

In dem Bereich, in dem die Kopplung erfolgt, breiten sich die Schallwellen nicht mehr kugelförmig (sphärisch), sondern als kohärente Schallwellen, zylinderförmig aus. (s. 1). Bildlich liegt ein pulsierender Zylinder vor der „Schallzeile" vor.

Die mathematischen Grundlagen hierfür finden sich bei M. Urban et al., „Sound Fields Radiated by Multiple Sound Source Arrays", 1992, 92. AES – Convention, Wien.

Frequenz und die Länge der Schallzeile bestimmen, wie weit der Schallzylinder in den Raum reicht. Danach bricht der Zylinder auf und der Schall breitet sich wieder kugelförmig aus. Diese beiden Bereiche werden von den vorgenannten Autoren „ Fresnel-Region" (für die Region der Zylinderwelle) bzw. „ Fraunhofer-Region" (für die Region der Kugelwelle) genannt. In der Fachliteratur haben sich jedoch hierfür die Begriffe „ Nahfeld" bzw. „Fernfeld" eingebürgert.

Stellt man sich also die Zylinderwelle als pulsierenden Zylinder vor der Schallzeile vor, (s. 2) so unterscheidet sich dieser in zwei wesentlichen Punkten von der sphärischen Ausbreitung:

  • 1.) Die gesamte Fläche schwingt in vertikaler Richtung als eine Einheit und strahlt somit eine kohärente Schallwelle ab.
  • 2.) Im Unterschied zu einer Kugelwelle, die pro Entfernungsverdoppelung 6 dB an Schalldruck verliert, nimmt die Zylinderwelle lediglich um 3 dB pro Entfernungsverdoppelung ab, was besonders bei der Überbrückung großer Distanzen ins Gewicht fällt.

Da eine akustische Kopplung von Schallwandlern nur dann stattfindet, wenn der Abstand zwischen den Wandlern ( von Mittelpunkt zu Mittelpunkt ) kleiner ist als die Wellenlänge, ist dies unproblematisch, sofern die Frequenzen bis zu 1,5 kHz ( &lgr; = 22,66 cm ) betragen. Eine Menge von 8" – Treibern (∅ ca. 21 cm ) koppelt also unterhalb von 1,5 kHz zu einem Linienstrahler. Für den Mittelhochtonbereich werden heutzutage üblicherweise 1,5'' oder 2''- Druckkammertreiber eingesetzt, deren Durchmesser auch bis zu 18 cm ( z. B.: 2'' -Treiber BMS 4590, 18 cm ∅ oder 1,5" – Treiber ND1480 von Eighteen-Sound, ∅ = 13 cm ) sein können. Durch diese physischen Größen der Treiber werden die Grenzen gesetzt, oberhalb derer eine Kopplung auf diesem Weg nicht mehr möglich ist.

Um dennoch in diesen Frequenzbereichen eine Kopplung zu ermöglichen, werden sogenannte „Waveguides" , eine Art Wellenformer, verwendet, beispielsweise von JBL ( s. 3 ) ( JBL Professional, 8400 Balboa Blvd., Northridge. CA 91329, USA.) Diese waveguides formen die ursprünglich sphärischen Wellen eines oder mehrerer Treiber in eine ebene Welle um. Siehe hierzu: A. Goertz, „ Theoretische Grundlagen zur Anwendung von Line Arrays in der modernen Beschallungstechnik" , www.anselmgoertz.de.

Ein zusätzlicher Bestandteil heutiger Line-Arrays ist die Möglichkeit, abweichend vom Ideal des geraden Linienstrahlers, die Schallzeilen zu „ biegen" , was allgemein als „ curving" bezeichnet wird. Line-Arrays werden meist dazu benutzt, um größere Entfernungen zu überbrücken. Um dies ungehindert machen zu können, werden sie nach Möglichkeit hoch gehängt ins freie Schallfeld. Das kann dazu führen, daß die unmittelbar davor oder darunter liegenden zu beschallenden Bereiche nicht von der Zylinderwelle erfasst werden. deswegen werden die Line-Arrays nach unten hin zunehmend gebogen. Mit diesem „curving" geht jedoch zum Teil ein Leistungsabfall einher.

