DE3325520A1

DE3325520A1 - Vorentzerrtes elektroakustisches wandlersystem

Info

Publication number: DE3325520A1
Application number: DE19833325520
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 6000 Frankfurt Koppel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-07-15
Filing date: 1983-07-15
Publication date: 1985-01-31
Also published as: DE3325520C2

Description

Vorentzerrtes elektroakustisch.es Wandlersystem

Die Erfindung betrifft ein Wandlersystem zur Umsetzung elektrischer Signale in Schall. Das Blockschaltbild ist in Figur 1 dargestellt. Das elektroakustische Wandlersystem besteht aus einer Rechenschaltung (1), die das gegebene elektrische Signal umformt und unter anderem Integratoren und Differentiatoren enthält, aus einem Leistungsverstärker (2) mit Stromausgang und aus einem dynamischen Lautsprecher (3), dessen Membran eine große innere Steife auf v/eist. Es ist unter anderem in HiFi-Anlagen, Rundfunkempfängern, elektronischen Musikinstrumenten und Beschallungsanlagen einsetzbar sowie zur definierten Schallerzeugung für akustische Messungen.

I± Zweck der Erfindung ist, durch ein neuartiges Grundkonzept die Herstellung hochwertiger Lautsprecherübertragungsanlagen möglich zu machen, die dem bei anderen Audio-Komponenten technisch bereits erreichten hohen Qualität3stand der Signalübertragung entsprechen. Außerdem soll durch die Erfindung der Raumbedarf hochwertiger Lautsprecherboxen verringert werden. Ein weiterer Zweck ist, durch Einsatz der Elektronik für hochwertige Lautsprecherübertragungssysteme die Herstellungskosten zu senken. Ferner soll durch die Erfindung eine Möglichkeit geschaffen werden, bei Kleingeraten und tragbaren Geräten mit eingebautem Lautsprecher die Klangnüte zu erhöhen.

BAD OFMGiäMÄL

III Bei der uisher üblichen Betriebsweise sind dynamische Lautsprecher in ihrer Fähigkeit, nichtperiodische Signale zu reproduzieren, mehr oder weniger stark beschränkt; das gewandelte Signal ist durch Ein- und Ausschwingvorgänge des Lautsprechers verfälscht. Ähnliches gilt für die derzeitigen Möglichkeiten, mittels Stereo- oder Quadro-Anlagen den räumlichen Höreindruck, wie er im Aufnehmeraum vorhanden ist, bei Lautsprecherwiedergabe zu reproduzieren. Eingeschränkt ist bisher auch die Möglichkeit, Tiefbässe korrekt wiederzugeben.

Eine entscheidende Ursache für diese Schwierigkeiten ist, daß das Problem der zu beschleunigenden Membranmasse und das Problem der zu überwindenden wegabhängigen Membran-Rückstellkraft nicht gelöst ist. Als Folge hiervon gelingt es bisher nicht, die Membrangeschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt dem Momentanwert eines beliebigen Audiosignals verhältnisgleich zu machen. Auch geregelte Aktivboxen können - die genannten Mängel nur unvollkommen beseitigen; außerdem bringt dort die Gegenkopplung über den Schallwandler hinweg neue Schwierigkeiten mit sich.

Bei der bisherigen Technik, dynamische Lautsprecher zu steuern oder zu regeln, setzt auch der ohmsche Widerstand und die Induktivität der Schwingspule eine Grenze für die erreichbare Übertragungsgüte.

Die Erfindung vermeidet diese Schv/ierigkeiten erstens dadurch, daß der Lautsprecher statt mit eingeprägter Spannung mit eingeprägtem Strom angesteuert wird. Da die Auslenkungskraft der Schwingspule von der Amperewindungszahl abhängt, fällt durch diese Maßnahme der Einfluß des ohmschen Widerstandes und der induktivität der Schwingspule weg. Auch die elektromotorische Kraft der bewegten Schwingspule bleibt durch diese Maßnahme ohne Einfluß auf die Übertrap;ungsf unkt ion des Lautsprechers; somit kann sie auch nicht 9Is Störgröße auftreten. Der Lautsprecherbetrieb mit eingeprägtem Strom wird durch Verwendung eines Leistungsverstärker^ mit hohem Ausgangswiderstand erreicht, wofür Schaltungen bekannt sind.

