DE1270614B

DE1270614B - Vorrichtung mit einem Verstaerker und mit einem nachgeschalteten Lautsprecher

Info

Publication number: DE1270614B
Application number: DE19641270614
Authority: DE
Inventors: Stephanus Hendrik De Koning
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1963-06-26
Filing date: 1964-06-23
Publication date: 1968-06-20
Also published as: AT246228B; CH433450A; GB1031145A; ES301362A1; SE302149B; DK109209C; NL294600A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H04b

Deutsche KL: 21 a2 -16/01

Nummer: 1270 614

Aktenzeichen: P 12 70 614.8-31

Anmeldetag: 23. Juni 1964

Auslegetag: 20. Juni 1968

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Verstärker und mit einem nachgeschalteten Lautsprecher, dessen Membran mit einem Wandler verbunden ist, der eine der Beschleunigung der Membran entsprechende, im Sinne einer Gegenkopplung zum Verstärkereingang zurückgeführte Spannung liefert. Mit dem Ausdruck »Membran« wird dabei im nachstehenden der sich bewegende Teil des Lautsprechers bezeichnet, der die Schallschwingungen abstrahlt. Diese Membran kann z. B. die Form einer flachen Scheibe, eine Konusform bzw. eine Doppelkonusform aufweisen. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der USA.-Patentschrift 2 860 183 bekannt.

Eine solche Vorrichtung ermöglicht es, über einen verhältnismäßig breiten Frequenzbereich eine derartige Bewegung der Lautsprechermembran zu erhalten, daß der Schalldruck oder die Wurzel aus der Schallenergie dem Eingangssignal proportional ist. Insbesondere wird als Wandler ein piezoelektrisches Element mit einer bestimmten Masse verwendet, so daß die durch die Membranbewegung hervorgerufenen Massenkräfte an den Elektroden des Wandlers die betreffende Gegenkopplungsspannung erzeugen. Im Vergleich zu Vorrichtungen, bei denen mittels eines sich nicht mit der Lautsprechermembran mitbewegenden Teils eines Schwingungsaufnehmers die Bewegung relativ zu diesem Teil gemessen wird, ergibt sich durch diese Maßnahme der Vorteil, daß Streuschwingungen verschiedenster Art zwischen diesem Teil und der Lautsprechermembran sich in der erzeugten Gegenkopplungsspannung bemerkbar machen, wodurch die Gefahr parasitärer Schwingungen besonders groß ist.

Es stellt sich heraus, daß es bei verhältnismäßig hohen Werten des Gegenkopplungsfaktors durchaus nicht einfach ist, eine solche Vorrichtung schwingfrei zu halten. Dieses Schwingen tritt auf, sobald die Schleifenverstärkung für das System: Verstärker, Lautsprecher, Gegenkopplungskreis, gleich 1 ist und eine Phasenverschiebung von 360° erfahren hat. Zum Verhüten dieser Erscheinung müssen einerseits mechanische Probleme gelöst werden, so daß gewährleistet wird, daß die vom Wandler gelieferten elektrischen Schwingungen genau den Schwingungen der Lautsprechermembran entsprechen; andererseits müssen elektrische Filter dafür sorgen, daß bei der Frequenz, bei der die Gegenkopplungsspannung 180° in der Phase verschoben ist, so daß positive Rückkopplung auftreten würde, die Schleifenverstärkung unter den Wert 1 abgefallen ist.

Da das Bestreben dahin geht, eine möglichst hohe Übereinstimmung zwischen dem Schalldruck der erzeugten Schwingungen und dem Eingangssignal zu Vorrichtung mit einem Verstärker und mit einem nachgeschalteten Lautsprecher

