Untersuchungen zum Einsatz von Flachlautsprechern an schallreflektierenden Grenzflächen

262 Pages·2011·22.96 MB·German

by  Daniel Beer

echnische niversitat lmenau
T U ¨ I
FakultätElektrotechnikundInformationstechnik
InstitutfürMedientechnik
raunhofer nstitut igitale edientechnologie lmenau
F I D M IDMTI
Untersuchungen zum Einsatz von
Flachlautsprechern
an schallreflektierenden Grenzflächen
Dissertation
zurErlangungdesakademischenGrades
Doktoringenieur(Dr.-Ing.)
vorgelegtderFakultätfürElektrotechnikund
InformationstechnikderTechnischenUniversitätIlmenau
vonDipl.-Ing.DanielBeer
geborenam29.11.1976inStralsund
Vorgelegtam: 06.10.2009
Gutachter: 1.Univ.-Prof.Dr.-Ing.Dr.rer.nat.h.c.mult.K.Brandenburg
2.Hon.-Prof.Dr.-Ing.habil.W.Klippel
3.Prof.Dr.-Ing.habil.J.Grabow
Verteidigungam: 28.06.2011
Verf.-Nr.: EI249
URN: urn:nbn:de:gbv:ilm1-2011000359
Fraunhofer-InstitutfürDigitaleMedientechnologieIDMT
Ehrenbergstraße31
98693Ilmenau
Danksagung
Das Gelingen dieser Arbeit sehe ich als Geschenk Gottes an. Er verlieh mir das nötige
fachlicheVerständnisundführtemichmitPersonenzusammen,dieganzwesentlichzum
ErfolgdieserArbeitbeigetragenhaben.AndieserStellemöchteichdeshalballenBeteiligten
meinenherzlichenDankaussprechen.
Für meine persönliche Betreuung während der Promotion danke ich meinem Doktorva-
ter, Prof. Brandenburg (TU Ilmenau/Fraunhofer IDMT), und Frau Dr. Brix (Fraunhofer
IDMT). Sie ermöglichten mir durch die Promotionstelle am Fraunhofer IDMT eine ideale
ForschungsumgebungundhalfendurchregelmäßigeGesprächstermine,Herausforderun-
gen zu meistern und die Arbeit zielstrebig und erfolgreich abzuschließen. Weiterhin sei
meinen Gutachtern gedankt, zu denen neben Prof. Brandenburg, Prof. Klippel (TU Dres-
den/Klippel GmbH) und Prof. Grabow (FH Jena/AMESYS Ingenieurbüro) gehören. Trotz
ihresforderndenAlltagsgeschäftesandenjeweiligenLehreinrichtungenundindeneige-
nen Unternehmen haben sie die Aufgabe übernommen, meine Dissertation zu lesen und
zubewerten.
WeiterhindankeichProf.PeissigundHrn.Grell(SennheiserelectronicGmbH&Co.KG)
für die Bereitstellung der Miniaturschallwandler. Ohne diese wären die erforderlichen
Untersuchungen und der damit aufgezeigte Lösungsweg nicht möglich gewesen. Prof.
KlippelverdankeichdieBereitstellungallerSoftware-ModulefürdasKlippel-Messsystem,
dieichfürdieUntersuchungenbenötigte.Dr.Watson(LautsprecherherstellerKEF)danke
ichfürdieBereitstellungderAktivkohlezurUntersuchungderVolumenverkleinerung.
Für alle fachlichen Diskussionen und hilfreichen Denkanstöße danke ich Prof. Branden-
burg und Prof. Peissig, die mich mit dem Array-Ansatz in die richtige Richtung lenkten,
Dr.Marquiss(AmericanPower&LightInc.),dermichdenKraftansatzalsLösungfürdie
Luftfederproblematik neu überdenken ließ und meinem ehemaligen Diplomanden, Hrn.
Mauer,derdenerstenFlachlautsprecherausMiniaturschallwandlerninseinerDiplomar-
beitrealisierteundsoganzwesentlicheErkenntnisse,z.B.denEinsatzeinesBessel-Arrays
imHochtonzweig,fürdieWeiterentwicklungerarbeitethat.DarüberhinausdankeichHrn.