BAD

Zweitens vermeidet die Erfindung die oben genannten Scnvaerigkeiten durch Verwendung eines in sich steif ausgeführten Schwingsystems im Lautsprecher. Hierbei v/ird berücksichtigt, daß das Schwingsystem trotz steifer Ausführung unvermeidlich innere Verformungen erleidet. Dementsprechend wird unterschieden zwischen Teilen der Membran, die den Nutzschall abstrahlen sollen, und solchen, deren Schallabstrahlung schädlich ist. Die letztgenannten Schallanteile werden durch zusätzliche bauteile am Lautsprecher unwirksam gemacht. Hierfür kommt - wie in Figur 2 gezeigt ist - ein feststehender Schallabsorber (6) in Betracht, der bei Verwendung einer Konusmembran (5) in deren Zentrum mit geringem Abstand vorgesetzt v/ird, wobei die beispielsweise gewölbttrichterförmige Einfassung (8) für die schallabsorbierenden Materialien (7) mit ihrer Außenseite zugleich als Schallführung und Reflektor für den i.'utzschall dienen kann. Die Befestigung (9) des Schallabsorbers ist in der Figur 2 durch eine gestrichelte Linie angedeutet.

Statt des feststehenden Schallabsorbers kommt erfindungsgemäß auch eine mit der Membran mitschwingende Schallabdeckung (10) in Frage, wie in Figur 3 gezeigt ist. Diese Schallabdeckung ist mit der Membran (5) starr verbunden, ist steif ausgeführt, strahlt Lutzschall ab und hindert die vom rlembranzentrum ausgehenden schädlichen Schallanteile am Austritt. Figur 4 zeigt eine Ausführung, bei der die Abdeckung(10) denselben Durchmesser hat wie die Membran (;>), wodurch die Abdeckung die Abstrahlung des Nutzschalles allein übernimmt. In jedem Fall sind Teile der Membran, die i.utzschall abstrahlen, so steif wie möglich ausgeführt. Dadurch soll für diesen 'Teil der Membran eine einheitliche, kolbenförmige Bewegung erzielt werden.

Drittens './erden die bei herkömmlichen Lautsprechern auftretenden Schwierigkeiten erfindungsgemäß' durch eine Verformung des gegebenen elektrischen Signals mittels einer HechenGchaltung vermieden. Der Grund für diese Maßnahme sowie ihre 'iirkungsv/eic-e werden in den beiden folgenden Absätzen näher erläutert.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, aus den in dem gegebenen elektrischen Signal enthaltenen Informationen Schall in der V/eise zu erzeugen, daß die Momentangeschwindigkeit der Lautsprechermembran den zeitlichen Verlauf des elektrischen Signals gleichzeitig analog nachvollzieht, und zwar für beliebige Audiosignale wie Sprache, Vokal- und Instrumentalmusik sowie Geräusciie. Mit Membrangeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit derjenigen Teile der Membran gemeint, die Nutζschall abstrahlen sollen.

Ausgangspunkt für die Lösung dieser Aufgabe ist die Überlegung, daß im Lautsprecher - entsprechend den Gesetzen der Mechanik - Integrations- und Differentiationsprozesse ablaufen, daß sich im Lautsprecher Kräfte und Bewegungen summieren bzw. in Komponenten aufspalten. Erfindungsgemäß werden diese Funktionen in einer Rechenschaltung invers nachgebildet und invers miteinander verknüpft. Das gegebene elektrische Signal u = u(t) wird beim Durchlaufen der Rechenschaltung verformt. Dieses verformte Signal wird bei der Schallwandlung im Lautsprecher nochmals verf or Kit. Weil erf indungsgemtüs die übertragungsfunktion der Rechenschaltung und die Übertragungsfunktion des Lautsprechers mathematisch zueinander in dem Verhältnis stehen, daß jeweils die eine die inverse Punktion der anderen darstellt, gibt der Lautsprecher das Signal s¹ = A^#u(t) ab, wobei s¹ die Membraneschwindigkeit und A ein konstanter reeller Umrechnungsfaktor ist. Die hembrangeschwindigkeit hat also den in dor Aufgabenstellung geforderten zeitlichen Verlauf.

