DE3326494A1

DE3326494A1 - Kontrolle der membranbewegung des dynamischen lautsprechers durch ein verbessertes netzwerk zur nachbildung seiner eingangsimpedanz

Info

Publication number: DE3326494A1
Application number: DE19833326494
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Dick; Paul Dipl.-Ing. Dr.-Ing. 5100 Aachen Scherer
Original assignee: Individual
Current assignee: Dick Burkhard Dipl-Ing 2000 Hamburg De Scher
Priority date: 1983-07-22
Filing date: 1983-07-22
Publication date: 1985-01-31
Also published as: EP0133948B1; DE3479855D1; EP0133948A1; ATE46600T1; DE3326494C2

Description

Kontrolle der Membranbewegung des dynamischen Lautsprechers durch ein verbessertes Netzwerk zur Nachbildung seiner Eingangsimpedanz

Besonders im Bereich der Grundresonanz des dynamischen Lautsprechers und tiefer Gehäuseresonanzen folgt die Lautsprechermembran nicht genau der angelegten Signalspannung, weil die mehr oder weniger fest an die Membran angekoppelten mechanischen Schwingkreise bei impulsartiger Anregung zu Eigenschwingungen neigen, die selbst dann noch stören, wenn sie infolge von Dämpfung erheblich kleiner als das eigentliche Signal sind. Außerdem hat die massebehaftete Lautsprechermembran Schwierigkeiten, z.B. impulsförmigen Signalspannungen zu folgen. Die Durchsichtigkeit der Wiedergabe hängt aber zumindest im Mitteltonbereich (200 Hz bis 1 kHz) ganz wesentlich vom richtigen Phasenverhalten ab, d.h. ein Lautsprecher sollte in der Lage sein, in diesem Frequenzbereich rechteckförmige Schalldruckverläufe einigermaßen richtig wiedergeben zu können. Dies bedeutet, daß die Lautsprecher des Tief- und Mitteltonteils zur Vermeidung von Laufzeit unterschieden engbenachbart eingebaut werden müssen, was irr. allgemeinen zu kleinen Lautsprechergehäusen führt. Wegen der erforderlichen Volumenschnelle des Tieftonlautsprechers wird daher die Koi trolle der Membranbewegung noch dringlicher.

Es sind in letzter Zeit Schaltungen (Fig. 1: 1 Addierer, 2 Endverstärker, 3 Lautsprecher, 4 Rückmeldeverstärker) zur Rückkopplung einer Bewegungsgröße (z.B. der Schnelle) /1/ bekannt geworden, bei denen zur Abtastung der Membranbewegung zusätzlich ein spezieller Wandler (z.B. Beschleunigungsaufnehmer) verwendet -. wurde. Dies hat den Nachteil, daß der Lautsprecher durch eine zusätzliche Wandlermasse zunächst verschlechtert wird, und kein serienmäßiges Lautsprechersystem verwendet werden kann. Naheliegend ist daher, die Bewegungsspannung des Lautsprechers zur Rückkopplung selbst zu verwenden. Dies bedingt, daß die Lautsprecherklemmenspannung von den Anteilen, die von der Signalspannung herrühren, befreit werden muß. Seit geraumer Zeit ist vorgeschlagen worden /2/, zur Auskopplung der Bewegungsspannung eine

