HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abstandhalter, der
in einem koaxialen Lautsprecher angeordnet ist, um eine
Lautsprechereinheit für einen hohen Tonfreguenzbereich und
einen mittleren Tonfrequenzbereich anzubringen.
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Ein solcher Abstandhalter ist beispielsweise in
US-A-4 492 826 angegeben.
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Ein koaxialer Lautsprecher ist ein komplexer Lautsprecher,
der zwei oder mehr koaxial angebrachte Lautsprechereinheiten
aufweist, die in einem einzigen Rahmen aufgenommen sind, so
daß ein Mehrwege-Lautsprecher gebildet ist. Der koaxiale
Lautsprecher ist kompakt gebaut, so daß er bevorzugt in
einem Kraftfahrzeug anbringbar ist.
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Gemäß Fig. 17 umfaßt ein koaxialer Zweiwege-Lautsprecher
einen Tieftonlautsprecher 9 und eine Mittel- und Hochton-
Lautsprechereinheit 11, die an dem Tieftonlautsprecher 9
koaxial angebracht ist. Der Tieftonlautsprecher 9 hat ein
Poljoch 1 mit einem integralen zentralen Pol 2, einem
Ringmagneten 3, der an dem Joch 1 angebracht ist, und einer
ringförmigen Platte 4, die an dem Magneten 3 angebracht ist,
so daß ein Magnetkreis gebildet ist. Ein konischer Rahmen 7
ist an der Platte 4 mittels Schrauben 8a angebracht. Eine
konische Membran 8 ist an dem Rahmen 7 um einen oberen Rand
desselben befestigt. Ein unterer Rand der Membran 8 ist mit
einem Dämpfer 6 und einer Schwingspule 5 verbunden. Ein
Luftspalt ist zwischen dem zentralen Pol 2 des Jochs 1 und
der Platte 4 gebildet. Die Schwingspule 5 ist von dem
Dämpfer 6 abgestützt.
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An dem zentralen Pol 2 ist ein Abstandhalter 10 aus
Kunststoff mit einer Schraube 10a angebracht. Die Mittel- und
Hochton-Lautsprechereinheit 11, die einen
elektromagnetischen Kreis bildet, der eine Schwingspule (nicht gezeigt)
aufweist, ist an dem Abstandhalter 10 angebracht. Der
koaxiale Lautsprecher ist insofern vorteilhaft, als seine
Konstruktion einfach und die Tonwiedergabe stabil ist, da
beide Lautsprechereinheiten 9 und 11 dieselbe
Tonquellenposition haben.
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Bei dem Lautsprecher, der den Abstandhalter verwendet,
nehmen jedoch Schalldruckpegel in einem mittleren
Frequenzbereich zu, und zwar speziell in einem Bereich zwischen
1 und 5 kHz, wodurch die Tonqualität verringert wird.
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Wie das Diagramm von Fig. 18 zeigt, erhöhen sich
insbesondere die Schalldruckpegel des Lautsprechers mit
Abstandhalter, der durch eine Vollinie angedeutet ist, bei
Frequenzen von ca. 2 kHz im Vergleich mit denen eines
Lautsprechers ohne Abstandhalter, der durch eine Strichlinie
dargestellt ist. Der Grund für die Erhöhung ist der, daß der
Schalldruck in einem Zwischenraum zwischen dem Abstandhalter
10 und der Membran 8 des Tieftonlautsprechers 9 zunimmt,
wodurch dessen akustischer Scheinwiderstand erhöht wird.
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Zur Lösung des Problems wird die Höhe des Abstandhalters 10
größer gemacht, und sein Außendurchmesser wird so weit wie
möglich verringert. Die akustischen Charakteristiken des
Lautsprechers können aber durch bloßes Verändern der Gestalt
und Einstellen der Position des Abstandhalters 10 nicht
ausreichend verbessert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die
Bereitstellung eines Abstandhalters für einen koaxialen
Lautsprecher,
wobei die Verschlechterung der Tonqualität
vermieden wird.
