DE3221800A1 - Messmethode zur bestimmung von lautsprecherdaten - Google Patents

Messmethode zur bestimmung von lautsprecherdaten

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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R29/00Monitoring arrangements; Testing arrangements
    • H04R29/001Monitoring arrangements; Testing arrangements for loudspeakers
    • H04R29/003Monitoring arrangements; Testing arrangements for loudspeakers of the moving-coil type
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H13/00Measuring resonant frequency
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables

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Description

  • Beschreibung
  • Methode zur Bestimmung von lautsprecherdaten Die Erfindung betrifft eine Meßmethode, in der mit einer einfachen Meßschaltung die Serienresonanz eines dynamischen Lautsprechersystems ermittelt wird, die sich aus der Schwinspuleninduktivität t0 und der Kapazität Cm ergibt. Cm repräsentiert im elektrischen Ersatzschaltbild des dynamischen Systems die dynamische Masse mO.
  • Mit Hilfe dieser Serienresonanz lassen sich die laut I sprecherdaten M (Wandlerkonstante) und Lo (Schwingspuleninduktivität) bestimmen. Im Anschluß daran lassen sich (nach der Bestimmung der dynamischen Masse m0 und der Nachgiebigkeit n0 mit üblichen Methoden) alle anderen Elemente des elektrischen Ersatzschaltbildes berechnen.
  • (Bild 1, Ersatzschaltbild eines dynamischen Systems.) Stand der Technik Bei der Bestimmung der Ersatzschaltbildelemente eines dynamischen Lautsprechersystems geht man üblicherweise wie folgt vor: Man bestimmt zuerst die Resonanzfrequenz des Systems, zum Beispiel mit der Konstantstrommeßmethode. Man schließt das System über einen hochohmigen Widerstand an einen Tongenerator an und mißt den Spannungsabfall am System.
  • Bei zweckmäßiger Eichung und genügend großem Vorwider -stand (^- eingeprägt er Strom) läßt sich aus der Anzeige des Spannungsabfalls direkt der Betrag des Impedanzma -ximums I-ozI max ablesen und mit Hilfe eines Zählers kann die Frequenz f0 bestimmt werden.
  • Vergrößert man nun durch Auflegen einer genau definierten Masse m1 die gesamte dynamische Masse des Lautsprechers, so ergibt sich eine neue, tiefere Resonanzfrequenz fo'.
  • Diese wird ebenfalls ermittelt, und mit Hilfe der Werte von fo, fo' und m1 lassen sich die Werte von mo und no berechnen. Dieses Verfahren ist zum Beispiel bei E. J. Jordan(1) J. Jecklin (2) und bei N. W. McLachlan (3) beschrieben.
  • Die Bestimmung der Wandlerkonstanten M - Bl (B = magnetische Induktion, 1 = Länge des Drahtes im Luftspart des Magneten), der Schwingspuleninduktivität Lo und des Reibungsersatzwiderstandes Rm geschieht in der Regel wie folgt: Man bestimmt mit einer Präzisionsmeßuhr die Nullage der Lautsprechermembran. Anschließend wird eine genau defi -nierte Masse m2 auf die Membran aufgelegt und die resultierende Auslenkung aus der Ruhelage mit einem Gleichstrom dermaßen kompensiert, daß sie die Nullage wieder einnimmt. Der notwendige Gleichstrom I wird gemessen und mit Hilfe des Kraftgesetzes F = IlB, der Masse m2 und dem Strom I läßt sich die Wandlerkonstante berechnen.
  • Mit M lassen sich dann auch die Werte von Lm und Cm des Ersatzschaltbildes (Bild 1) berechnen.
  • Für die Eingangsimpedanz Ze(Q) des Ersatzschaltbildes bei Resonanzfrequenz fo ergibt sich mit #o = 2#fo: Ze(wo) = Ro + Rm + jwoLo (Ro = Kupferwider daraus folgt: Ro wird mit einer Widerstansmeßbrücke bestimmt.
  • Außerdem gilt allgemein: Rm= QeZk mit Zk = Kennwiderstand der Blindelemente bei Resonanz Q 2 Güte des Schwingkreises Nimmt maii zum Beispiel die Ortskurve eines im Vakuum liegendeii Systems auf, so läßt sich Q aus den 450-Frequenzen und der Resonanzfrequenz fo bestimmen: Für den Kennwiderstand Zk gilt: Damit kann Rm berechnet werden und für L0 ergibt sich dann: Es besteht auch die Möglichkeit, M rechnerisch zu be -stimmen: mit Qel= elektrische Güte nachdem mo, fo, Ro und Qe1 bestimmt wurde.