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Brückenschaltung zu verwenden, die im wesentlichen aus den Impedanzen des bewegten und fest gebremsten Lautsprechers besteht. Diese Schaltung hat - so bestechend einfach sie auf den ersten Blick aussieht - den Nachteil, daß auf grund der Niederohmigkeit ihre Verlustleistung relativ hoch ist, und sich deshalb die Genauigkeit der Nachbildung bei hoher Belastung verschlechtert, weil sich das festgebremste System thermisch anders verhält. Andererseits aber ist die richtige Phasenlage der Rückemelüespamimiy Voraussetzung für ein stabiles Verhalten bei den erforderlichen Gegenkopplungsgraden. Hier bereitet die Brückenschaltung Schwierigkeiten, xveshalb sie bislang kaum Anwendung fand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Netzwerk für die Nachbildung des fest gebremsten Lautsprechers zu entwickeln, das lediglich aus Kondensatoren und Widerständen besteht und bis in den Frequenzbereich von ca. 50 kHz die notwendige Genauigkeit besitzt. In Abweichung von der üblichen Technik wird der Lautsprecher in dieser Schaltung (Fig. 2: 1 Addierer, 2 spannungsgesteuerte Stromquelle mit Endverstärker, 3 Lautsprecher, 4 Netzwerke zur Nachbildung des Spannungsabfalles an der Impendanz des fest gebremsten Lautsprechers, 5 Rückmeldeverstärker) mit eingeprägtem Strom - d.h. an einem Endverstärker mit sehr hohem Innenwiderstand - betrieben, um einerseits die Rückwirkung der Schwingspulanverzerrungen /3/ auf den Strom gering zu halten und andererseits bei Zeitmultiplexbetrieb - wie später erläutert die induzierte Bewegungsspannung unbelastet abgreifen zu können. Eine Spannung, dam dem vom Lautsprecher aufgenommenen Strom I proportional ist, wird über das Nachbildungsnetzwerk A'^geführt und von der separat abgegriffenen Lautsprecherklemmenspannung LL. subtrahiert (Fig. 2, Fig. 3a). Man erhält so auf recht einfache Weise die "innere" Induktionsspannung U,, , , „ , ,.

^ ^M der bewegten Membran, dxe

auf andere Weise nicht zu messen ist. Aufbau und Dimensionierung des Nachbildungsnetzwerkes ergibt sich aus folgenden Überlegungen.

Fig. 4a zeigt die typische Ortskurve eines festgebremste_n Lautsprechers. Ihr charakteristischer Verlauf ist im wesentlichen auf die Existens von Wirbelströmen im leitenden Kern- und Magnetmaterial bei wechselstromdurchflossener Spule zurückzuführen.

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Gemäß der Lenzschen Regel schwächen sie das Originalfeld zunehmend mit wachsender Frequenz, wobei die elektrische Energie zusammen mit den Hystereseverlusten im leitenden Material in Wärmeenergie umgesetzt wird /3/. Dieser Sachverhalt kann in einem Ersatzschaltbild nach Fig. 4b dargestellt werden.

Für tiefe Frequenzen sind R^. und L frequenzunabhängig. Bei hohen Frequenzen wird sich aufgrund der Feldverdrängung (Skineffekt) für jede Frequenz f eine andere räumliche Feldverteilung einstellen. Die Flußverkettung mit dem Originalfeld und demzufolge L und R_R werden frequenzabhängig.

Die Impedanz Z_x. läßt sich mit hinreichender Genauigkeit durch ein Netzwerk nach Fig. 4c beschreiben. Für die bisher benutzten Lautsprecher genügten 3 bis 5 Kettenglieder. Dieses Ersatzschaltbild berücksichtigt selbstverständlich keine Nichtlinearitäten. Dazu gehören vor allem Feldverzerrungen bei großer Aussteuerung durch die Hysterese, die Abhängigkeit von der jeweiligen Lage der Schwingspule durch inhomogenen Feldverlauf und Temperatureinfluß.

Die einzelnen Elemente der Nachbildung lassen sich mit geringem mathematischen Aufwand und guter Genauigkeit durch die Antwort des Systems auf ein definieres "Testsignal" bestimmen. Dazu eignet sich z.B. ein Stromsprung, zur Zeit t = O, wobei die abfallend Spannung als Antwort gemessen wird. Aus meßtechnischen Gründen ist es jedoch günstiger, anstelle des einmaligen Sprungs eine Folge von Rechtecksignalen zu verwenden. Die halbe Periodendauer muß dabei so groß gewählt werden, daß die Antwort des Systems in dieser Zeit auf einen vernachlässigbaren Endwert abklingt (Fig. 5a, 5b, 5c). Teilt man nun die Spannungsantwort U (t) in n-Zeitbereiche (n = Anzahl der gewünschten Kettenglieder) mit jeweils 2 Stützwerten auf, so läßt sich die Impedanz Z durch ein zulässiges Näherungsverfahren einfach berechnen /4/.

