DE3326494C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gegenkopplung der Bewegungsspannung eines dynamischen Lautsprechers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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 Laufzeitunterschieden eng benachbart eingebaut werden müssen, was im allgemeinen zu kleinen Lautsprechergehäusen führt. Wegen der erforderlichen Volumenschnelle des Tieftonlautsprechers wird daher die Kontrolle 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 selbst zur Rückkopplung 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 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 aufgrund 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 Rückmeldespannung Voraussetzung für ein stabiles Verhalten bei den erforderlichen Gegenkopplungsgraden. Hier bereitet die Brückenschaltung Schwierigkeiten, weshalb sie bislang kaum Anwendung fand.

Es ist auch vorgeschlagen worden, mit Begrenzung der Signalrückführung auf einen engen Frequenzbereich um die Lautsprechergrundresonanz durch Tiefpaßfilterung /3/ die Stabilität ohne besondere Abgleichmaßnahmen zu garantieren. Wegen der durch die Filterung bedingten Phasendrehungen werden die Stabilitätsprobleme jedoch nicht geringer. Bei Benutzung von Mitkopplung /3/ im Bereich der Lautsprechergrundresonanz steigen darüber hinaus die dort ohnehin großen Verzerrungen beträchtlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Maßnahmen zu erarbeiten, durch die das bekannte Verfahren der Bewegungsgegenkopplung mit der erforderlichen Stabilität während des Betriebs benutzt werden kann. Große Stabilitätsanforderungen sind sowohl hinsichtlich der Genauigkeit der Impedanznachbildung der festgebremsten Schwingspule bis zu hohen Frequenzen (50 kHz) als auch hinsichtlich der Änderung ihrer Werte infolge der Erwärmung während des Betriebs zu stellen. Außerdem ist durch zusätzliche Maßnahmen dafür zu sorgen, daß die akustische Größe - z. B. die Schnelle - besser durch den Lautsprecherstrom kontrolliert wird, als es üblicherweise bei Ansteuerung mit eingeprägter Spannung geschieht, wobei jedoch das durch übliche Stromprägung bedingte schlechte Einschwingverhalten bei der Lautsprechergrundresonanz unbedingt vermieden werden muß.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst. Ausführungsarten der Erfindung sowie eine Lautsprecheranordnung mit Anwendung der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4.

Es wurde eine Nachbildung der festgebremsten Schwingspule entwickelt, die lediglich aus Kondensatoren und Widerständen besteht und mit einer von der üblichen Technik abweichenden Art Stromprägeschaltung (Fig. 2: 1 Addierer, 2 spannungsgesteuerte Stromquellen mit Endverstärkern, 3 Lautsprecher, 4 Netzwerke zur Nachbildung des Spannungsabfalls an der Impedanz des fest gebremsten Lautsprechers, 5 Rückmeldeverstärker) - d. h. an einem Endverstärker mit sehr hohem Innenwiderstand - betrieben wird. Dadurch wird einerseits die Rückwirkung der Schwingspulenverzerrungen /4/ auf den Strom gering gehalten und andererseits läßt sich bei Zeitmultiplexbetrieb - wie später erläutert - die induzierte Bewegungsspannung unbelastet abgreifen. Eine Spannung, die dem vom Lautsprecher aufgenommenen Strom I_L proportional ist, wird über das Nachbildungsnetzwerk A′_F geführt und von der separat abgegriffenen Lautsprecherklemmenspannung U_L subtrahiert (Fig. 2, Fig. 3A). Man erhält so auf recht einfache Weise die "innere" Induktionsspannung U_M der bewegten Membran, die auf andere Weise nicht zu erhalten ist. Aufbau und Dimensionierung des Nachbildungsnetzwerkes ergeben sich aus den folgenden Überlegungen.

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

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 /4/. Dieser Sachverhalt kann in einem Ersatzschaltbild nach Fig. 4B dargestellt werden.

Für steigende Frequenzen werden R_K und L_K zunehmend frequenzabhängig. 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_K und R_K werden frequenzabhängig.

Die Impedanz Z_F 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 definiertes "Testsignal" bestimmen. Dazu eignet sich z. B. ein Stromsprung zur Zeit t=0, wobei die abfallende 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_K(t) in n-Zeitbereiche (n = Anzahl der gewünschten Kettenglieder) mit jeweils 2 Stützwerten auf, so läßt sich die Impedanz Z_F durch ein zulässiges Näherungsverfahren einfach berechnen /5/.