  • Nachteile der bekannten Bestimmungsmethoden Der Nachteil der rechnerischen Bestimmung von M liegt darin, daß zur Ermittlung nur Werte benutzt werden, die in der Nähe der Resonanzfrequenz f bestimmt wurden. Dort aber wirken sich Hystereseverluste und Wirbelstromverluste praktisch nicht aus.
  • Die Gleichstromkompensationsmethode (statische Messung) berücksichtigt diese Verluste überhaupt nicht. Zudem ist das Verfahren sehr zeitaufwendig und führt bei mechanisch gut bedämpften Systemen auf Grund der Drift bei der Gewichtsauflage auf die Membran zu zusätzlichen Fehlern. Bei der Bestimmung der Ersatzschaltbildelemente gehen diese Fehler quadratisch in die Berechnungen mit ein. Zur Be -stimmung von Lo wird auch häufig folgende Uberlegung herangezogen: Der Imaginärteil der elektrischen Impedanz besitzt für f 9 0 zwei Nullstellen, wie man es in einer Ortes kurve sofort sehen kann. Aus der Berechnung der zweiten Nullstelle bei der Serienresonanz t (aus 1io und Cm) ergibt sich näherungsweise: Die Frequenz f1 ist aber aus dem Impedanzverlauf praktisch nicht bestimmbar, da das zugehörige Impedanzminimum sehr flach verläuft. (Bild 2) Erfahrungsgemäß ist auch aus der Ortskurve die Frequenz f1 nicht genau bestimmbar, da die Frequenzparametrierung der Ortskurve in der Nähe des zweiten Schnittpunktes mit der reellen Achse in der Regel recht große Frequenzbereiche umfaßt.
  • Lo wird also normalerweise aus einer vereinfachten Gleichung ermittelt, für die sich die entsprechende Frequenz ebenfalls nur ungenau bestimmen läßt.
  • Die beschriebenen Bestimmungsarten sind zum Teil bei den bereits genannten Autoren zu finden.
  • Neue Methode zur Bestimmung von M und Lo Unter der Voraussetzung, daß die Werte der dynamischen Masse mO, der dynamischen Nachgiebigkeit nO und der Re -sonanzfrequenz f0 mit üblichen Verfahren ermittelt wurden, lassen sich die Werte der Wandlerkonstanten M und der Schwingspuleninduktivität Lo und im Anschluß daran die Werte von Rm, Lm und Cm der bekannte Ersatzschaltung wie folgt ermitteln: Mit Hilfe einer einfachen Meßschaltung, die im Wesentlichen aus einem N.I.O. (negativ impedance converter) besteht, kann man die Wirkung des Kupferwiderstandes eines Lautsprechers zu Null kompensieren. Beschreibt man die Wir -kung eines geeignet dimensionierten N.I.C. der Einfach --heit halber mit -Ro und schaltet ihn in Reihe mit einem dynamischen Lautsprecher, so wird die Serienresonanz aus Lo und Cm praktisch nur noch durch Rm bedämpft. (Bild 3) Schaltet man nun eine ideale Spannungsquelle (Innen -widerstand R. = 0) an diese Anordnung, so steigt der Strom durch das System sehr stark an, wenn die Spannungsquelle auf die Serienresonanz f1 eingestellt wird. An dem im realen Fall vorhandenen Kupferwiderstand Ro entsteht dabei ein Spannungsabfall, der bei f1 sein Maximum hat. Wird dieser Spannungsabfall gemessen, so kann also die Frequenz f1 exakt eingestellt und bestimmt werden. Rechnet man nicht, wie üblich, die mechanische Seite des lautsprechers auf die elektrische Seite um, sondern bezieht die elektrische auf die mechanische Seite des Wandlers, so entsteht ein Ersatzschaltbild, bestehend aus einem Serienschwingkreis (mO, nO), bedämpft durch w, (4 mechanische Reibung), dem eine Parallelschaltung aus einem Widerstand w' und einer Kapazität n' in Reihe liegt.
  • W = M2/Rm, w' = M2/R, zu n' = t0/M2 (Bild 4) Kompensiert man also Ro, so geht w' gegen unendlich.
  • Was übrig bleibt ist ein Serienschwingkreis aus mO und ns bedämpft durch w, wobei gilt: Es ergibt sich also eine Serienresonanzfrequenz f1, für die gilt: Schaltet man nun dem Lautsprecher eine definierte Meßinduktivität L' in Reihe, so muß n durch n ersetzt werden. Für n gilt: und für n" gilt: mit L' = Meßinduktivität Es resultiert nun eine neue Serienresonanzfrequenz f11, für die gilt: Die beiden Frequenzen f1 und f1' lassen sich nach der beschriebenen Methode exakt bestimmen.