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Auer, Patentanwalt,

2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:
Stephanus Hendrik de Koning,
Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 26. Juni 1963 (294 600)

erzielen, möchte man vorzugsweise möglichst hohe Gegenkopplungsfaktoren anwenden. Infolge der obenerwähnten Gefahr einer Selbsterregung kann dieser Wunsch im allgemeinen nicht ohne weiteres erfüllt werden. Außerdem zeigt es sich, daß bei den hohen Frequenzen (bei denen die Lautsprechermembran im übrigen nicht mehr als Ganzes schwingt), nämlich bei Schwingungen mit einer Wellenlänge kleiner als der halbe Umfang πD (D = Durchmesser) des Lautsprechers, vorausgesetzt, daß der Lautsprecher sich in der Wand eines im übrigen geschlossenen Gehäuses befindet, noch eine Korrektur erforderlich ist. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß dabei der Schalldruck der erzeugten Schwingungen bei gleichbleibender Beschleunigung der Membran umgekehrt proportional zur Frequenz abnimmt.

Die Erfindung hat den Zweck, eine Verstärkeranordnung zu schaffen, die hohe Anforderungen in bezug auf Verzögerungsfreiheit und Wiedergabetreue erfüllt.

Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verstärkereingang und dem Lautsprecher ein erstes Netzwerk geschaltet ist, das eine die Frequenzen unterhalb der Lautsprecherresonanz begünstigende Übertragungskennlinie aufweist, und daß in den Gegenkopplungszweig zwischen dem Wandler und dem Verstärkereingang ein zweites Netzwerk geschaltet

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ist, das oberhalb einer Frequenz, deren Wellenlänge gleich der Hälfte des Läutsprecherumfangs ist, eine die hohen Frequenzen abschwächende Übertragungskennlinie aufweist.

Der Erfindung liegt die folgende Erkenntnis zugrunde:

Durch Anwendung des zweiten Netzwerkes kann die erwünschte Frequenzkennlinie zwischen der Wurzel aus der abgestrahlten Schallenergie und dem Eingängs-

Vei stärker mit hochohmiger Eingangs' und niedeiohmiger Ausgangsimpedanz zu schalten.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung nähei erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild nach der Erfindung;

F i g. 2 bis 5 zeigen Frequenzkennlinien der verschiedenen in Fig. 1 verwendeten Netzwerke; F i g. 6 Zeigt ein ausgearbeitetes Ausführungs

signal erhalten werden, Wobei dieses Netzwerk eine io beispiel nach der Erfindung, die hohen Töne derart abschwächende Gegenkopp- Im Prinzipschaltbild nach F i g. 1 werden die an

lungsspannung liefert, daß auch die Gefahr einer einer Eingangsklemme 1 auftretenden Signalschwinunerwünschten Selbsterregung bei den hohen Tönen gungen durch ein Netzwerk 1 geführt und dann einem verringert ist. Diese Gefahr bleibt jedoch bestehen, Verstärker 2 zugeleitet, an dessen Ausgang der Lautwenn der Gegenkopplungsfaktor zu hoch gewählt 15 Sprecher 3 liegt. Mit der Membran des Lautsprechers 3 wird. Obgleich somit durch die bloße Anwendung des
erwähnten Wandlers und des erwähnten zweiten Netzwerkes bereits die erwünschte Frequenzkennlinie

zwischen dem Schalldruck und dem Eingangssignal

ist ein Wandler 4 verbunden, der eine der Beschleunigung der Membran proportionale Spannung liefert. Diese Spannung wird über einen Kathodenverstärker 5 einem Netzwerk II zugeführt und dann im Sinne einer

erhalten wird, ist dennoch auch noch das erste Netz- 20 Gegenkopplung zur Eingangsklemme 1 zurückgeführt.

werk in den Übertragungskreis innerhalb der Gegenkopplungsschleife geschaltet, da mit Hilfe dieses Netzwerkes eine erhebliche Verringerung der nichtlinearen Verzerrung niedrigerer Tonfrequenzen erzielt werden

kann. Diese Verzerrung liefert nämlich den größten 25 Lautsprechers, Dabei ist angenommen, daß Beitrag zu hörbaren unerwünschten Obertönen und Membran sich in der Wand eines im übrigen

