DE2726184A1 - Lautsprecher - Google Patents

Description

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D-SOOO MÜNCHEN 4O. BAUERSTRASSE 22 · FERNRUF (O89) «7 6S B3 ■ TELEX 8t182OS ISAR O POSTANSCHRIFT: POSTFACH 7SO. D-SOOO MÜNCHEN 43

München , 10. Juni 1977 M/18179

RONALD JEFFREY McMULLEN

27 The Crest, Pakuranga Auckland, Neuseeland

Lautsprecher

Die Erfindung betrifft einen Lautsprecher und die zugehörige Schaltung, und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich ein Lautsprechersystem mit elektromechanischer Rückkopplung und der zugehörigen Schaltungsanordnung.

Unter Verwendung von herkömmlichen Techniken ist es schwierig, einen einzigen Lautsprecher zu entwickeln, der über den gesamten Bereich des Frequenzspektrums der Schwingungen im Hörbereich zufriedenstellend arbeitet. Für die High Fidelity'Tonwiedergabe ist es üblich, Lautsprecher zu entwickeln, die nur in einem begrenzten Frequenzband arbeiten; um die Wiedergabe über den gesamten Bereich des Frequenzspektrums im Hörbereich zu erreichen, sind Systeme mit mehreren Lautsprechern eingesetzt worden. Die Lautsprecher für die Baßfrequenzen benötigen

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aufwendige und komplexe mechanische Kontruktionen, um die Nicht-linearitäten in der Aufhängung und dem magnetischen Kreis zu verringern; außerdem müssen sie in sorgfältig konstruierten Gehäusen montiert werden, die oft ein beträchtliches Volumen haben, so daß sie relativ viel Raum einnehmen, um die geeignete Belastung und Dämpfung sicherzustellen.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, ein Signal abzuleiten, das in einer bestimmten Beziehung zu der Bewegung des Trichters steht; dieses Signal wird dann dazu verwendet, eine negative Rückkopplung bzw. Gegenkopplung für den Verstärker zu liefern, der den Lautsprecher treibt. Auf diese Weise kompensiert der Verstärker also im wesentlichen die Mängel des Lautsprechers. Die herkömmlichen Rückkopplungsanordnungen erfüllten jedoch beim Gebrauch nicht alle Anforderungen, da sie oft einen nicht-linearen Frequenzgang bzw. ein nicht-lineares . Ansprechverhalten zeigen; außerdem sind sie kostspielig in der Herstellung und erfordern eine sorgfältige Montage und Ausrichtung der einzelnen Teile in dem Lautsprecher.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Lautsprecher und eine Treiberschaltung für einen Lautsprecher zu schaffen, bei dem die oben erwähnten Schwierigkeiten auf einfache und doch effektive Weise überwunden oder wenigstens verringert werden, so daß den interessierten Kreisen wenigstens eine geeignete Auswahl geboten wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Lautsprecher einen Tragrahmen bzw. ein Traggestell, einen in dem Rahmen angebrachten Magneten, eine Schwingspule, die in einem antreibenden Magnetflußfeld von dem Magneten betätigbar ist, eine Membran oder einen Trichter, die bzw. der in dem Rahmen aufgehängt ist und durch die Schwing- bzw. Tauchspule angetrieben werden kann, einen Tauchspulenwandler, der durch die Bewegung der Membran oder des Trichters betätigbar ist und eine Wandlerspule enthält, die in einem magnetischen flußfeld des Wandlers im wesentlichen

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getrennt von dem treibenden magnetischen Flußfeld betätigbar ist, sowie Verbindungen auf, mit denen die Ausgangsspannung des Wandlers auf einen Eingang eines Verstärkers gekoppelt werden kann, der die Tauchspule antreibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Lautsprecher mit den Rückkopplungselementen gemäß der vorliegenden Erfindung;.

Fig. 2 ein Blockdiagramm des Verstärkers und der zugehörigen Schaltungsanordnung, die für die Rückkopplung des Signals von dem in Fig. 1 gezeigten Lautsprecher erforderlich ist; und

Fig. 3 ein Schaltdiagramm der Bauelemente, die für das Blockdiagramm nach Fig. 2 verwendet werden.