Sanders(LautsprecherherstellerSandersSoundSystems)fürdenErfahrungsaustauschbe-
züglichdesBetriebsvonElektrostateninWandnäheundimLautsprechergehäuse.Obwohl
der Einsatz psychoakustischer Effekte zur Optimierung des Flachlautsprechers eine un-
tergeordnete Rolle im vorgestellten Lösungsansatz spielt, bin ich dennoch sehr dankbar
füralleUnterstützung,dieichhierdurchmeinenehemaligenDiplomanden,Hrn.Lubko-
witz, und durch Dr. Sporer, Fr. Liebtrau sowie den Teilnehmern der Praxiswerkstatt zur
psychoakustischenTieftonerweiterungerhaltenhabe.
WasisteinDoktorandohnedievielenhelfendenHände?HiernuneinherzlichesDanke-
schön an meine ehemalige Praktikanten, Diplomanden und Medienprojektler, deren Na-
men noch nicht erwähnt wurden, Hr. Boegel, Hr. Fröhlich, Hr. Ehrig, Hr. Jahr, Hr. Reich,
III
Hr.Wülknitz,Hr.Schnabel,Hr.Mahr,Hr.Hopfe,Fr.Schuster,Fr.Michel,Hr.Ley,Fr.Wölfl,
Hr.Spindler,Hr.Zenkert,Hr.Eisold,Hr.GensickeundHr.Heeg.
DarüberhinausdankeichFr.HeinzefürdieErstellungderKonstruktionszeichnungenund
Fr. Liebetrau, Hrn. Gatzsche, Fr. Klehs sowie Hrn. Ehrig für das Korrekturlesen meiner
Dissertation.
Schlussendlich haben meine Eltern mir diese Ausbildung ermöglicht und mich in Allem
unterstützt,wofürichIhnennichtausreichenddankenkann.
Kurzfassung
MehrkanaligeAudiowiedergabesystemeundderTrendzueinemimmerflacherenDesign
bei Mediengeräten haben das Interesse an Flachlautsprechern in den letzten 20 Jahren
deutlich gesteigert. Mit einer Bautiefe von wenigen Zentimetern sollen diese eine platz-
sparende,unauffälligeIntegrationimRaumermöglichenundgleichzeitigdieakustischen
Eigenschaften eines konventionellen Lautsprechers aufweisen. Bisher eingesetzte Flach-
lautsprechertechnologien bieten bereits eine Bautiefe von weniger als 10cm. Allerdings
kommteszuinakzeptablenKlangbeeinträchtigungen,wenndieseplatzsparenddirektan
derWandoderineinemflachenGehäusebetriebenwerden.
DasZieldieserArbeitbestanddaherinderErmittlungderUrsachenderKlangbeeinträch-
tigungenundinderHerleitungvonLösungsansätzen.Hierzuwurdendiebereitsaufdem
Markt vorhandenen Flachlautsprechertechnologien analysiert. Beim gehäuselosen Flach-
lautsprecher führen im wandnahen Betrieb Reflexionen und Interferenzen zwischen den
SchallanteilenbeiderMembranseitenzueinerVerstärkungdesakustischenKurzschlusses
und zu kammfilterartigen Amplitudenverläufen. Durch die Verwendung eines Lautspre-
chergehäuses kann dies verhindert werden. Allerdings beeinflusst das Luftvolumen im
Gehäuse das Schwingungsverhalten der Membran wie eine zusätzliche Feder. Je kleiner
dasGehäuseist,destogrößeristdieKraft,diedieseFederderMembranbewegungentge-
gensetzt.DiesführtzueinemgeringerenSchalldruckpegelimTieftonbereich.