Die Waveformer sind in ihrer Konstruktion sehr aufwendig. Die dazugehörigen Kompressionstreiber können sehr schwer werden. Konventionelle 2''- Treiber, wie z.B. der o.g. BMS 4590 wiegen bis zu 9 kg, während neuere Treiber mit Neodym Magneten immer noch ein Gewicht von 3 kg/Stck. wiegen. Einige Line-Arrays werden zudem mit mehreren dieser Treiber bestückt, um den gewünschten Effekt zu bekommen. Zu dem Gewichtsfaktor kommt dann noch der Kostenfaktor hinzu, denn gerade die Kompressionstreiber sind relativ teuer. Diese Kompressionstreiber werden unterhalb ihrer Grenzfrequenz durch Membranlautsprecher (z.B. die oben bereits angeführten 8''er) ergänzt. Diese wiederum sind im Normalfall erheblich leiser als die Druckkammertreiber, so daß der relativ hohe Schalldruck der Treiber aktiv oder passiv an das Pegelniveau der Membranlautsprecher nach unten angepasst werden muß. Es müssen also sehr viel Gewicht und hohe Kosten eingesetzt werden, um den erreichten Pegel wieder abzusenken.

Gewöhnlich erreicht ein einziges Modul solcher Line-Array – Systeme ein Gewicht von ca. 90 kg oder mehr. (z.B.: EAW KF 760). Da Line-Arrays im Normalfall nicht mehr aufgestellt, sondern aufgehängt werden müssen, ergibt sich durch die berechtigt hohen Sicherheitsanforderungen ein immens hoher technischer, organisatorischer und finanzieller Aufwand an den Gehäusen und an der entsprechenden „ Flying-Hardware" .

Durch den hohen Materialeinsatz wird auch die optische Erscheinung geprägt. So sind die Abmessungen z.B. des X-Line- Moduls von Electro-Voice: ca: 49,4 × 124 × 74 cm, (N × B × T) bei einem Gewicht von ca. 116 kg. (s. 4). (EVI Audio, Buchanan, Michigan, USA).

Bei einer Schallzeilenlänge von ca. 5m ( entspricht etwa 10 Module) ergibt sich immerhin eine Fläche von ca. 6m2 bei einem handzuhabenden Gewicht von 1.160 kg.

Es sind Module bekannt, wobei die waagerechten Flächen der einzelnen Module nicht nach hinten konisch zulaufen, so daß beim sog. „curving" die Gehäuse vorne auseinanderklaffen, die Zylinderwelle aufbricht und in sphärische Wellenfronten übergeht und somit wirkungslos ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und einen Schallwandler in Form eines Linienstrahlers zur Erzeugung und Abgabe von pulsierenden Zylinderwellen zur Verfügung zu stellen, der ein breites Frequenzspektrum umfaßt, beim Hören die akustische Wahrnehmung als aus einer Schallquelle stammend, vermittelt, konstruktiv einfach gestaltet ist, geringes Gewicht und Raumbedarf aufweist und kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schallwandler in Form eines Linienstrahlers mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.

Das im folgenden geschilderte Schallzeilenmodul dient als Fallbeispiel für die Realisierbarkeit der vorher angeführten Kriterien. (s. 5)

Das Grundmodul beinhaltet zwei Bassmittelton Lautsprecher mit einem Durchmesser von je 13,5 cm. (5.1). Sie werden so dicht wie möglich aneinander montiert. Sie werden von hinten gegen die Frontplatte (5.2) montiert, die gerade so groß ist, daß die beiden Lautsprecher darauf Platz finden. (13,5 × 27 cm). Die Schallwandöffnungen der einzelnen Schallwandler werden nach vorne hin als Trichter ausgeführt, (5.3) so daß von den 367 cm2 Schallwand ca. 80% (286 cm2) reine Schallabstrahlfläche sind. Der Abstand der beiden Wandler von Mittelpunkt zu Mittelpunkt beträgt 13,5 cm, (5.4) was einer oberen Kopplungsfrequenz von etwas mehr als 2.500 Hz entspricht.