Der Einsatz von Spulen bei der Nachbildung der Impedanz Z bringt , Nachteile mit sich weil technische Spulen keine reinen Induktivitäten darstellen. Sie beinhalten bereits Verlustwiderstände, die die Nachbildung besonders bei hohen Frequenzen beträchtlich erschweren.

Aus Gründen der schnellen praktischen Realisierbarkeit bei fast idealem Frequenzverhalten und hoher Genauigkeit ist es deshalb besser, Kondensatoren an ihrer Stelle zu verwenden. Prinzipiell ist dies auch in einer Brückenschaltung möglich, wenn man bzw. einen Gyrator benutzt. Die in vieler Hinsicht günstigere Methode wurde bereits in Fig. 2 vorgestellt. Dazu wird ein System A' benötigt, das auf die Eingangsspannung U₁ = I^ · R mit der Ausgangsspannung UL = I_ * Z' antwortet. R ist dabei der Widerstand, über den der Lautsprecherstrom gemessen wird.

Da anstelle der Spulen die Verwendung von Kondensatoren gewünscht ist setzt man eine Dualitätsbeziehung an.

a ·	^Zf	^R1
*^iLf* ²Cf ⁼	R RR₁	^ZCf
^Zf

Für Z_cf ergibt sich eine Kettenschaltung nach Fig. 4d. Die Ersatzgrößen berechnen sich zu:

RR₁ RR₁ L .

η ₌ L ρ = L c =

Co R_Q Ci R_Ki Ki RR₁

Ein Anwendungsbeispiel für einen 13 cm TT ist Fig. 6 zu entnehmen.

Die in der Schwingspule induzierte Bewegungsspannung IL. (Fig. 3a) beinhaltet außer den verzerrungsbedingten Abweichungen vor allem den Anteil, der durch das mechanische Resonanzsystem (Membran nebst Schwingspule, Aufhängung) _uncj angekoppeltem Gehäuse bestimmt wird (Fig. 3b). Dies läßt sich durch einen elektrischen Schwingkreis mit konstantem Verlustwiderstand angeben, solange die frequenzabhängigen Verluste durch Abstrahlung im Bereich der Grundresonanz vernachlässigt werden können. Wenn man daher nur das grundsetzliche Verhalten eines Lautsprechers korrigieren will, bei dem der Einfluß des linearen Masse-Federsystems über die Nichtlinearitäten bei weitem dominiert, genügt es, diesen Anteil durch ein Netzwerk ΑΛ (Fig. 7a: 1 Addierer, 2 spannungstesteuerte

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Stromquelle mit Endverstärker, 3 Lautsprecher, 4 Netzwerk zur Nachbildung des linearen Anteils der Bewegungsspannung, Rückmeldeverstärker) gleicher Güte und Resonanzfrequenz (Fig. 7b) nachzubilden. Falls die Strahlungsimpedanz Z eine Rolle spielt, kann sie gemäß Fig. 7c berücksichtigt werden. Darüber hinaus bringt die elektrische Kompensation des für die Stromeinprägung notwendige. Widerstandes R eine zusätzliche Verbesserung der Wiedergabequalität (Fig. 8). Diese Methode ist besonders für Lautsprecher im Mittel- und Hochtonbereich geeignet, die an sich schon ein gutes Klirrfaktorverhalten zeigen, und bei denen das System den Einflüssen des Lautsprechergehäuses durch Abkapselung entzogen ist. Ein Anwendungsbeispiel für eine Mitteltonkalotte zeigt Fig. 8.

Eine weitere Möglichkeit, die Bewegungsspannung zu gewinnen besteht darin, den Lautsprecher ein Zeitmultiplex sowohl als Sender wie auch als Empfänger zu betreiben /5/. Die Grundidee des Verfahrens besteht darin, daß die Klemmenspannung U_ getastet an den Lautsprecher angelegt wird. Die Tastfrequenz muß außerhalb des Hörbereichs liegen, z.B. 38 kHz. Das Prinzip sei zunächst an einer Spannungsquelle mit rein ohmschem Innenwiderstand erläutert (Fig. 9: 1 lineare Torschaltung, 2 Endverstärker, 3 Spannungsquelle mit ohmschem Widerstand, 4 Tiefpaß).