Aus diesem Grund wurde eine neue Flachlautsprechertechnologie entwickelt. Die Basis
dafürbildetderEinsatzvonMiniaturschallwandlern,dieinArraysgruppiertundmitei-
nem Gehäuse versehen werden. Durch die Verwendung von vielen Einzeltreibern kann
bei einer geringen Bautiefe genügend Antriebskraft realisiert werden, um der Steifigkeit
desLuftvolumensentgegenzuwirken.DieVerteilungderAntriebskraftunddieUntertei-
lungderschallabstrahlendenFlächeinTeilflächenermöglichtweiterhineinkolbenförmiges
SchwingungsverhaltenundeineoptimierteAbstrahlcharakteristik.
Der entwickelte Flachlautsprecher besitzt die Abmessungen 75cm × 55cm × 2,4cm und
überträgtdenFrequenzbereichvon100Hzbis20kHz(-6dB-Grenzfrequenzen)miteinem
Kennschalldruckpegelvon88dB/1W/1mbeidirekterWandmontage.ImHeimbereichkann
dieserFlachlautsprecherinKombinationmiteinemSubwooferdenkonventionellenLaut-
sprecher ersetzen. Zur Beschallung von Kino- bzw. Konzertsälen ist der Einsatz mehrere
Flachlautsprechernnotwendig,umdenerforderlichenSchalldruckpegelzuerzielen.
DieErgebnissederEntwicklungwurdeninFormeinesStereo-SetupsaufderInternationa-
lenFunkausstellung2009inBerlinpräsentiert.

Abstract
Duringthelasttwodecadesmultichannelaudioreproductionsystemsandthetrendfora
moreflatdesignofmediadeviceshaveleadtoanincreaseddemandinflatpanelspeaker
technologies.Withadepthofafewcentimetersthesedevicesshallallowaspacesavingand
unremarkableintegrationintoroomswhileprovidingtheacousticqualityofaconventional
conusloudspeaker.Currentflatpanelspeakerscanbedesignedwithadepthlessthan10cm.
Howeveriftheyaremounteddirectlyinfrontofawallormaintainedwithinaflatcasean
unacceptablequalitylossoccurs.
In this thesis the reasons for the deterioration of sound quality have been investigated.
Thereforeexistingflatpanelspeakertechnologieshavebeenanalysedandpossiblesolutions
havebeenproposed.Ifflatpanelspeakerswithoutenclosurearemaintaineddirectlyinfront
ofawall,reflectionsandinterferencesbetweensoundpartsfromthefrontandthebackof
themembraneleadtoanincreasedacousticshortcircuitandtocombfiltereffects.Onthe
onehandthiseffectcanbepreventedapplyingaloudspeakerenclosure.Ontheotherhand
theairvolumeinsidetheenclosureactsasanadditionalspringandinfluencesthevibration
behaviorofthemembrane.Thesmallerthecaseisthegreateristhespringscounterforce.
Thisleadstoandecreasedsoundpressurelevelinthelowfrequencyrange.
Becauseofthisanewflatpanelspeakertechnologybasedonarraylikearrangedminiature
transducersbuiltinacaseisproposed.Throughtheusageofmanysingletransducerenough
drivingpowercanberealizedcounteractingagainsttheairvolumesstiffness.Additionally
thedistributionofthedrivingforceandthesubdivisionofthesoundradiatingareainpartial
areasallowsapiston-shapedvibrationbehaviorandaoptimizedradiationcharacteristic.
Thedevelopedflatpanelspeakersdimensionsare75cm×55cm×2.4cm.Thefrequency
rangeis100Hzto20kHz(-6dBlimitingfrequency).Mountedonawallthespeakersmean
sound pressure level is 88dB/1W/1m. Combined with a subwoofer the new developed
flatpanelspeakercanreplaceaconventionalloudspeaker.Toachievetherequiredsound
pressure level within cinemas or concert halls multiple flat panel speakers have to be
combined.
Thestereosetupofthefinalflatpanelspeakerdevelopedwithinthisthesiswaspresented
atthe“InternationaleFunkausstellung“2009inBerlin.