IV l-.'achf olgem wird anhand oines elementaren Beispiels geseipt, welche mechanischen Größen im !lautsprecher zu beachten aind und wie: dio -.Umgestaltung der Rechenschalbun;; von dicken aon'oi^i;. Dobei wird vereinfachend an-^eno;.:::ien, daß dar. Schwingsystem des verwendeten dynamischen Lautsprechern ein absolut starrer I-Cörner mit der Masse m

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Blatt

sei, wie es in Figur 5 zur Veranschaulichung dargestellt ist. Die Konstante für die elastische Rückstellung des 3chvd.ngs.ystems sei c . Die das Schwingsystem dämpfende Widerstandskraft möge betragen pp· = ks¹ mit s' als Geschwindigkeit und k als reelle Konstante. Die von der Schwingspule ausgehende Antriebskraft sei ρ = ρ (t) . Das Kräftegleichgewicht erfordert dann

P = P₁ + P₂ + P3

ρ = es + ks¹ + ms" (1)

s¹ soll erfindungsgemäß zu jeder Zeit t den Wert s¹ = A«u(t) annehmen, wobei u(t) das gegebene elektrische Signal und A eine reelle Konstante ist. Der zeitliche Verlauf der Kraft p, die zum Herbeiführen der Sollbewegung benötigt wird, errechnet sich aus Gleichung (1) also zu

Ac-judt +· Ak «u + Am*u' (2)

Das Ausgangs signal der Rcchenschaltung ist erfindungsgemäß linear mit der Amperewindungszahl der Schwingspule verknüpft, die ihrerseits auch linear mit der Antriebskraft ρ verknüpft ist. ρ ist also dem Ausgangssignal q der Rechenschaltung proportional, und dieses ergibt sich aus Gleichung (2) zu

Bc-Judt + Bk.u + Bm-u¹ (3)

wobei 3 eine reelle Konstante ist. Gleichung (3) gibt die gesuchte übertragungsfunktion der Rechenschaltung . an. Zur Gewinnung des ersten Terms in Gleichung (3) wird in der Rechenschaltung - wie Figur 6 zeigt - ein Integrator(11) vorgesehen, zur Gewinnung des dritten Terms ein Differentiator(12) . Das integrierte Signal, das differenzierte Sirnal und u selbst v/erden in einem

Addierer CU) summiert, wobei der Anteil des integrierten Signals um so größer gemacht werden muß, je hänter das LautSprecherschwingsystem aufgehängt ist. Der Anteil des differenzierten Signals bei der Summierung muß um so größer sein, je größer die Masse des Schwingsystems ist. Die Richtigkeit der gewählten iiischkoeffizienten kann beispielsweise dadurch überprüft werden, daß man das elektroakustische Wandlersystem mit Sinussignalen unterschiedlicher Frequenz ansteuert; es soll sich im Schaubild ein horizontal-gerader Frequenzgang ergeben.

Wie das vorstehende Beispiel zeigt, macht die Erfindung einen dynamischen Lautsprecher zum Breitbandlautsprechersystem. Sein Übertragungsverhalten ist durch eine Elektronikschaltung entzerrt. In der Praxis wird die Rechenschaltung auf v/endiger, weil die im Beispiel gemachte Voraussetzung eines in sich absolut steifen Schwingsystems schon im Hitteltonbereich nicht mehr realisierbar ist. Zwei Rechenschaltungen, die unter anderem zur Verwirklichung von Einweg-Lautsprechersystemen in HiFi-Qualität geeignet sind, werden in den Figuren 7 und 8 gezeigt in Gestalt ihrer Blockschaltbilder. Diese beiden Schaltungen sind beispielsweise für Konuslautsprecher geeignet, deren äußere, das heißt von eier Schwingspule weiter entfernte hembranteile den Lutzochall abstrahlen sollen. Derartige Rechenschaltungen lassen sich in Analogtechnik mittels einer oder mehrerer integrierter nalbleiterschaltungen realisieren. Eine Ausführung in digitaler Technik ist ebenfalls möglich und liegt nahe für Fälle, in denen das zu wandelnde Audiosignal bereits in digitaler Form vorliegt.