In der Längsachse der Frontplatte wird eine ca. 34 mm breite und ca. 5mm tiefe Nut mittig über die ganze Höhe der 18 mm dicken Frontplatte gefräst. Sie dient als Aufnahme für eine ebenso große Platine, auf der 8 Hochtöner (5.5) mit einem Durchmesser von je 33,5 mm dicht aneinander in Zeilenform montiert und direkt auf der Platine verkabelt und angeschlossen werden. Vor diese Hochtonzeile wird jetzt noch eine Platine montiert, (5.6) in die für jeden einzelnen Hochtöner noch ein Schalltrichter eingefräst ist. (5.7) Somit ist die Hochtonzeile coaxial zu der Bassmitteltonzeile angebracht und entspricht so dem Ideal der „einen" Schallquelle und zwar für den gesamten Frequenzbereich von 80 – 22.000 Hz, den das System überträgt. (s. 6). Die elektrische Trennung von Bassmitten- und Hochtonlautsprechern geschieht mittels eines passiven.

Netzwerkes, das im Inneren des Gehäuses untergebracht ist, bei 3.600 Hz mit 12 dB/Oktave. (Kann wahlweise auch mit aktiven Filtern geregelt werden). Da somit der Schalldruck der Hochtöner unterhalb von 3.600 Hz um mindestens 12 dB/Okt. abfällt, wäre ein nahtloser Übergang zu der oberen Koppelfrequenz der Bassmittenlautsprecher (2.500 Hz) nicht optimal gewährleistet. Durch die jedem Hochtonschallwandler vorgeschalteten Schalltrichter wird der Pegel der Hochtöner jedoch in diesem Bereich akustisch so „hochtransformiert, daß ein nahtloser Übergang der zu koppelnden Frequenzbereiche realisiert wird, ohne die Treiber elektrisch mehr zu belasten. (s. 7). Ein solches Modul wiegt ca. 6 kg.

Durch die zeilenförmige Anordnung aller Schallwandler beinhaltet jedes dieser Module bereits die charakteristischen Merkmale eines

Linienstrahlers. Um daraus ein Line-Array zu konfigurieren, dessen Zylinderwelle weiter in den zu beschallenden Raum reicht, müssen jetzt lediglich – nach den räumlichen Vorgaben – entsprechend viele dieser Module in einer Linie aneinander gereiht werden. Der Bereich der Zylinderwelle, wie bereits vorher erwähnt auch „Nahfeld" genannt, berechnet sich nach der Formel: R = L2/2&lgr;. (L = die Länge der Zeile in Metern und &lgr; = die zu betrachtende Frequenz in Metern). Wie man erkennen kann, ist dies abhängig von der jeweils betrachteten Frequenz. Nimmt man acht der oben beschriebenen Grundmodule als Beispiel, hat man einen Linienstrahler von ca. 2,40 m Länge. (s. 8). Daraus ergibt sich rechnerisch eine Ausdehnung der Zylinderwelle für

Daraus läßt sich u.a. ableiten, daß bereits mit relativ kurzen Linienstrahlern für hohe und mittlere Frequenzen große Entfernungen überbrückt werden können und daß man, will man dieselbe Entfernung auch für tiefe Frequenzen erreichen, den Linienstrahler entsprechend lang machen muß.

Eine andere Schlussfolgerung daraus ist die, daß ein Linienstrahler, zumal wenn er im ganzen Frequenzbereich arbeitet, unterhalb einer Länge von 1,20 m kaum einen Sinn macht. Deswegen ist es sinnvoll, die Schallwandler aus vier der oben beschriebenen Grundmodule in einem Gehäuse zusammen zu fassen. (s. 9). Auch noch größere Baugruppen sind realisierbar. Bei der geringen Baugröße und dem geringen Gewicht erhält man eine Schallzeile von ca. 1,20 m Länge bei einem Gewicht von ca. 24 kg. Das ist eine Größenordnung, die immer noch leicht von einer Person gehandhabt werden kann und bringt eine nochmalige Reduzierung an Gewicht und Kosten. Die anfangs beschriebenen Grundmodule kann man zwar dafür genau so gut einsetzen, eignen sich aber in diesem Zusammenhang besonders als „Curving-Module". Darauf werde ich an anderer Stelle noch genauer eingehen.