Inhaltsverzeichnis
1 EinleitungundMotivation 1
2 Zielsetzung 5
2.1 Flachlautsprecher–akustischeAnforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 AnforderungenandieBautiefe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 WeitereAnforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Grundlagen 11
3.1 Schallarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Schallwahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.1 AufbauundFunktionsweisedesmenschlichenOhres . . . . . . . . . . 13
3.2.2 Tonhöhenempfindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 SchallanregungsprinzipienbeiFlachlautsprechern . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.1 Kolbenschwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.2 Biegeschwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.3 Dicken-bzw.Längenschwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4 BerechnungenzurSchallabstrahlungvonFlachlautsprechern. . . . . . . . . . 26
3.5 AkustischeKopplungzwischenSchallstrahlern. . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.6 EffektebeigestörterSchallabstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.6.1 AkustischerKurzschluss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.6.2 Beugungsverluste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.6.3 Kammfilterartefakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4 StandderTechnik 37
4.1 FlachlautsprecheralsKolbenschwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.1.1 FlacherKonuslautsprecher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.1.2 Blatthaller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.3 Magnetostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.4 Bändchenlautsprecher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.5 Elektrostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2 FlachlautsprecheralsBiegeschwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.1 DistributedModeLoudspeaker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.2 Mangerschallwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 FlachlautsprecheralsDicken-bzw.Längenschwinger . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.1 PiezoelektrischeKristalleundKeramiken . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.2 PiezoelektrischePolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.3 WeitereDicken-bzw.Längenschwinger-Prinzipien . . . . . . . . . . . 55
4.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5 Problemanalyse–Flachlautsprecher 59
5.1 FlachlautsprecheralsDipolstrahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2 KlangbeeinträchtigungbeimBetriebvorreflektierendenGrenzflächen . . . . 60
IX
Inhaltsverzeichnis
5.3 BetriebmitLautsprechergehäuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.1 AuswirkungenaufdieMembranauslenkung . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3.2 BerechnungderLuftfedersteifigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.3.3 Wandreflexionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6 LösungsansätzezurLuftfederundKantenreflexion 73
6.1 FlachesGehäusemitgroßemVolumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2 FüllmaterialienimGehäuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.3 MembranaufhängungmitinverserFederkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.4 DieakustischeAufhängungalsAusgangspunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.5 AperiodischbedämpftesGehäuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.6 Compound-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.7 PassiveEqualisierungmittelsHochpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.8 AktiveEqualisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.9 Array-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.10 Array-Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.11 NutzungderrückwärtigenSchallabstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.12 Gehäusevolumeneliminieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.13 PsychoakustischeTieftonerweiterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.14 VermeidungvonSchallreflexionenanGehäusekanten . . . . . . . . . . . . . . 105
7 UmsetzungausgewählterLösungsansätzeanDemonstratoren 109
7.1 VerwendeterMiniaturschallwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.1.1 BestimmungderWandlerparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.1.2 BestimmungdesGehäusevolumens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.1.3 VolumensteifigkeitinAbhängigkeitvonderGehäuseform . . . . . . . 119
7.1.4 Vergrößerung des akustisch wirksamen Volumens durch Füllmate-
rialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.1.5 GehäuseverkleinerungdurchCompound-Prinzip . . . . . . . . . . . . 127
7.1.6 Bassreflexgehäuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.2 DimensionierungdesArrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.2.1 HochtonwiedergabemiteinemWandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.2.2 HochtonwiedergabemitBessel-Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.2.3 TieftonwiedergabemitFlächen-Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.3 KonstruktiondesArray-Demonstrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.4 UntersuchungdesArray-Demonstrators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.5 OptimierungdesArray-Demonstrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.5.1 LinearisierungdesFrequenzganges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.5.2 GehäuseverkleinerungdurchFüllmaterialundelektronischeEntzer-
rung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.6 UntersuchungenzurpsychoakustischenTieftonerweiterung . . . . . . . . . . 172
7.6.1 1.Hörtest–Tieftonerweiterungallgemein. . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.6.2 2.Hörtest–IntensitätderTieftonerweiterungundKlangfarbenände-
rung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.7 Ergebnisbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8 ZusammenfassungundAusblick 181
Verzeichnisse 183
Literaturverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
A Anhang 213
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