Bei der in Figur 7 angerebenen und mit Erfolg erprobten RechenschP-ltung wird mittels eines Addierers S^ das gegebene elektrische Signal u mit seiner Integralfunktion und mit seiner Differentirlfunktion gemischt, wodurch das Hilfssignal ν entsteht, .^ine elektrische Filterschaltung F wandelt ν in das Hilfssignal w um. Der Addierer So verknüpft w und u zu dein. Hilfssignal x. Der Addierer S^ summiert χ

UOi ti

mit seiner Integralfunktion, mit seiner Differentialfunktion, und mit dem Hilfssigiial v, wodurch das Signal y gewonnen wird, y ist das Ausgangssignal dieser Rechenschaltung.

Durch das Filter F wird in dieser Rechenschaltung die innere Verformung des Lautsprecherschwingsystems bei dynamischer Beanspruchung berücksichtigt. Dieses Filter soll nicht einen bestimmten Frequenzrang herstellen, sondern es hat die Aufgabe, eine durch den Lautsprecher vorgegebene Differentialgleichung, welche diü Hilfssignale ν und w mathematisch miteinander verknüpft, elektrisch zu realisieren. Diese Differentialgleichung hat die Form

Hv + Jv¹ + Kv" = Lw + Mw¹ + Nw" (4)

Die Koeffizienten E, J, K, L, M, N sind reel und konstant. Ihre Größe und die zweckmäßigste Schaltung zur Realisierung dieser Differentialgleichung hängt ab von der Form und den Materialeigenschaften des Schwingsystems'. Im Ergebnis wird das Filter im allgemeinen Tiefpaß-Charakter haben.

Bei der in Figur 8 angegebenen Rechenschaltung wird ein Signal y in derselben Schaltungsanordnung gewonnen wie bei der vorbeschriebenen Rechenschaltung. Das Signal y durchläuft aber hier noch ein Filter Fp , wodurch das Hilfssignal h gewonnen wird. Dieses wird in dem Addierer S₁ mit den Hilf ssiffnal χ summiert, wodurch ein Hilfssignal i entsteht. Der Addierer Sc summiert i, die Integralfunktion von i, die Differentialfunktion von i und das Signal y, wodurch dac Ausgangssignal k dieser Rechenschaltung gewonnen wird.

V Es ist reicht erforderlich, die Bewegung der Lautsprecherschv/ing spule künstlich zu bedi.lr.rpfen. Die Massenträgheit der bewegten Teile mit ihrer integrierenden Wirkung, die bei den herkömmlichen betrieb von Lautsprechern zwangs-

läufig zum überschwingen und. zum Nachschwingen führt, ist aufgrund der Konzeption des hier beschriebenen Wandlersystems durch Differenzierglieder in der Rechenschaltung neutralisiert. Aus diesem Grund hat der Konstrukteur beim Entwurf des Lautsprechers bezüglich der Größe, die die bewegte Masse haben darf, hier mehr Spielraum.

Geschlossene iinweg-Lautsprecherboxen mit besonders kleinem Gewicht und Volumen mit großer Bandbreite kann der Entwickler deshalb verwirklichen, weil die hier auftretenden grossen Kembran-Rückstellkräfte im Baßbereich erfindungsgemäß aufgebracht v/erden durch die Integratoren in der Rechenschaltung. Entsprechendes gilt für die Verwendung von Lautsprechern mit sehr harter Membranaufhängung.

Eine weitere Besonderheit der Erfindung für den Laut--Sprecherhersteller liegt darin, daß ihm im Entwicklungsstadium und gegebenfalls auch später innerhalb der Rechenschaltung verschiedene Möglichkeiten zur Einstellung des neutralen oder spezifischen Klanges zur Verfügung stehen, in der Regel v/erden dies l'rimmwiderstände oder Koeffizientenpotentiometer sein, mit denen die Mischkoeffizienten der Addierer optimal auf den Lautsprechertyp einjustiert werden.