Eine weitere Ableitung aus der oben aufgestellten Tabelle ist folgende:

Will man mit einem Linienstrahler eine Zylinderwelle mit einem breiten Frequenzspektrum über eine vorher genau definierte Entfernung bringen, so wird diese Entfernung nie von allen Frequenzen gleichermaßen erreicht. Für ein Line-Array von 2,40 m Länge zum Beispiel hat das „ Nahfeld" für 2.400 Hz eine Ausdehnung von 20,32 m, für 4.800 Hz aber bereits die doppelte. (s. 10). Wenn am Ende dieses angenommenen Schallfeldes von ca. 20 m zum Beispiel eine reflektierende Wand steht, würden die Frequenzen oberhalb 2.400 Hz, deren Zylinderwelle ja zum Teil erheblich weiter reicht, dort reflektieren und sich als Störschall negativ bemerkbar machen. Umgekehrt bedeutet das, wenn man die notwendige Länge der Schallzeile für die Frequenzen um 4.800 Hz berechnet, würde die Zylinderwelle für 2.400 Hz bereits nach der Hälfte der eigentlich zu überbrückenden Distanz zu einer sphärischen Wellenfront aufbrechen, mit den schon geschilderten negativen Eigenschaften – Interferenzerscheinungen und ein Pegelabfall von 6 dB anstatt nur 3 dB pro Entfernungsverdoppelung bei der Zylinderwelle. Durch die coaxiale und weitgehenst modulare Bauweise meiner Linienstrahler kann man jedoch genau vorausberechnen, wie lange zum Beispiel die Hochtonzeile sein muß, um dieselbe Ausdehnung als Zylinderwelle zu erreichen wie z.B die Mitteltonzeile. Dies ist eine weitere Möglichkeit der Klangoptimierung und erheblicher Kostenreduzierung, die sich durch den Aufbau der einzelnen Module mit kleinen und kleinsten Schallwandlern ergibt.

Die Gehäuse der Linienstrahler können grundsätzlich aus jedem Material gefertigt werden. Im vorliegenden Fallbeispiel sind die Gehäuse aus Multiplex-Holz gebaut. Die Frontplatte hat eine Stärke von 18 mm, alle anderen teile sind 12 mm stark. Die Abmessungen der Frontplatte sind durch die Abmessungen der Lautsprecher festgelegt, wie bereits vorher geschildert. Somit sind Breite und Höhe der Gehäuse-Innenabmessungen definiert. Das Netto-Gehäusevolumen wird nun durch die Gehäusetiefe festgelegt. Sie wird so gewählt, daß die eingebauten Bassmittelton-Lautsprecher bis in den Bass hinein arbeiten können, egal, ob das Gehäuse geschlossen oder mittels entsprechend dimensionierter Reflexöffnungen abgestimmt wird. Im Falle des Grundmoduls mit zwei Bassmitteltonlautsprechern ergibt sich so eine Tiefe von ca. 25 cm. Stellt man das Gehäuse so, daß die Lautsprecher auf einer senkrechten Achse stehen und betrachtet nun das Gehäuse von der Seite, sieht man, daß die waagerechten Flächen (Oben und Unten ) nach hinten konisch aufeinander zu laufen und zwar mit einem Winkel von je ca. 5°. Das dient dazu, daß man die einzelnen Gehäuse untereinander abwinkeln („curven") kann, ohne daß die einzelnen Gehäuse dann vorne auseinander klaffen. (s. 11). Dieses würde nämlich bedeuten, daß die Schallzeile unzulässig unterbrochen würde und somit die Ausbreitung einer durchgehenden Zylinderwelle nicht möglich wäre. Die Vorderkanten der Gehäuse bilden beim „curven" die Achse, um die diese Module gedreht werden können.

Um die einzelnen Gehäusemodule, gleich ob Grund- oder Mehrfachmodule, untereinander zu verbinden, habe ich eine Metallplatte entwickelt, die an beiden Gehäuseseiten angebracht wird. (s. 12). Sie ist von der Form her auf die Drehachse ausgerichtet und enthält 4 Längslöcher, die auf zwei verschiedenen Radien um die Achse liegen und durch ihre Länge sowohl den minimalsten als auch den maximalsten Drehwinkel bestimmen. Diese Platten werden mit Schrauben fixiert, die ihr Gegenstück als fest montiertes Metallgewinde auf den Innenseiten der Boxen finden. Dadurch ist sowohl eine einwandfreie Verbindung als auch ein stufenloses curving der einzelnen Gehäuse untereinander gewährleistet. Diese Platten, von denen jede einzelne eine Box mit der jeweils nächsten verbindet, können untereinander noch mit Stahlprofilen verbunden werden, so daß alle anfallenden Lasten durch die an den Gehäuseaußenseiten liegenden Verbindungsprofilen abgefangen werden.