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Bei dem koaxialen Lautsprecher werden Schallwellen in einem
Zwischenraum zwischen dem Abstandhalter und einer Membran
eines Tieftonlautsprechers reflektiert. Zahlreiche Versuche
unter Verwendung von Abstandhaltern unterschiedlicher
Gestalt haben gezeigt, daß diese Reflexionen zu einem Anstieg
des Schalldruckpegels in einem mittleren Frequenzbereich
führen, was zu einer Zunahme des akustischen
Scheinwiderstands führt.
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Um eine Lösung für die Absorption der Reflexionen zu finden,
wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem ein Abstandhalter
verwendet wurde, in den ein Helmholtz-Resonator eingebaut
war. Die Ergebnisse zeigten, daß der Resonator eine
geeignete Einrichtung war, um die Resonanzfrequenz auf
einfache Weise einzustellen. Außerdem wurden die Resonanz-
Charakteristiken auf einfache Weise dadurch eingestellt, daß
eine geeignete Menge eines Schalldämpfungsmaterials in dem
Resonator angeordnet wurde.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Abstandhalter für
einen koaxialen Lautsprecher angegeben, wobei der
Abstandhalter einen Resonator hat.
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Bei einem Aspekt der Erfindung ist in dem Resonator ein
Schalldämpfungsmaterial vorgesehen.
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Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist der Resonator in
eine Vielzahl von Bereichen unterteilt, die jeweils eine
Resonanzfrequenz haben, die von derjenigen anderer Bereiche
verschieden ist.
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Der Abstandhalter gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen
Resonator, der einen Hohlraum und eine Vielzahl von
Öffnungen aufweist, die mit dem Hohlraum in Verbindung sind.
Durch Einstellen des Volumens des Hohlraums und der
Dimensionen und Anzahl der Öffnungen kann die Resonanzfrequenz
festgelegt werden.
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Wenn das Schalldämpfungsmaterial in dem Resonator angeordnet
ist, kann dessen Q-Wert festgelegt werden.
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Bei dem unterteilten Resonator werden Schallwellen
unterschiedlicher Frequenzen absorbiert, so daß die
Schalldruckpegel innerhalb eines großen Frequenzbereichs
verringert werden können.
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Die übrigen Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Abstandhalters eines
koaxialen Lautsprechers gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2 ist eine auseinandergezogene Schnittansicht des
Abstandhalters von Fig. 1;
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Fig. 3 ist eine schematische Ansicht des Abstandhalters
von Fig. 1 von seiner Unterseite gesehen;
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Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die das Konzept
eines Modellresonators zeigt, der in dem
Abstandhalter von Fig. 1 gebildet ist;
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Fig. 5 ist ein Diagramm, das den Frequenzgang des
koaxialen Lautsprechers zeigt, der mit dem
Abstandhalter von Fig. 1 versehen ist;
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Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Frequenzgang eines
koaxialen Lautsprechers zeigt, der mit einer
Modifikation des Abstandhalters von Fig. 1
versehen ist;
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Fig. 7 ist eine Schnittdarstellung einer anderen
Modifikation des Abstandhalters der Erfindung;
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Fig. 8 ist ein Diagramm, das den Frequenzgang eines
koaxialen Lautsprechers zeigt, der mit dem
Abstandhalter von Fig. 7 versehen ist;
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Fig. 9
bis 14 sind Diagramme, die jeweils den Frequenzgang eines
koaxialen Lautsprechers zeigen, der mit einem
Beispiel des Abstandhalters von Fig. 7 versehen
ist;
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Fig. 15 ist eine Schnittdarstellung eines Abstandhalters
als zweite Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 16 ist eine Schnittdarstellung eines Abstandhalters
eines koaxialen Dreiwege-Lautsprechers als dritte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 17 ist eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen
koaxialen Zweiwege-Laut sprechers; und
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Fig. 18 ist ein Diagramm, das den Frequenzgang des
Lautsprechers von Fig. 17 zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nach den Fig. 1 und 2 umfaßt ein Abstandhalter 30, der zur
Anbringung an dem herkömmlichen koaxialen Lautsprecher gemäß
Fig. 17 ausgebildet ist, einen Kopf 12 und einen Körper 13.