  • Daraus folgt also: 1/n* = 1/no + 1/n' = #12mo # 1/n' = #12mo - 1/no 1/n** = 1/no + 1/n" = #12mo # 1/n" = #12mo - 1/no mit 1/n' = M²/Lo und 1/n" = M²/(Lo +L') folgtdaraus: M²/Lo = #12mo - 1/no # (a) M²/(Lo + L') = #'12mo - 1/no (b) (a) eingesetzt in (b) ergibt nach Zwischenrechnung: Lo(#12mo - 1/no - #'12mo + 1/no) = L'(#'12mo - 1/no) Daraus folgt schließlich: Dies ist die Bestimmungsgleichung für die Schwingspuleninduktivität im normalen Betriebszustand. Setzt man nun in in die Gleichung (a) ein, so erhält man die Wandlerkonstante M. Mit Hilfe der Gleichung: läßt sicti der Reibungswiderstand Rm bestimmen. Damit lassen sich alle Elemente des Ersatzschaltbildes be -stimmen.
  • Vorteil des neuen Meßverfahrens Da bei den Messungen Wechselströme benutzt werden und der mechanische Teil des Systems in Bewegung ist, gehen die Auswirkungen der Hysterese- und Wirbelstromverluste, sowie die Deformation des radialen Magnetfeldes im Luftspalt des Systems mit in die Meßdaten ein. Besonders für Tiefmittelton- und Mitteltonsysteme, die vornehmlich in einem Frequenzbereich betrieben werden, in dem sich diese Verluste schon sehr stark bemerkbar machen, ist diese Meßmethode zu empfehlen, da die Serienresonanz fi genau in diesem Bereich liegt. Die mit dem neuen Verfahren ermittelten Daten weichen daher in der Regel auch von denen ab, die mit den üblichen (mehr oder minder statischen) Methoden ermittelt werden können.
  • Mögliche Anwendungsbereiche Ein denkbares Anwendungsgebiet ist zum Beispiel die Endkontrolle von Serienprodukten in der laut sprecherindustrie, da sich mit dem beschriebenen Meßverfahren in charakteristischer Weise Fertigungstoleranzen aufdecken lassen.
  • Beschreibung der Meßschaltung Die Meßschaltung, die der Meßmethode zu Grunde liegt, besteht im Wesentlichen aus einem teistungsoperationsverstärker, der als einstellbarer N.I.C. dient. Ein zweiter Operationsverstärker dient zum einen als Eingang für den Tongenerator, zum anderen arbeitet er in einem geschlossenen Regelkreis als Arbeitspunktstabilisierung. (Bild 6) Betrachtet man den Impedanzverlauf eines dynamischen Lautsprechers (Bild 2), so ist zu erkennen, daß dieser für f - O (Gleichstrom) den kleinsten Wert annimmt. Um die Serienresonanz exakt bestimmen zu können, muß daher verhindert werden, daß die Schaltung für den Gleichstrombereich instabil wird. Dies wird durch den zweiten Operationsverstärker bewirkt, der für den Leistungsoperationsverstärker in diesem Bereich eine Gegenkopplungsschleife darstellt. (Obere Grenzfrequenz dieser Gegenkopplung etwa 0,5 Hz.) Auf diese Weise ist es möglich, mit einem Potentiometer die Mitkopplung bis an die Schwinggrenze zu erhöhen. Verändert man an einem angeschlossenen Tongenerator die Frequenz, so ergibt sich für die Serienresonanz f1 ein scharf ausgeprägtes Spannungsmaximum am lautsprecher.
  • Literatur: (1) Jordan, E. J. Loudspeakers, the technique of soundreproduction, Focal Press London & New York 7963 (2) Jecklin, J. lautsprecherbuch, Telekosmos-Verlag Stuttgart 1967 (3) McLachlan, N. W. Ioud Speakers, Theory, performance, testing and design, Dover Publications 1960 Leerseite

Claims (1)

  1. 3Patentanspruch: Methode zur Bestimmung von Lautsprecherdaten mit Hilfe einer einfachen Meßschaltung, die im Wesentlichen aus einem N.I.C.
    (negativ impedance converter) besteht.
    Gekennzeichnet ist die Methode dadurch, daß sie zur Bestimmung der Lautsprecherdaten die Serienresonanzfrequenz f1 benutzt, die sich aus der Schwingspuleninduktivität Lo und der Kapazität Cm , die die dynamische Masse des Systems repräsentiert, ermitteln läßt. Diese Serienresonanz f1 kann mit der Meßschaltung genau bestimmt werden.
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Cited By (3)

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