Es ist zweckmäßig, den Lautsprecher mit dem Leistungsverstärker und der riechenschaltung in einer Baueinheit zu vereinigen, zum Beispiel als Aktivbox. Jedenfalls kann der Lautsprecher in der Regel nicht gegen einen anderen Typ ausgetauscht werden. Die Rechenschaltung ist auf einen bestimmten Lautsprechertyp abgestimmt. Es können aber xiautsprechertyperi aller Art, die nach dem dynamischen Prinzip arbeiten - also beispielsweise auch Druckkammerlautsprecher - verwundet werden, wenn die innere Steife des iSchwinfjaystems Musroichünd groß ist.

BAD ORiGSNAL

YI Da aktive Differenzierschaltungen großer Bandbreite zur Selbsterregung neigen, kann es - auch mit Rücksicht auf die Klangqualität - vorteilhaft sein, die eigentliche Differenzierung in bekannter Weise mit passiven Bauteilen vorzunehmen. Hierfür kann eine Serienschaltung aus Kondensator und ohmschem Widerstand verwendet werden, gespeist aus einer Quelle mit niedrigem Ausgangswiderstand. Im Interesse der Übertragungsqualität des Wandlersystems muß die Zeitkonstante R-G klein gewählt werden. Werte zwischen 0.1 und 10 Mikrosekunden sind praxisgerecht. Das differenzierte Signal wird parallel zu dem ohmschen Widerstand abgenommen und einem linearen Nachholverstarker zugeführt. In der Rechenschsltung wird dieses differenzierte und nachverstärkte Signal dann in der Regel mit anderen Signalen additiv gemischt; bei Verzicht auf den gesonderten Kachholverstärker müßte mit unzureichendem Fr emdspanriungsab stand gerechnet werden.

- Leerseite -

Claims

Vorentzerrtes elektro- q q «*> r r ο η

akustisches Wandlersystera. O 0 <£ ü Q <c U

Patentansprüche :

Vorentzerrtes elektroakustisch.es Wandler system, bestehend aus einem Lautsprecher nach dem dynamischen Prinzip mit einem Schwingsystem großer innerer Steife, einem Leistungsverstärker und einer integriejbaren Rechenschaltung, geeignet zur Wandlung elektrischer Signale mit beliebigem zeitlichem Verlauf in Schallsignale mit demselben zeitlichen Verlauf, dadurch gekennzeichnet, daß der den ITutzschall abstrahlende Teil der Membran eine besonders große innere Steife aufweist und der gegebenfalls Schadschall abstrahlende Teil des Schwingsystems durch einen Schallabsorber oder durch eine mitschwingende Abdeckung mit großer Steife verdeckt ist; und daß der Ausgangswiderstand des Leistungsverstärkers groß ist, wodurch der Lautsprecher mit eingeprägtem Strom betrieben wird; und daß die Rechenschaltung unter Verwendung von Integrier- und Diffcrenziergliedern die mechanischen Sollkräfte und Sollbewegungen des Lautsprecherschwingsystems elektrisch nachbildet - wobei die Verknüpfungen, denen die mechanischen Größen unterliegen, als deren inverse Punktionen elektrisch realisiert v/erden -, wodurch das gegebene elektrische Signal in Verbindung mit dem Leistungsverstärker und dem Lautsprecher umgesetzt wird in eine Schv/ingspulauslenicungskraft mit demjenigen zeitlichen Verlauf, der benötigt wird, um den schallabstrahlenden Teil der Membran die Sollbewegung ausführen zu lassen.

2. 21ektroakustisch.es Wandler system nach Anspruch 1, wobei der Lautsprecher eine Ilonusmembran oder eine annähernd konusföraise Heir.bran besitzt, deren äußerer Teil die Sollbewejung ausführt und der. Uutzschall abstrahlt, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem inneren Teil der Membran in geringem Abstand ein feststehender Schallabsorber konzentrisch angeordnet ist, der den vom inneren

Teil der Membran ausgehenden Schall absorbiert, wobei das seitliche Entweichen dieses Schalles durch eine trichterförmige feste Einfassung des absorbierenden Materials verhindert ist, die durch geeignete Formgestaltung zugleich als Schallführung und Reflektor für · den Uutzschall dienen kann.