Der Kopf 12 hat eine untere Ausnehmung 14, in die ein oberer
Bereich 15 des Körpers 13 eingesetzt ist. Der obere Bereich
15 hat einen Hohlraum 17, so daß um seinen Außenumfang herum
ein Flansch 16 gebildet ist. Der Hohlraum 17 kommuniziert
mit sechs Öffnungen 18, die in dem oberen Bereich 15
ringförmig angeordnet sind, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Zahl
der Öffnungen 18 kann kleiner als fünf oder größer als
sieben sein. Beim Zusammenbau des Abstandhalters wird der
obere Endbereich 15 des Körpers 13 mit der Ausnehmung 14 des
Kopfs 12 in Eingriff gebracht und daran mit einem Klebstoff
befestigt, so daß in dem Abstandhalter 30 zwischen dem Kopf
12 und dem Körper 13 ein Zwischenraum gebildet wird. Der
Hohlraum 17 und die mit dem Hohlraum 17 in Verbindung
stehenden öffnungen 18 bilden somit einen Helmholtz
Resonator, um Schallwellen zu absorbieren, die in dem Raum
zwischen dem Abstandhalter 30 und der Membran 8 des
Tieftonlautsprechers 9 gemäß Fig. 17 reflektiert werden.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 4, die einen Modellresonator
zeigt, wird nachstehend das Schwingen des Abstandhalters 30
beschrieben. Bei dem Modellresonator wird eine akustische
Kapazität Ca (m&sup5;/N) des Hohlraums 17 wie folgt definiert:
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Ca = W C-2 1,
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wobei W ein Volumen des Hohlraums 17, C eine
Schallgeschwindigkeit (m/s) und eine Luftdichte (kg/m³) sind.
Eine Inertanz Mp der Öffnung 18 wird wie folgt definiert:
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Mp = 0 S- (Sp Lp + 2 (8/3) (d/2)³],
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wobei Sp und d die Querschnittsfläche (m²) bzw. der
Durchmesser (m) der Öffnung 18 sind und Lp die Länge (m) der
Öffnung 18 ist. Der erste Term in Klammern bezieht sich auf
die Luftmasse in der Öffnung 18, und der zweite Term ist ein
zusätzlicher Term, der auf die Luftmasse am Auslaß der
Öffnung 18 bezogen ist.
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Wenn der Abstandhalter 30 mit n Öffnungen 18 versehen ist,
die dieselben Dimensionen haben, wird ein paralleler
Resonanzkreis gebildet. Eine effektive Inertanz M (kg/m&sup4;)
des Kreises wird definiert als
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M = Mp/n.
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Somit wird die Resonanzfrequenz fr (Hz) des Resonators wie
folgt ausgedrückt:
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fr = 1/MCa /(2π). ...(1)
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Der Gütewert Q wird wie folgt definiert:
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Q = M/Ca/ra, ...(2)
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wobei ra (Ns/m&sup5;) ein akustischer Widerstandswert ist.
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Indem also ein Resonator vorgesehen wird, der Schallwellen
absorbiert, die eine Frequenz gleich der aus der Gleichung
(1) erhaltenen Resonanzfrequenz fr haben, kann die Erhöhung
der Schalldruckpegel in einem mittleren Frequenzbereich
begrenzt werden.
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Fig. 5 ist ein Diagramm, das den Frequenzgang des koaxialen
Lautsprechers zeigt, in dem der Abstandhalter 30 angebracht
ist. Die Strichlinie in dem Diagramm bezeichnet den
Frequenzgang eines koaxialen Lautsprechers mit herkömmlichem
Abstandhalter, wobei weder der Hohlraum 17 noch die
Öffnungen 18 vorhanden sind. Wie das Diagramm zeigt, werden im
Vergleich mit den erhöhten Schalldruckpegeln des
herkömmlichen Abstandhalters die Schalldruckpegel in Frequenzen um
2 kHz herum begrenzt.
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Wenn der Resonator zu der Membran 8 des Tieftonlautsprechers
9 benachbart angeordnet ist, werden Phase und Amplitude der
Schallwellen, die Frequenzen nahe seiner Resonanzfrequenz
haben und sich angrenzend an den Resonator ausbreiten,
beeinflußt. Andererseits werden die von dem Resonator weit
entfernten Schallwellen nicht beeinflußt. Daher
beeinträchtigen die Schallwellen einander, so daß dann, wenn die
Wellen entgegengesetzte Phase haben, der Schalldruckpegel
verringert wird, und wenn sie phasengleich sind, der
Schalldruckpegel erhöht wird.