In der Abschaltphase kann dann die innere Induktionsspannung über einen kleinen Meßwiderstand stromproportional abgetastet werden (Fig. 10a). Da die Impedanz des festgebremsten Lautsprechers jedoch Induktivitäten enthält (Fig. 4c), ergibt sich infolge der gespeicherten induktiven Energie nach Abschalten der Klemmenspannung eine zeitvergrößert abklingende Störspannung, durch dessen Wirkung die Messung der Bewegungsspannung gestört wird (Fig. 10b).

Im Prinzip bewirkt die gespeicherte Blindenergie eine Verminderung der Übersprechdämpfung zwischen dem "Sende- und Empfangskanal". Eine Möglichkeit, das "Übersprechen" zu verbessern, besteht darin, während der Abschaltphase den Abtast-

Zeitpunkt so zu wählen_r daß der störungsärmste Wert der Bewegungsspannung erfaßt wird (Fig. 1Ob). Diese wird dann durch ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter regeneriert. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Maßnahmen zu ergreifen, durch die, trotz der Induktivitäten, der Sendestrom durch "Gegensteuern¹¹ möglichst schnell auf den Wert "Null" abfällt. Dies läßt sich z.B. durch ein Differenzierglied erreichen, das dem Endverstärker vorgeschaltet wird. Besser ist es jedoch, den Lautsprecherstrom mit Hilfe einer spannungsgesteuerten Stromquelle direkt einzuprägen. Dadurch wird zusätzlich erreicht, daß sich die Membran während der Meßphase aufgrund des hohen Innenwiderstandes der Stromquelle elektrisch ungedämpft weiterbewegen kann. Der Vorteil der Zeitmultiplexmethode besteht darin, daß sie sich mit der Methode der Nachbildung der fest— gebremsten Impedanz kombinieren läßt. Ein ausführliches Blockschaltbild, bei dem auf Fig. 2 zurückgegriffen wurde, zeigt Fig. 11: 1 Addierer, 2 lineare Torschaltung, 3 spannungsgesteuerte Stromquelle mit Endverstärker, 4 Lautsprecher, 5 Nachbildungsnetzwerk, 6 idealer Abtaster, 7 Tiefpaß, 8 Rückmeldeverstärker .

Versuche mit bewegungskontrollierten Lautsprechersystemen, sowohl nach der Zeitmultiplexmethode /5/ als auch mit den Methoden nach Fig. 2 und Fig. 7a zeigten, daß die Lautsprechersysteme bei rechteckförmiger Anregung in der Lage waren, rechteckförmige Schalldruckverläufe zu erzeugen. Eine Gegenkopplung im Bereich der Grundresonanz von ca. 14 dB erwieß sich als gut. Dabei sei erwähnt, daß mit den Methoden nach Fig. 2 und 7a stabiler Betrieb bei Gegenkopplungsgraden im Bereich von 40 dB möglich war. Die Methode nach Fig. 2 zeigte, daß ein Tieftonlautsprecher in einem 51-Gehäuse ausgezeichnet linearisiert wird. Selbst bei Schalldrucken von ca. 90 dB (1,2m Entfernung im schalltoten Raum, f=100 Hz) wurden

die Signale klar und frei von Eigenschwingungen der Grundresonanz wiedergegeben. Mit der Methode nach Fig. 7a konnte die Wiedergabequalität einer Mitteltonkalotte bezüglich des übertragungs- und dynamischen Verhaltens erheblich verbessert werden.