Da Line-Arrays sich aufgrund ihrer akustischen Merkmale gerade für die Überbrückung großer Entfernungen anbieten, werden sie nach Möglichkeit weit genug über die Köpfe des Auditoriums „geflogen" , um im freien Schallfeld zu sein. Dieses kann aber bedeuten, daß die Zylinderwelle über die Köpfe der ersten Zuhörerreihen hinweggeht, weil dieser Bereich im toten Winkel des Schallzylinders liegt. Deswegen ist es wichtig, daß die einzelnen Module eines Linienstrahlers die Möglichkeit bieten, die Linie biegen („curven") zu können. (s. 13). Dieses Biegen geht zwar mit einem Leistungsabfall einher, der jedoch im Normalfall erwünscht ist, da der Abstand zu den Zuhörern in diesen Bereichen erheblich geringer ist.

Der Hauptanspruch der Erfindung besteht darin, Linienstrahler zu erstellen, die über den gesamten Bereich des menschlichen Hörvermögens – und darüber hinaus – kohärente Schallwellen erzeugen, die sich im Raum nicht mehr sphärisch, sondern als pulsierende Zylinderwellen ausbreiten. Dazu setze ich Schallwandler in verschiedenen Größen ein bis hin zu kleinen und kleinsten Wandlern für mittlere, hohe und höchste Frequenzen.

Es ist allgemein bekannt, daß Zeilenanordnungen gleich großer Schallwandler unter bestimmten Voraussetzungen zu einer kohärenten Schallwelle koppeln können. Diese Kopplungsfähigkeit ist abhängig von der Größe der Wandler und dem damit kleinst möglichen Abstand zueinander, von Mittelpunkt zu Mittelpunkt gemessen. Dieser Abstand entspricht einer bestimmten Wellenlänge &lgr;(Frequenz). Unterhalb dieser Frequenz kann die Kopplung funktionieren, oberhalb dieser Frequenz nicht mehr.

Dieses Prinzip bildet auch die Grundlage meiner Erfindung. Üblicherweise werden in der professionellen Beschallungstechnik für den Mittelhochtonbereich jedoch Druckkammertreiber eingesetzt, deren – relativ zur Wellenlänge – große Durchmesser eine Kopplung hoher Frequenzen nicht ermöglicht. Aus diesem Grunde werden allgemein für diesen Frequenzbereich sogenannte „waveguides" entwickelt und eingesetzt, in denen die sphärischen Schallwellen der Treiber in eine möglichst kohärente Wellenform gebracht werden.

Das Besondere meiner Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ich auch in diesem Frequenzbereich kleinere und kleinste Schallwandler einsetze. Der kleinste, mir bisher bekannte Schallwandler, der auch in meinem vorher geschilderten Fallbeispiel zum Einsatz kommt, hat einen Durchmesser von 33,5 mm. Die Erfindung schließt jedoch noch kleinere, die es möglicherweise bereits gibt oder in Zukunft noch entwickelt werden, mit in die Erfindung ein. Diese können dann auch noch wegen ihrer geringen Baugröße coaxial vor den jeweils größeren angebracht werden. Daraus ergeben sich extrem kompakte Module, die sich leicht handhaben lassen. Zudem sind sie leicht zu curven und können in Baugruppen verschiedener Größe zusammengefasst werden.


Anspruch[de]
  1. Schallwandler in Form eines Linienstrahlers zur Erzeugung und Abgabe pulsierender Zylinderwellen, dadurch gekennzeichnet, dass sich in linearer Anordnung eine Reihe von Hochtonlautsprechern in coaxialer Anordnung vor einer Reihe von Bassmitteltonlautsprechern befindet.
  2. Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Module multipel angeordnet sein können.
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