Die Verwendung einer Rückkopplung zur Steuerung des Frequenzgangs von qualitativ hochwertigen Verstärkern und anderen Bauelementen bei der Schallaufzeichnung und-wiedergabe ist bereits vorgesschlagen worden. Mit der vorliegenden Erfindung soll die Rückkopplung in einem Lautsprechersystem eingesetzt werden, um den elektromechanischen Umwandlungsprozeß zu steuern; dies kann auf einem der folgenden Wege geschehen:

1. Durch Anwendung auf einen einzigen Lautsprecher, der zur Schallwiedergabe in einem breiten Frequenzbereich dienen soll;

2. durch Anwendung auf die Treiberschaltung für die tiefen

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Töne eines Zwei-(oder mehr) Weg-Lautsprechersystems, wobei alle Lautsprecher von dem gleichen Verstärker angetrieben werden;

3. durch Anwendung auf die Treiberschaltung für die tiefen Töne eines Zwei- (oder mehr) Weg-Systems, wobei die Treiberschaltung für die tiefen Töne, der sogenannte Baßtreiber, von einem anderen Verstärker angetrieben wird als die Lautsprecher für die hohen Frequenzen; und

4. durch Anwendung auf andere Lautsprecher als die Treiberschaltung für die tiefen Töne, wobei es sich nicht zwangsläufig um Tauchspul- bzw. elektrodynamische Lautsprecher handeln muß.

Eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung soll im folgenden beschrieben werden, bei der die Rückkopplung an die Baß-Treiberstufe eines Zwei- oder Mehrweg-Lautsprechersystems angelegt wird, wobei alle Lautsprecher von dem gleichen Verstärker angetrieben werden, wie es oben unter Punkt 2 erwähnt wurde. Die Größe bzw. Stärke der angelegten Rückkopplung kann variiert werden, indem die Werte der elektronischen Bauelemente in dem System so abgeändert werden, daß sich ein nutzbares Resultat ergibt. Ein Lautsprecher weist einen Rahmen bzw. ein Gestell 1 auf, in dem der Hauptlautsprechermagnet 2 angebracht ist, der ein treibendes magnetisches Flußfeld über einen Spalt 30 erzeugt, in dem sich eine Tauchspule 3 des Lautsprechers nur bewegen kann. Die Tauchspule ist mit einem Trichter oder einer Membran 4 verbunden, die über eine elastische Befestigung 5 rund um ihren bzw. seinen Umfang an dem Rahmen des Lautsprechers aufgehängt ist; diese Befestigung erfolgt in der für die Lautsprecherkonstruktion üblichen Weise.

An der Tauchspule 3 des Lautsprechers ist ein Rohr 6 angebracht, das beispielsweise aus laminiertem Papier, Pappe, Karton oder einem anderen geeigneten Material geformt oder gerollt sein kann, so daß sich beim Gebrauch das Rohr relativ zu dem Rahmen

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des Lautsprechers auf die gleiche Weise bewegt wie die Tauchspule 3. Die Tauchspule kann selbstverständlich auch auf ein Ende des Rohrs 6 gewickelt sein. Ein Tauchspulenwandler 7 kann beispielsweise so angeordnet sein, daß eine Spule 8 um das andere Ende des Rohrs 6 gewickelt ist; der Wandlermagnet 9 ist an dem Rahmen des Lautsprechers angebracht. Der Magnet kann beispielsweise an dem Rahmen durch eine Befestigungsstange (nicht dargestellt) angebracht sein, die sich über die Fläche des Lautsprechers von einem zur Befestigung dienenden Umfangsflansch 11 erstreckt; als Alternative hierzu kann der Magnet 9 direkt an dem Magneten 2 der Tauschspule durch eine Stange oder einen Bolzen 10 montiert sein, der durch den Magneten 2, die Mitte des Rohrs 6 und den Magneten 9 verläuft. Der Bolzen bzw. die Schraube ist durch eine Mutter 25 gesichert. Der Wandlermagnet 9 kann ein magnetisches Wandlerflußfeld über dem Spalt 31 erzeugen und ist durch ein Distanzstück 26 im Abstand von dem Hauptmagneten angeordnet.

Die Verbindungen zu der Tauchspule und derRückkopplungsspule werden auf die übliche Weise hergestellt.