Die günstigen Resultate bezüglich der Wiedergabe rechteckförmiger Schalldruckverläufe können bei Lautsprecherboxen mit mehreren Frequenzbereichen naturgemäß nur dann erzielt werden, wenn kleine LautSprechersysterne verwendet und eng benachbart im kleinen Gehäuse angeordnet werden, um ein für alle Frequenzen einheitliches akustisches Zentrum zu wahren. Bezüglich des Tieftonlautsprechers kann aber in diesem Fall nur durch Bewegungsgegenkopplung ein befriedigendes Verhalten erzielt werden. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 12a. Es handelt sich um ein 51-Gehäuse, bei dem das Tieftonsystem in der Gehäuseoberseite angeordnet ist, so daß bei Montage auf der Wand die Spiegelschallquelle mit ausgenutzt wird. Dies bedeutet eine Verdopplung des wirksamen Schalldrucks, wenn der Tieftonlautsprecher einen Abstand von 2d<^/^/4 zur Wand hat. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 12b mit d=6 cm und einer max. Betriebsfrequenz von ca. 450 Hz ist diese Forderung hinreichend erfüllt.

Literatur .-^

/1/ Philips Technik-Praxis; Technik der Lautsprecherbox, 545 Studio MFB-Philips Kontakte Heft 39/1976

/2/ wird noch gereicht

/3/ Feldtkeller, R.: Spulen und übertrager mit Eisenblechkernen, Teil 1, S. Hirzel-Verlag, Stuttgart 1949

/4/ Scherer, P., Dick, B.: Motional Feedback on Dynamic Loudspeaker-Systems, AES-Veröffentlichung voraussichtlich August 1983

/5/ Scherer, P.: Bewegungsgegenkopplung eines dynamischen Lautsprechers im Zeitmultiplex, ICA-Vortrag, Paris, 2o. Juli 1983

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Claims

Patentansprüche

Einrichtung zur Gewinnung der Bewegungsspannung eines dynamischen Lautsprechers aus der Nachbildung seiner Impedanz, dadurch gekennzeichnet, daß das wiederzugebende elektrische· Signal zur Verminderung der Verzerrung und zur Vermeidung unnötiger Belastung der Bewegungsspannung dem Lautsprecher als eingeprägter Strom zugeführt wird, daß mit Hilfe eines Netzwerkes, bestehend aus Kondensatoren, Widerständen und Operationsverstärkern, welches mit hoher Genauigkeit den Spannungsabfall an der Impedanz des festgebremsten Lautsprechers bis zu Frequenzen von ca. 50 kHz zur Gewährleistung einer sicheren Stabilität nachbildet, und nachfolgendem Addieren, dem eine dem Lautsprecher proportionale Spannung sowie die Lautsprecherklemmenspannung zugeführt wird, die Bewegungsspannung des Lautsprechers gewonnen und bezüglich der Signalspannung, gegengekoppelt wird.
2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Teil der Bewegungsspannung, der durch das Feder-Massesystem der mechanischen Seite bestimmt wird, durch ein Netzwerk gleicher Resonanzfrequenz und Güte nachgebildet wird, dem eine dem Lautspecherstrom proportionale Spannung zugeführt wird, an dessen Ausgang eine Spannung zur Verfügung steht, die bezüglich der Signalspannung gegengekoppelt werden kann, wobei es zusätzlich erforderlich ist, den zur Stromeinprägung notwendigen Widerstand durch Strommitkopplung zu kompensieren.
3.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Lautsprecher eingeprägte Signalstrom mit einer Frequenz oberhalb des Hörbereiches getastet wird, und in den

-JL-

Abschaltphasen zu geeigneten Zeitpunkten die Bewegungsspannung an den Lautsprecherklemmen abgetastet und durch einen nachgeschalteten Tiefpaß regeneriert wird, wobei durch ein Nachbildungsnetzwerk zusätzlich dafür gesorgt wird, daß die durch die Impedanz des festgebremsten Lautsprechers bewirkte Storspannung eleminiert wird.
4.) Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Gegenkopplung kleine Tief- und Mitteltonlautsprecher verwendet werden können, um ein kleines akustisches Zentrum zu erhalten, durch das die Abstrahlung rechteckförmiger Schalldruckverläufe nach allen Seiten bis zu Frequenzen von ca. 3 kHz möglich wird, durch Anordnung des Tieftonlautsprechers an der Stirnseite dafür gesorgt wird, daß die Spiegelschaltquelle des Tieftonlautsprechers bei Wandmontage des Gehäuses zur Abstrahlung mitverwendet wird.