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Entsprechend der Gleichung (1) gibt es verschiedene
Möglichkeiten, die Resonanzfrequenz fr des Resonators
herabzusetzen. Dabei wird das Volumen W und somit die akustische
Kapazität Ca des Hohlraums 17 vergrößert. Eine andere
Methode besteht darin, die Inertanz Mp der Öffnung 18 zu
steigern, d. h. die Länge Lp der Öffnung 18 zu vergrößern
oder ihre Querschnittsfläche Sp zu verringern. Die
Resonanzfrequenz fr kann durch die entgegengesetzten Methoden
erhöht werden. Unter der Annahme, daß der akustische
Widerstand ra des Hohlraums 17 konstant ist, wird jedoch bei
einer Vergrößerung des Volumens W des Hohlraums 17 der
Gütewert verringert, wie aus der Gleichung (2) hervorgeht.
Wenn dagegen die Inertanz der Öffnung 18 gesteigert wird,
nimmt der Gütewert zu. Wenn also die Resonanzfrequenz des
Resonators bestimmt wird, muß bei der Entscheidung, ob das
Volumen des Hohlraums 17 oder die Dimensionen der Öffnung 18
geändert werden, die Änderung des Gütewerts beachtet werden.
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Zum Ändern des Gütewerts ohne eine Änderung der
Resonanzfrequenz des Resonators wird ein Schalldämpfungsmaterial,
dessen Menge veränderlich ist, in dem Hohlraum 17
angeordnet. Alternativ werden sowohl das Volumen des Hohlraums
17 als auch die Dimensionen der Öffnungen 18 geändert.
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Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 14
verschiedene Beispiele des Abstandhalters 30 beschrieben,
der in dem Resonator vorgesehen ist. Es ist zu beachten, daß
in jedem der Diagramme der Fig. 6 und 8 bis 14 die
Strichlinie den Frequenzgang des koaxialen Lautsprechers zeigt,
der den herkömmlichen Abstandhalter aufweist.
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Das Volumen W des Hohlraums 17 wird vergrößert, um die
Resonanzfrequenz fr zu verringern. Aus dem Diagramm von Fig.
6 ist zu sehen, daß ähnlich wie bei dem Abstandhalter von
Fig. 1 die durch den Resonator verursachte Resonanz den
Frequenzgang des Lautsprechers verbessert.
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Gemäß Fig. 7 ist eine große Menge eines
Schalldämpfungsmaterials 19 in dem Hohlraum 17 angeordnet. Wie Fig. 8
zeigt, wird die Höhe der Schalldruckpegel in den Frequenzen
um 2 kHz herum weiter begrenzt, wodurch die Tongüte
verbessert wird. Der Gütewert wird herabgesetzt, so daß die
Schallwellen mit im wesentlichen derselben Frequenz von dem
Abstandhalter 30 absorbiert werden.
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Fig. 9 zeigt den Frequenzgang, wenn das Volumen des
Hohlraums 17, in dem die große Menge Schalldämpfungsmaterial 19
vorgesehen ist, vergrößert ist, um die Resonanzfrequenz
herabzusetzen. Im Vergleich mit dem Diagramm von Fig. 8
scheint die Vergrößerung des Hohlraumvolumens nur einen
geringen Einfluß auf die Resonanzfrequenz zu haben, wenn
eine große Menge Schalldämpfungsmaterial verwendet wird.
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Die Änderung des Frequenzgangs des Lautsprechers
entsprechend der Menge des Schalldämpfungsmaterials wird
nachstehend erläutert. Wenn, wie Fig. 10 zeigt, das
Schalldämpfungsmaterial 19 in dem Hohlraum 17 auf ein
Drittel des in Fig. 7 gezeigten Materials verringert wird,
werden die Schalldruckpegel nahe der Frequenz von 2 kHz an
einer Erhöhung gehindert, so daß der Frequenzgang linear
ist. Der Gütewert wird erhöht, so daß der Grad der
Schalldämpfung zunimmt. Gleichzeitig wird auch die
Schallabstrahlung gesteigert.
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Fig. 11 zeigt den Frequenzgang eines Lautsprechers, dessen
Abstandhalter 30 den Hohlraum 17 mit dem
Schalldämpfungsmaterial 19 in einer Menge aufweist, die ein Viertel
derjenigen von Fig. 7 beträgt. Der Gütewert wird bei dem
Beispiel weiter erhöht.