J. Elektroakustisch.es Wandlersystem nach Anspruch 1, wobei der Lautsprecher eine Konusmembran oder eine annähernd konusförmige Membran besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Membran ein hohlkegel großer Steife oder ein annähernd konusförmiger Hohlkörper großer Steife mit nach vorn v/eisender Spitze konzentrisch aufgesetzt und mit der Membran starr verbunden ist.

4. Elektroakustisches wandlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb- der Rechenschaltung - zur Nachbildung der Teilkraft, welche der den ..utzschall abstrahlende Teil der Lautsprechermembran benötigt, um die dollbewegung auszuführen ein Summensignal gebildet wird aus dem gegebenen elektrischen Signal u, aus dessen Integralfunktion Judt und aus dessen jJifferentialf.unktion du/dt .

5· Elektroakustisches Wandlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung das gegebene elektrische oignal u mit dessen Integralfunktion Judt und mit dessen üifferentialfunktion du/dt additiv zu einem Hilfssignal ν verknüpft, welches ein elektrisches filter if durchläuft, dessen übertragungsfunktion dem durch Form und Materialeigenschaften des i,autsprecherschwingsystems gegebenen Deforrnationsverhalten bei dynamischer Beanspruchung angepaßt ist, wobei ν von dem Filter F in ein Hilf ssifoial w umgeformt wird, welches durch

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Summieren mit dem Hilfssignal u in ein Hilfssignal χ übergeht, aus dem durch Summenbildung - aus χ selbst, aus dessen Integralfunktion Jxdt, aus dessen Differentialfunktion dx/dt und aus dem Hilfssignal ν - das Eingangssignal y für den Leistungsverstärker gewonnen wird.

6. Elektroakustisch.es Wandlersystem nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, daß Eingangsspannung ν und Ausgangsspannung w des elektrischen Filters F einer Differentialgleichung der Form Hv + Jv¹ + Kv" = = Lw + Mw^! + Nw" genügen, wobei H, J, K, L, M, N reelle Konstanten sind.

7. Elektroakustisch.es Wandlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung- das gegebene elektrische Signal u mit dessen Integralfunktion Judt und mit dessen Differentialfunktion du/dt additiv zu einem Hilf ssignal ν verknüpft*, welches durch ein elektrisches Filter F^ in ein Hilfssignal w umgeformt wird, das durch Summieren mit dem Eingangssignal u in ein Hilfssignal χ übergeht, aus dem durch Summenbildung - aus χ selbst, aus dessen Integralfunktion fxdt, aus dessen Differentialfunktion dx/dt und aus dem Hilfssignal ν - ein Hilfssignal y gewonnen wird, welches durch ein elektrisches Filter Fp in ein Hilfssignal h umgeformt wird, das durch Summieren mit dem Hilfssignal χ in ein Hilfssignal i übergeht, aus dem durch Summenbildung - aus i selbst, aus dessen Integralfunktion fidt, aus. dessen Differentialfunktion di/dt und aus dem Hilfssignal y das Eingangssignal k für den Leistungsverstärker gewonnen wird, wobei die Übertragungsfunktionen der Filter F^ und F₂ dem durch Form und Materialeigenschaften des Lautsprecherschwxngsystems gegebenen inneren Deformationsverhalten des Schwingsystems bei dynamischer Beanspruchung angepaßt sind.

8. Elektroakustisch.es Wandlersystem nacli einem stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rechenschaltung an einer oder mehreren Stellen zum Differenzieren nach der Zeit ein G/R-Glied mit Nachholverstärker verwendet wird, wobei die Zeitkonstante RO in der Größenordnung 0.1 ... 10 as liegt.

9. Elektroakustisches Wandlersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, geeignet zur Wandlung digitalisierter Audiosignale in Schall, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung als Digitalrechner mit anschließender Digital/Analog-ümwandlung ausgeführt wird.