F i g. 2 zeigt die Wurzel aus der abgestrahlten Schallenergie E des Lautsprechers 3 als Funktion der (in logarithmischem Maßstab aufgetragenen) Frequenz / bei konstanter Eingangsspannung dieses

Differenztönen. Die Kombination dieser beiden Maßnahmen kann daher bei mäßigem Wert des Gegenkopplungsfaktörs für den Mitteltonbereich dennoch bewirken, daß die lineare, die nicbtlineare und die Übergangsverzerrung sowie auch die Gefahr einer akustischen Rückkopplung innerhalb des Wiedergabefrequenzbereiches gering bleiben. Für Frequenzen unterhalb bzw. oberhalb der Hörbarkeitsgrenzen kann

scblossenen Gehäuses befindet und daß diese Membran im ganzen Tonbereich als steifes Ganzes schwingt. Oberhalb der Frequenz Z₁ schwingt die Luft in diesem Gehäuse als eine steife Masse; unterhalb dieser Frequenz strömt die Luft aus dem Gehäuse weg. Bei der Frequenz/₂ ist die Lautsprechermembran in Resonanz, Oberhalb der Frequenz/₃ ist der Strahlungswiderstand für die Membran nahezu konstant;

dann erforderlichenfalls noch ein Bandfilter angewandt 35 die dieser Frequenz entsprechende Wellenlänge beträgt werden, das eine akustische Rückkopplung außerhalb etwa die Hälfte des Läutsprecherumfangs, In der des Wiedergabefrequenzbereiches verhütet.
Die Gegenkopplutigsspannungen frequenzmäßig zu

beeinflussen ist beispielsweise aus der schweizerischen

Praxis liegt /i in der Nähe von einigen Hertz,, /₂ bei nahezu 100 Hz, /₃ zwischen 1000 und 2500 Hz.

Der Wandler 4 liefert eine Spannung, die über dem Patentschrift 238 929 sowie aus der deutschen Patent- 40 ganzen Frequenzbereich proportional der Beschleuschrift 853 298 bekannt. Bei der aus der ersterwähnten nigung der Lautsprechermembran ist. Oberhalb der Patentschrift bekannten Anordnung ist allerdings auf Frequenz /₃ nimmt die Wurzel aus der Schallenergie der Lautsprechermembran eine Spule angeordnet, bei konstanter Beschleunigung der Membran um- und eine solche Anordnung zeigt die eingangs erwähn- gekehrt proportional der Frequenz ab. Umgekehrt ten Schwierigkeiten, die zu parasitären Schwingungen 45 trifft also zu, daß bei konstanter Schallenergie die vom führen können. Das gleiche gilt hinsichtlich der Wandler 4 erzeugte Spannung oberhalb der Frequenz /_a mit der Frequenz zunimmt_s wie gezeigt in F ig. 3. '-^

Nach der Erfindung weisen die Netzwerke ) bzw. II 50 nahezu die Übertragungskennlinien auf, die in den F i g. 4 bzw. 5 dargestellt sind. Weiter sind diese Netzwerke in Form von Minimum-Phasen-Netzwerken ausgeführt, d. h,, daß' derjenige Aufbau mit Induktivitäten, Kondensatoren und Widerständen gewählt Stelle 55,ist7 bei dem der Phasenwinkel der Übertragungsfunktion minimal ist.

Oberhalb der Frequenz/3 weist das Netzwerk II eine abfallende Übertragungskennlinie auf. Auf diese Weise wird die ansteigende Kennlinie der F i g, 3 aus-

wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung für 60 geglichen, so daß auch oberhalb der Frequenz/₃ die diesen Frequenzbereich außerdem eine unmittelbare Rückkopplungsspannung bei konstanter Stärke der Gegenkopplung unter Umgehung des Lautsprechers Schallenergie nahezu konstant bleibt. Da dieses Netz* und des Wandlers angewandt. . werk im Gegenkopplungskreis liegt, und in der An-

Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung kann dei nähme, daß das Produkt des Verstärkungsfaktors und Gegenkopplungskreis der Schwingungen unterhalb 65 des Gegenkopplungsfaktors groß gegenüber 1 ist, wird

Anordnung gemäß der deutschen Patentschrift 853298, denn dort ist ebenfalls auf der Schwingspule des Laut" ' Sprechers bzw. deren Tragkörper eine Kopplungsspule angeordnet.