Auf diese Weise wird der Lautsprecher mit einem Wandler 7 versehen, der mit großer Exaktheit eine zu der Geschwindigkeit des Lautsprechertrichters proportionale Spannung erzeugt, da die Spule des Wandlers im wesentlichen starr mit der Tauchspule des Lautsprechers verbunden ist. Weil das treibende magnetische Flußfeld über dem Spalt 30 von dem magnetischen Flußfeld des Wandlers über dem Spalt 31 getrennt ist und weil die Wandlerspule 8 von der Tauchspule 3 getrennt ist (d.h., nicht koaxial zu oder in der Nähe der Tauchspule liegt) , ist das von dem Wandler abgenommene Signal im wesentlichen frei von Störungen bzw. Interferenzen durch den Betrieb der Tauchspule. Das treibende magnetische Flußfeld und das magnetische Flußfeld des Wandlers können durch den gleichen Magneten (durch geeignete Anordnung der Bauelemente) geliefert werden, solange die Felder voneinander getrennt gehalten werden und sich nicht gegenseitig magnetisch beeinflussen. Die Länge der Wandlerspule 8 sollte aus-

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reichen, um einen nicht-linearen Frequenzgang an den äußersten Enden der Bewegung der Tauchspule zu vermeiden, d.h., die Wandlerspule sollte sich nie aus dem magnetischen Flußfeld des Wandlers herausbewegen.

Für den Betrieb kann der beschriebene Wandler mit der Schaltungs anordnung eines zugeordneten treibenden Verstärkers verbunden werden, wie er in Fig. 2 in Blockform dargestellt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verstärker 12 mit differentiellen Eingängen verwendet. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers wird auf einen Eingang des Verstärkers gegeben, während das Ausgangssignal des Verstärkers durch zwei Leitungen eines vieradrigen Kabels 11 zu einer konventionellen Zwei-Weg-Frequenzweiche 13 in dem Lautsprechergehäuse geführt wird. Die Obergangsfrequenz ist so ausgelegt, daß die Baßtreiberstufe 14 alle Frequenzen empfängt, wenn mit der Rückkopplung des Lautsprechers gearbeitet werden soll, während die höheren Frequenzen durch den Hochfrequenz-Lautsprecher 15 empfangen werden.

Das Signal von dem Wandler 7 wird durch die übrigen Leitungen des vieradrigen Kabels zu dem Verstärker zurückgekoppelt. Die Frequenzen über näherungsweise 2 kHz werden durch einen Kondensator aus dem Rückkopplungssignal ausgefiltert; dieser Kondensator 16 bildet mit dem Eigenwiderstand der Rückkopplungsspule 8 eine Zeitkonstante. Das Rückkopplungssignal wird dann durch einen Widerstand 17 zu dem Rückkopplungspunkt des Verstärkers geführt, wie in Fig. 2 zu erkennen ist. Auf diese Weise wird die Rückkopplungsspannung von dem Wandler 8 als parallele Rückkopplung auf den Verstärker gegeben, um das Ausgangssignal von dem Verstärker zu steuern und damit sicherzustellen, daß die Geschwindigkeit der Lautsprechermembran sehr eng, also mit geringen Toleranzen, dem Eingangssignal zu dem Verstärker folgt.

Das Ausgangssignal des Verstärkers wird ebenfalls über einen Widerstand und einen Kondensator 20 zu dem Rückkopplungspunkt

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zurückgekoppelt, so daß der Verstärker bei hohen Frequenzen, bei denen das Rückkopplungssignal nicht angelegt werden kann, auf die übliche Weise arbeitet. Die Reihenschaltungen 18 aus nem Widerstand und einem Kondensator sind erforderlich, um bei hohen Frequenzen ein Ausgangssignal mit flacher Wiedergabe bzw. flachem Frequenzgang sicherzustellen.

Eine der Leitungen von dem Rückkopplungswandler 8 ist an dem Punkt in dem Verstärker geerdet. Diese Leitung kann nicht durch bzw. als die gleiche Leitung verwendet werden, welche die Tauchspule des Lautsprechers erdet, da in der Erdleitung der Tauchspule hohe Ströme auftreten, so daß die an der Leitung entstehenden Potentiale das Rückkopplungssignal stören können.

