Untersuchungen zum Einsatz von Flachlautsprechern an schallreflektierenden Grenzflächen

Beer, Daniel GND

During the last two decades multichannel audio reproduction systems and the trend for amore flat design of media devices have lead to an increased demand in flat panel speakertechnologies.With a depth of a few centimeters these devices shall allow a space saving andunremarkable integration into rooms while providing the acoustic quality of a conventionalconus loudspeaker. Current flat panel speakers can be designed with a depth less than 10 cm.However if they are mounted directly in front of a wall or maintained within a flat case anunacceptable quality loss occurs.In this thesis the reasons for the deterioration of sound quality have been investigated.Therefore existing flat panel speaker technologies have been analysed and possible solutionshave been proposed. If flat panel speakers without enclosure are maintained directly in frontof a wall, reflections and interferences between sound parts from the front and the back ofthe membrane lead to an increased acoustic short circuit and to comb filter eects. On theone hand this eect can be prevented applying a loudspeaker enclosure. On the other handthe air volume inside the enclosure acts as an additional spring and influences the vibrationbehavior of the membrane. The smaller the case is the greater is the springs counterforce.This leads to an decreased sound pressure level in the low frequency range.Because of this a new flat panel speaker technology based on array like arranged miniaturetransducers built in a case is proposed. Through the usage of many single transducer enoughdriving power can be realized counteracting against the air volumes stiness. Additionallythe distribution of the driving force and the subdivision of the sound radiating area in partialareas allows a piston-shaped vibration behavior and a optimized radiation characteristic.The developed flat panel speakers dimensions are 75 cm 55 cm 2:4 cm. The frequencyrange is 100Hz to 20 kHz (-6 dB limiting frequency). Mounted on a wall the speakers meansound pressure level is 88 dB/1W/1 m. Combined with a subwoofer the new developedflat panel speaker can replace a conventional loudspeaker. To achieve the required soundpressure level within cinemas or concert halls multiple flat panel speakers have to becombined.The stereo setup of the final flat panel speaker developed within this thesis was presentedat the “Internationale Funkausstellung“ 2009 in Berlin.

Mehrkanalige Audiowiedergabesysteme und der Trend zu einem immer flacheren Design bei Mediengeräten haben das Interesse an Flachlautsprechern in den letzten 20 Jahren deutlich gesteigert. Mit einer Bautiefe von wenigen Zentimetern sollen diese eine platzsparende,unaufällige Integration im Raum ermöglichen und gleichzeitig die akustischen Eigenschaften eines konventionellen Lautsprechers aufweisen. Bisher eingesetzte Flachlautsprechertechnologien bieten bereits eine Bautiefe von weniger als 10 cm. Allerdings kommt es zu inakzeptablen Klangbeeinträchtigungen, wenn diese platzsparend direkt an der Wand oder in einem flachen Gehäuse betrieben werden.Das Ziel dieser Arbeit bestand daher in der Ermittlung der Ursachen der Klangbeeinträchtigungen und in der Herleitung von Lösungsansätzen. Hierzu wurden die bereits auf dem Markt vorhandenen Flachlautsprechertechnologien analysiert. Beim gehäuselosen Flachlautsprecher führen im wandnahen Betrieb Reflexionen und Interferenzen zwischen den Schallanteilen beider Membranseiten zu einer Verstärkung des akustischen Kurzschlusses und zu kammfilterartigen Amplitudenverläufen. Durch die Verwendung eines Lautsprechergehäuses kann dies verhindert werden. Allerdings beeinflusst das Luftvolumen im Gehäuse das Schwingungsverhalten der Membran wie eine zusätzliche Feder. Je kleiner das Gehäuse ist, desto größer ist die Kraft, die diese Feder der Membranbewegung entgegensetzt. Dies führt zu einem geringeren Schalldruckpegel im Tieftonbereich.Aus diesem Grund wurde eine neue Flachlautsprechertechnologie entwickelt. Die Basis dafür bildet der Einsatz von Miniaturschallwandlern, die in Arrays gruppiert und mit einem Gehäuse versehen werden. Durch die Verwendung von vielen Einzeltreibern kann bei einer geringen Bautiefe genügend Antriebskraft realisiert werden, um der Steifigkeit des Luftvolumens entgegen zu wirken. Die Verteilung der Antriebskraft und die Unterteilungder schallabstrahlenden Fläche in Teilflächen ermöglicht weiterhin ein kolbenförmiges Schwingungsverhalten und eine optimierte Abstrahlcharakteristik.Der entwickelte Flachlautsprecher besitzt die Abmessungen 75 cm , 55 cm , 2;4 cm und überträgt den Frequenzbereich von 100 Hz bis 20 kHz (-6 dB-Grenzfrequenzen) mit einemKennschalldruckpegel von 88 dB/1W/1m bei direkter Wandmontage. Im Heimbereich kann dieser Flachlautsprecher in Kombination mit einem Subwoofer den konventionellen Lautsprecher ersetzen. Zur Beschallung von Kino- bzw. Konzertsälen ist der Einsatz mehrerer Flachlautsprecher notwendig, um den erforderlichen Schalldruckpegel zu erzielen.Die Ergebnisse der Entwicklung wurden in Form eines Stereo-Setups auf der Internationalen Funkausstellung 2009 in Berlin präsentier

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Beer, Daniel: Untersuchungen zum Einsatz von Flachlautsprechern an schallreflektierenden Grenzflächen. 2011.

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