Im vorstehenden wurde bereits eingehend dargelegt, mit welchen Mitteln und auf welche Weise die bei den bekannten Anordnungen auftretenden Schwierigkeiten behoben werden können, so daß ein näheres Eingehen auf die bekannten Vorrichtungen an dieser nicht erforderlich erscheint.

Da das erste Netzwerk in der Regel eine verhältnismäßig starke Begünstigung der Rauschkomponenten unterhalb des hörbaten Frequenzbereichs herbeiführt,

des hörbaren Frequenzbereichs am erstgenannten Netzwerk angreifen. Ferner kann es zweckmäßig sein, zwischen den Wandler und das zweite Netzwerk einen

somit lediglich durch diese Maßnahme eine Wiedergabekennlinie erzieltj die nahezu unabhängig von der Frequenz ist. Dennoch ist auch noch das Netzwerk I

Claims

5 6

vorgesehen. Dieses Netzwerk hat nämlich an erster diesen sehr niedrigen Frequenzen den Lautsprecher 3

Stelle die besondere Funktion, unterhalb der Fre- erreichen.

quenz/_a das Produkt des Verstärkungsfaktors und

des Gegenkopplungsfaktors erheblich zu steigern, so Ia einem praktischen Ausführungsbeispiel waren

daß die Verzerrung der niedrigen Tonfrequenzen 5 die Schaltelemente wie folgt bemessen:

erheblich herabgesetzt wird, da die Produkte dieser p«..- _Q „„j _1ft -nsQnn

Frequenzen im Horbarkeitsbereich liegen und somit

besonders störend sind. Außerdemfverbessert das Netz- Transistoren 20 2N2386

werk I die Phasenkennlinie der durch die Elemente 1, Widerstand 14 82 kO

2, 3, 4, 5, II gebildeten Schleife und somit die Stabilität io

der Vorrichtung. Widerstand 16 561<Ω

F i g. 6 zeigt eine praktische Ausführungsform der Widerstand 17 1,8 kO

Vorrichtung nach der Erfindung. Das Eingangssignal wka^o+^a tt isnn
an der Klemme 1 wird mit Hilfe eines Kaskadenverstärkers verstärkt, der die Röhren 9 und 10 enthält, 15 Widerstand 23 2,7 kü

deren Ausgangsspannung über das Netzwerk 1 an den Widerstand 24 500 ΜΩ

hochohmigen Eingang, z.B. von 1 ΜΩ, des End-

Verstärkers 11 gelangt. Der Längszweig des Netz- Widerstand 25 10 Ul

Werkes I enthält die Parallelschaltung einer Induk- Widerstand 28 1,5 ΜΩ

tivität 12 und der Reihenschaltung eines Konden- 20 wi/Wct»«/! iq 1 <; \*n sators 13 und eines Widerstandes 14, wahrend der

Querzweig des Netzwerkes I die Reihenschaltung Widerstand 30 150 kΩ

eines Widerstandes 17 und eines durch einen weiteren Widerstand 32 1 ΜΩ

Widerstand 16 überbrückten Kondensators 18 ent-

hält. Die Kondensatoren 15 und 19 wirken dabei als a₅ Kondensator 13 3900 pF

Trennkondensatoren für die Tonfrequenzschwin- Kondensator 15 2μΈ

^SP¹¹'- AA ι · α β α ♦- ι n Kondensator 18 5600OpF

Der m den Ausgangskreis des Endverstärkers 11

geschaltete Lautsprecher 3 ist wieder mit einem Wand- Kondensator 19 0,1 μΡ

ler 4 versehen, der eine der Beschleunigung der Mem- 30 Kondensator 26 10000 pF

bran proportionale Spannung liefert. Diese Spannung ν α ti c

wird der Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors 20 Kondensator 27 1 μ*