Das oben beschriebene System ermöglicht nicht die charakteristische Änderung des Abstrahlungswiderstandes mit der Frequenz unter einer Frequenz, die durcß Membranfläche des Lautsprechers festgelegt ist. Diese Charakteristik erfordert, daß unter dieser kritischen Frequenz die Membrangeschwindigkeit sich umgekehrt proportional zu der Frequenz ändern muß, wenn ein flacher akustischer Frequenzgang aufrechterhalten werden soll. Bei der Anwendung der Rückkopplung auf den Lautsprecher wird diese umgekehrte Beziehung ausgenutzt, die bereits durch die Lautsprecher-Resonanz geliefert wird. Die Rückkopplung bewirkt eine Dämpfung dieser Resonanz; dabei wird eine Rückkopplung mit der korrekten Größe bzw. Stärke angelegt, wenn die Dämpfung gerade ausreicht, um eine flache Frequenzbeziehung zwischen der Eingangsspannung zu dem Leistungsverstärker und der Membrangeschwindigkeit über den Bereich des sich ändernden Abstrahlungswiderstandes sicherzustellen.

Die umgekehrte Beziehung, die als Gegenwirkung gegen den variablen Strahlungswiderstand erforderlich ist, muß elektronisch wiederhergestellt werden. Dies kann durchgeführt werden, indem in dem Vorverstärker ein aktives Filter 21 hinzugefügt wird. Das Ansprechverhalten bzw. der Gang bzw. der Frequenzbereich des Filters

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fällt bei 6 dB pro Oktave zwischen 20Hz und der oben erwähnten Frequenz ab, die durch die Lautsprecherfläche festgelegt wird. Ober dieser Frequenz hat das Filter einen flachen Gang.

Bei Untersuchungen hat sich heraugestellt, daß das oben beschriebene System insbesondere dazu geeignet ist, einen klaren, ungefärbten Klang über einen weiten Frequenzbereich sogar bei Verwendung einer relativ einfachen und billigen herkömmlichen Lautsprecherbasis in einem kleinen Gehäuse zu erzeugen. Gemäß einem wesentlichen Merkmal des Systems sind die Tauchspule und die Rückkopplungsspule elektromagnetisch unabhängig, wodurch die induktive Kopplung zwischen dem Rückkopplungssystem und dem Tauchspulensystem minimal wird; dadurch können restliche Hochfrequenzsignale in der Rückkopplung auf einfache Weise ausgefiltert werden.

Mit einem solchen System lassen sich folgende Vorteile erhalten: Ein flacher akustischer Frequenzgang kann unter die Baßresonanz des Lautsprechers sogar bei einem kleinen Lautsprechergehäuse mit einer Konstruktion verlängert werden, die als "unendliche Schallwand" (infinite baffle) bezeichnet wird. Ein sehr.preisgünstiger, um nicht zu sagen billiger Baß-Lautsprecher kann dazu verwendet werden, um eine Klangqualität zu liefern, die besser als bei den meisten herkömmlichen Schallwiedergabesystemen für den Hausgebrauch ist. Die Verbesserung der Qualität wird durch die erhöhte Dämpfung der Lautsprechermembran als Ergebnis der Rückkopplung erreicht. Ein herkömmlicher, qualitativ hochwertiger Lautsprecher kann durch die zusätzliche Dämpfung verbessert werden, die durch das Rückkopplungssystem geliefert wird; die konventionellen Verfahren zur Herstellung von Lautsprechern können auch für die Fertigung von Lautsprechern eingesetzt werden, die für dieses Rückkopplungssystem geeignet sind bzw. ihm angepaßt werden können. Dadurch läßt sich ein HIFI Lautsprechersystem mit sehr geringen und damit wettbewerbsfähigen Kosten herstellen. Die für die Konstruktion des Verstärkers erforderlichen Modifikationen sind ebenfalls einfach und verursachen nur geringe Kosten.

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Dasvon dem Wandler abgeleitete Rückkopplungssignal ist proportional zu der Geschwindigkeit der Lautsprechermembran, die der Bewegungsparameter ist, der in einer direkten Beziehung zu der akustischen Leistung steht (die Leistung ist proportional zu dem Quadrat der Geschwindigkeit).