Der Einsatz von Spulen bei der Nachbildung der Impedanz Z_F 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 und wegen ihres fast idealen Frequenzverhaltens und ihrer hohen Genauigkeit ist es deshalb besser, Kondensatoren zu verwenden. Prinzipiell ist dies auch in einer Brückenschaltung möglich, wenn man z. B. einen Gyrator benutzt.

Die jedoch in vieler Hinsicht günstigere Methode wird in Fig. 2 vorgestellt. Dazu wird ein System A′_F benötigt, das auf die Eingangsspannung U₁=I_LR mit der Ausgangsspannung U′_f=I_LZ_F 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.

Für Z_CF ergibt sich eine Kettenschaltung nach Fig. 4D.

Die Ersatzgrößen berechnen sich zu:

Ein Anwendungsbeispiel für einen Lautsprecher mit 13 cm ⌀ - Membran und einer Schwingspule mit 25 mm ⌀ ist Fig. 6 zu entnehmen.

Die in der Schwingspule induzierte Bewegungsspannung U_M (Fig. 3A) beinhaltet außer den verzerrungsbedingten Abweichungen vor allem den Anteil, der durch das mechanische Resonanzsystem (Membran nebst Schwingspule, Aufhängung) und dem angekoppelten 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 grundsätzliche 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 A_M′ (Fig. 7A: 1 Addierer, 2 spannungsgesteuerte Stromquelle mit Endverstärker, 3 Lautsprecher, 4 Netzwerk zur Nachbildung des linearen Anteils der Bewegungsspannung, 5 Rückmeldeverstärker) gleicher Güte und Resonanzfrequenz (Fig. 7B) nachzubilden. Falls die Strahlungsimpedanz Z_S eine Rolle spielt, kann sie gemäß Fig. 7C berücksichtigt werden. Darüber hinaus bringt die elektrische Kompensation des für die Stromeinprägung notwendigen 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 im Zeitmultiplex sowohl als Sender und auch als Empfänger zu betreiben /6/. Die Grundidee des Verfahrens besteht darin, daß die Klemmenspannung U_L getastet an den Lautsprecher angelegt wird. Die Tastfrequenz muß mindestens zweifach oberhalb des Hörbereichs liegen, z. B. bei 38 kHz. Das Prinzip sei zunächst an einer Spannungsquelle mit rein ohmschen Innenwiderstand erläutert (Fig. 9: 1 lineare Torschaltung, 2 Endverstärker, 3 Spannungsquelle mit ohmschen Widerstand, 4 Tiefpaß).

In der Abschaltphase kann dann die innere Induktionsspannung über einen kleinen Meßwiderstand stromproportional abgetastet werden (Fig. 10A). Da die Impedanz des fest gebremsten Lautsprechers jedoch Induktivitäten enthält (Fig. 4C), ergibt sich infolge der gespeicherten induktiven Energie nach Abschalten der Klemmenspannung eine zeitvergrößert abklingende Störspannung, durch deren 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 Abtastzeitpunkt so zu wählen, daß der störungsärmste Wert der Bewegungsspannung erfaßt wird (Fig. 10B). Die abgetastete Signalfunktion wird dann durch ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter regeneriert. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Maßnahmen zu ergreifen, durch die - trotz der Induktivitäten - der Sendestrom durch "Gegensteuern" 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 weiter bewegen kann. Der Vorteil der Zeitmultiplexmethode besteht darin, daß sie sich mit der Methode der Nachbildung der festgebremsten 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.

Versuche mit bewegungskontrollierten Lautsprechersystemen, sowohl nach der Zeitmultiplexmethode /6/ als auch mit den Methoden nach Fig. 2 und Fig. 7A zeigten, daß die Lautsprechersysteme bei dreieckförmiger Anregung in der Lage waren, dreieckförmige Schalldruckverläufe zu erzeugen. Eine Gegenkopplung im Bereich der Grundresonanz von ca. 14 dB erwies sich als gut. Dabei sei erwähnt, daß mit den Methoden nach Fig. 2 und 7A stabiler Betrieb bei Gegenkopplungsgraden bis zu 40 dB möglich ist. Die Methode nach Fig. 2 zeigte, daß ein Tieftonlautsprecher in einem 5-l-Gehäuse ausgezeichnet linearisiert wird. Selbst bei Schalldrucken von ca. 90 dB und mehr (1,2 m 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 dreieck- und rechteckförmiger Schalldruckverläufe können bei Lautsprecherboxen mit mehreren Frequenzbereichen naturgemäß nur dann erzielt werden, wenn kleine Lautsprechersysteme verwendet und eng benachbart im kleinen Gehäuse angeordnet werden, um ein für alle Frequenzen einheitliches akustisches Zentrum zu erzielen. Bezüglich des Tieftonlautsprechers kann aber in diesem Fall nur durch Bewegungsgegenkopplung ein befriedigendes Verhalten bezüglich seiner Verzerrungen und seines Ausschwingverhaltens erzielt werden. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 12A. Es handelt sich um ein 5-l-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 2 d < λ/4 zur Wand hat. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 12B mit l=6 cm und einer maximalen Betriebsfrequenz von ca. 450 Hz ist diese Forderung hinreichend erfüllt /5/.