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Wenn die Menge Schalldämpfungsmaterial 19 in dem Hohlraum 17
weiter auf ein Achtel derjenigen von Fig. 7 verringert wird,
erhöht sich der Gütewert weiter, so daß er den Frequenzgang
eines Lautsprechers approximiert, der den Resonator ohne das
Schalldämpfungsmaterial 19 aufweist. Indem nämlich die
Schalldämpfungsmaterialmenge verringert wird, ohne das
Volumen des Hohlraums 17 zu ändern, kann der Gütewert
verbessert werden.
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Bei einem Lautsprecher mit einem Abstandhalter, der nur drei
Öffnungen 18 hat und Schalldämpfungsmaterial 19 in derselben
Menge wie das Beispiel des Abstandhalters enthält, der Fig.
12 zugeordnet ist, wird die Resonanzfrequenz verringert,
ohne das Volumen des Hohlraums 17 zu verkleinern, wie in
Fig. 13 zu sehen ist.
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Fig. 14 zeigt den Frequenzgang eines Lautsprechers, dessen
Resonator ähnlich demjenigen ist, der Fig. 13 zugeordnet
ist, wobei jedoch die Menge des Schalldämpfungsmaterials 19
auf ein Drittel desjenigen von Fig. 7 anstatt auf ein Achtel
vergrößert ist. Die Resonanzfrequenz bleibt zwar gegenüber
derjenigen von Fig. 13 unverändert, aber der Gütewert nimmt
30 ab. Wie die Fig. 13 und 14 zeigen, kann die Resonanzfrequenz
ohne weiteres durch eine Anderung der Anzahl Öffnungen 18
bestimmt werden, und der Gütewert kann ohne weiteres durch
Ändern der Menge des Schalldämpfungsmaterials 19 bestimmt
werden.
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In Fig. 15, die die zweite Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt, ist an dem Körper 13 des Abstandhalters 30
ein Trennelement 20 integral ausgebildet, um den Hohlraum 17
in zwei Bereiche zu unterteilen, so daß in dem Abstandhalter
30 zwei Resonatoren vorhanden sind. Jeder Resonator hat eine
Resonanzfrequenz, die von der des jeweils anderen
verschieden ist, so daß die Schalldruckpegel innerhalb eines
großen Frequenzbereichs einstellbar sind.
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Fig. 16 zeigt den Abstandhalter 30 der vorliegenden
Erfindung bei einem koaxialen Dreiwege-Lautsprecher, der
eine Mittelbereichs-Lautsprechereinheit 21 und einen
Hochtonlautsprecher 22, der an dem verlängerten Kopf 12
angebracht ist, aufweist.
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Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß die vorliegende
Erfindung einen Abstandhalter für einen koaxialen
Lautsprecher bereitstellt, der einen Resonator hat, wobei die
Zunahme von Schalldruckpegeln in einem mittleren
Frequenzbereich begrenzt ist, um die von dem Lautsprecher
reproduzierte Tongüte zu verbessern. Durch Ändern des Volumens
eines Hohlraums des Resonators und/oder der Gestalt und der
Zahl seiner Öffnungen kann die Resonanzfrequenz einfach
eingestellt werden. Der Gütewert des Resonators kann ebenfalls
eingestellt werden, indem in dem Hohlraum ein
Schalldämpfungsmaterial vorgesehen und dessen Menge verändert
wird. Wenn der Hohlraum in eine Vielzahl von Bereichen
unterteilt ist, die jeweils einem Resonator entsprechen, der
eine bestimmte Resonanzfrequenz hat, können die
Schalldruckpegel in einem großen Frequenzbereich begrenzt werden. Da
nur eine geringe Menge Schalldämpfungsmaterial notwendig
ist, ist die Vorrichtung im Hinblick auf Fertigungskosten
und Massenherstellung vorzuziehen.
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Die derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
wurden zwar gezeigt und beschrieben, es versteht sich
jedoch, daß diese Offenbarungen nur dem Zweck der
Veranschaulichung dienen und daß verschiedene Änderungen und
Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang
der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen
angegeben ist, abzuweichen.