zugeführt, der auf ähnliche Weise wie ein Kathoden- Kondensator 31 3300 pF

verstärker eine entsprechende Spannung auf herab- Induktivität 12 900 H
gesetztem Impedanzpegel an seiner Ausgangselektrode ³⁵
21 erzeugt. Die Eingangsimpedanz dieses Feldeffekt-

transistors kann dabei besonders hoch, z. B. mehrere Patentansprüche:
10⁹Ω, sein, so daß der piezoelektrische Wandler 4 1. Vorrichtung mit einem Verstäiker und mit nahezu nicht belastet wird; seine Ausgangsimpedanz einem nachgeschalteten Lautsprecher, dessen Memkann z. B. von der Größenordnung von einigen 40 bran mit einem Wandler verbunden ist, der eine der hundert Ohm sein, zu welchem Zweck die Wider- Beschleunigung der Membran entsprechende, im stände 22, 23 und 24 angebracht sind. Die Schalt- Sinne einer Gegenkopplung zum Verstärkereingang elemente 20 bis 24 werden vorzugsweise mit dem zurückgeführte Spannung liefert, dadurch Wandler4 in den Lautsprecher eingebaut, so daß die gekennzeichnet, daß zwischen dem VerGefahr des Auftretens von Brummen und anderen 45 Stärkereingang (1) und dem Lautsprecher (3) ein Störsignalen verringert wird. erstes Netzwerk (I) geschaltet ist, das eine die Das Ausgangssignal des Transistors 20 wird dem Frequenzen unterhalb der Lautsprecherresonanz Netzwerk II zugeführt, das als integrierendes Netz- begünstigende Übertragungskennlinie aufweist, und werk für Schwingungen mit Frequenzen höher als /₃ daß in den Gegenkopplungszweig zwischen dem ausgeführt ist. Zu diesem Zweck enthält sein Längs- 50 Wandler (4) und dem Verstärkereingang (1) ein zweig den Widerstand 25 und sein Querzweig den zweites Netzwerk (II) geschaltet ist, das oberhalb Kondensator 26. einer Frequenz, deren Wellenlänge gleich der Das Ausgangssignal des Netzwerkes II wird über Hälfte des Lautsprecherumfangs ist, eine die hohen einen Trennkondensator 27 und einen Widerstand 28 Frequenzen abschwächende Übertragungskennder Steuerelektrode des Verstärkers 9 zugeführt. Die 55 linie aufweist.

Widerstände 28 und 29 sind dabei groß gegenüber dem 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge-Verstärkereingangswiderstand 30. kennzeichnet, daß der Verstärker ebenfalls mit Zum Herabsetzen der Rauschkomponenten unter- einer unmittelbaren Gegenkopplung für Schwinhalb des hörbaren Frequenzbereichs ist noch ein gungen unterhalb des hörbaren Frequenzbereichs weiterer Gegenkopplungskreis angebracht, der den 60 unter Umgehung des Lautsprechers und des Wand-Kondensator 31 und den Widerstand 32 enthält und lers versehen ist.

über den die Ausgangssignale des Netzwerkes I mit 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2,

Frequenzen unterhalb der Hörbarkeitsgrenze, z. B. dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungs-

von etwa 10 Hz, zur Eingangselektrode des Ver- kreis der Schwingungen unterhalb des hörbaren

stärkers 9 zurückgeführt werden. Dieser Gegenkopp- 65 Frequenzbereichs am erstgenannten Netzwerk

lungsweg umgeht somit den Lautsprecher 3 und den angreift.

Wandler 4; infolge des Vorhandenseins des Konden- 4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden

sators 19 können nahezu keine Schwingungen mit Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen

dem Wandler und dem zweiten Netzwerk ein an den im Lautsprecher eingebauten Wandler angeschlossener Verstärker mit hochohmiger Eingangs-und niederohmiger Ausgangsimpedanz geschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 853 298; schweizerische Patentschrift Nr. 238 929; USA.-Patentschrift Nr. 2 860 183.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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