Literatur

/1/ Journal Audio Eng. Soc., Vol. 33, Nr. 6, 1985, S. 430-435;
/2/ Holle, W., Gegenkopplung an Lautsprechern, Funktechnik Nr. 18 (1952), S. 490-492;
/3/ Auslegeschrift DE-AS 24 20 689 deutsches Patentamt;
/4/ Feldtkeller, R., Spulen und Übertrager mit Eisenblechkerne, Teil 1, S. Hirzel-Verlag, Stuttgart 1949;
/5/ Scherer, P., Dick, B., Controlling the Sound Pressure by Controlling the Movement of the Diaphragm, 77th AES Convention, 1985, Hamburg;
/6/ Scherer, P., Bewegungsgegenkopplung eines dynamischen Lautsprechers im Zeitmultiplex, ICA-Vortrag, Paris, 20. Juli 1983, S. 117-120.

Claims (4)

1. Verfahren zur Gegenkopplung der Bewegungsspannung eines dynamischen Lautsprechers bezüglich der Signalspannung, bei dem die der Bewegung der Schwingspule des dynamischen Lautsprechers proportionale Spannung (Bewegungsspannung) mit Hilfe eines elektrischen Netzwerks gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das wiederzugebende elektrische Signal dem Lautsprecher als eingeprägter Strom zugeführt wird, daß eine dem Lautsprecherstrom proportionale Spannung einem Netzwerk zugeführt wird, das aus Kondensatoren, Widerständen und Operationsverstärkern besteht und an seinem Ausgang eine Spannung liefert, die aus Stabilitätsgründen selbst bis zu hohen Frequenzen (50 kHz) dem Spannungsabfall an der festgebremsten Lautsprecherimpedanz proportional ist, daß durch geeignete Differenzbildung zwischen dieser Spannung und der Lautsprecherklemmenspannung die Bewegungsspannung gebildet wird, die unmittelbar zur Bewegungsgegenkopplung verwendet werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der zum eingeprägten Strom proportionalen Spannung mittels eines in seinen Stromkreis geschalteten Widerstandes erfolgt, dessen Wirkung durch Strommitkopplung bezüglich der Signalspannung kompensiert werden kann und daß darüber hinaus aus der dem Lautsprecherstrom proportionalen Spannung in einem Netzwerk, das mittels Kondensatoren, Widerständen und eines Operationsverstärkers einen Schwingkreis simuliert, der bezüglich seiner Güte und Resonanzfrequenz dem Federmassesystem des Lautsprechers entspricht, eine Spannung erzeugt wird, die dem Spannungsabfall am analogen Schwingkreis des Federmassesystems entspricht und die direkt in einer Gegenkopplungsschaltung zur Bewegungsgegenkopplung herangezogen werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Lautsprecher eingeprägte Signalstrom mit einer Frequenz oberhalb des Hörbereiches getastet wird und in den 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 Störspannung eliminiert wird.

4. Lautsprecheranordnung mit Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Gegenkopplung kleine Tief- und Mitteltonlautsprecher bei geringem gegenseitigen Abstand verwendet werden können, um ein kleines akustisches Zentrum zu erhalten, durch das die getreue Abstrahlung harmonischer Schalldruckverläufe nach allen Seiten bis zu Frequenzen von ca. 3 kHz möglich wird, daß durch Anordnung des Tieftonlautsprechers an der Stirnseite des Gehäuses dafür gesorgt wird, daß die Spiegelschallquelle des Tieftonlautsprechers bei Wandmontage des Gehäuses zur Abstrahlung mitverwendet wird.