Das verwendete Rückkopplungssystem ist auch besonders für den Einsatz in Einheiten mit mehreren Lautsprechern geeignet, bei denen nur mit Rückkopplungssteuerung über die Baß-Treiberstufe gearbeitet werden soll. Bei einer Einheit mit mehreren Lautsprechern wird die Rückkopplungsdämpfung auf einen Faktor 10 begrenzt, damit die Hochfrequenzeinheiten in der geeigneten Weise angetrieben werden können, ohne daß wesentliche Interferenzen bzw. Störungen von dem Rückkopplungssystem auftreten.

- Patentansprüche -

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1. Lautsprecher mit einem Tragrahmen, mit einem in dem Rahmen angebrachten Magnet, mit einer Tauchspule, die in einem treibenden magnetischen Flußfeld von dem Magneten betätigbar ist, und mit einer Membran oder einem Trichter, die bzw. der in dem Rahmen aufgehängt ist und durch die Tauchspule antreibbar ist, gekennzeichnet durch einen Wandler (7) mit beweglicher Spule, der durch die Bewegung der Membran oder des Trichters betätigbar ist und eine Wandlerspule (8) enthält, die in einem magnetischen Wandlerflußfeld betätigbar ist, das im wesentlichen von dem treibenden magnetischen Flußfeld getrennt ist, und durch Verbindungen, mit denen die Ausgangsspannung des Wandlers (7) auf einen Eingang eines Verstärkers (12) gekoppelt ist, der die Tauchspule (3) treibt.

2. Lautsprecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Flußfeld des Wandlers (7) durch einen Wandlermagneten (9) erzeugt wird, der getrennt von dem Magneten (2) für die Erzeugung des treibenden magnetischen Flußfeldes angeordnet ist, und daß die Tauchspule (3) und die Wandlerspule

(8) so angeordnet sind, daß die induktiven Felder von jeder Spule im wesentlichen getrennt sind.

3. Lautsprecher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchspule (3) und die Wandlerspule (8) sich nur längs einer gemeinsamen Achse bewegen können, jedoch longitduinal längs dieser Achse getrennt sind, daß der Wandler (7) in Bezug auf die Tauchspule (3) und den Magneten auf der gegenüberliegenden Seite der Membran oder des Trichters angeordnet ist, daß die Tauchspule (3) und die Wandlerspule (8) auf einen gemeinsamen Befestigungskern (6) gewickelt sind, und daß der Wandlermagnet

(9) durch eine Tragstange gehaltert ist, die von dem Rahmen (1) durch den Kern (6) verläuft.

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4. Lautsprechersystem mit einem Lautsprecher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und einem Verstärker für den Antrieb der Tauchspule, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Wandlers (7) auf einen Eingang des Verstärkers (12) gekoppelt ist.

4. Lautsprechersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen dem Wandler (7) und dem Verstärker (12) keinen gemeinsamen elektrischen Pfad mit der Kopplung zwischen dem Verstärker (12) und der Tauchspule (3) hat, daß das Rückkopplungssignal von dem Wandler (7) durch einen Widerstand mit geeignetem Widerstandwert auf einen Eingang des Verstärkers (12) geführt wird, und daß ein Kondensator mit geeigneter Kapazität zwischen die Rückkopplungsschaltung von dem Wandler (7) und Masse der dem Verstärker (12) zugeordneten Schaltung geschaltet ist.

6. Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (12) mit einem Widerstand und einem Kondensator versehen ist, die in Reihe zwischen dem Rückkopplungseingang des Verstärkers (12) und Erde liegen, und daß die Werte des Widerstandes und des Kondensators so ausgelegt sind, daß sich bei hohen Frequenzen ein flacher Frequenzgang von dem Verstärker (12) ergibt.

7. Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal von dem Wandler (7) als parallele Rückkopplung zu einem Eingang des Verstärkers (12) zurückgekoppelt wird.

8. Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiterer Lautsprecher und eine Frequenzweiche vorgesehen sind, und daß die Frequenzweiche so ausgelegt ist, daß die Hochfrequenzsignale zu dem bzw. den Lautsprecher(n) und niederfrequente Signale zu dem Lautsprecher mit dem Wandler (7) geleitet werden.

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