DE3501316A1

DE3501316A1 - Schallwiedergabeeinrichtung

Info

Publication number: DE3501316A1
Application number: DE19853501316
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: KIRKSAETER VERTRIEB
Current assignee: KIRKSAETER VERTRIEB
Priority date: 1984-01-25
Filing date: 1985-01-16
Publication date: 1985-07-25
Also published as: NO172469C; DE8500993U1; NO172469B; GB8501867D0; GB2157914A; NO840271L

Description

Kirksaeter Vertriebs-GmbH & Co. KG
Niederrheinstraße 181
4000 Düsseldorf 30

Vertreter:

Kohler-Schwindling-Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 41
7000 Stuttgart 1

Schallwiedergabeeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Schallwiedergabeeinrichtung mit einem Verstärker und einem Lautsprecher, der mindestens ein erstes, elektrisch-mechanisches Wandlersystem zum Umwandeln ankommender elektrischer Verstärkersignale in mechanische Schwingungen und mindestens ein Abstrahlsystem zum Übertragen der mechanischen Schwingungen auf die den Lautsprecher umgebende Luft aufweist, wobei ferner ein zweites, mechanisch-elektrisches Wandlersystem vorgesehen ist, das mit dem

Abstrahlsystem zusammenarbeitet und dessen Ausgangssignal einer Rückkopplungsstufe des Verstärkers zugeführt wird.

Eine derartige Schallwiedergabeeinrichtung ist aus der DE-AS 11 83 133 bekannt.

Bei Schallwiedergabeeinrichtungen, insbesondere Musikanlagen, sind die Lautsprecher das letzte Glied der Übertragungskette. Die Technik derartiger Anlagen hat sich in den letzten zehn Jahren beachtlich weiterentwickelt, und die Qualität einer handelsüblichen mittelguten Anlage für den Hausgebrauch entspricht heute derjenigen der teuersten professionellen Anlagen für Film und Rundfunk, wie sie vor zehn Jahren üblich waren. Der Qualitätsunterschied entspricht etwa demjenigen eines zehn Jahre alten Tonbandgerätes verglichen mit einem compact-disc-Plattenspieler modemster Bauweise.

Es haben sich jedoch nicht nur die Aufnahme- und die Wiedergabetechnik, sondern auch die Verstärkertechnik weiterentwickelt. Die Lautsprecher als letztes Glied der Übertragungskette haben zwar ebenfalls eine gewisse Weiterentwicklung erfahren, insbesondere lagen die Neuerungen auf dem Gebiet der Auswahl besserer Materialien und einer erhöhten Produktionsqualität. Im Prinzip ist die Grundstruktur des Lautsprechers jedoch in den letzten zehn Jahren unverändert geblieben, so daß Verbesserungen besonders dringlich sind, weil angesichts der rapide fortgeschrittenen Technik der Aufnahme und Wiedergabe nunmehr die Lautsprecher immer mehr die Qualität des Gesamtsystem begrenzen.

Zwar hat es an Vorschlägen, wie man die Wiedergabequalität eines Lautsprechers verbessern könne, in der letzten Zeit nicht gemangelt, doch hat sich keines der vorgeschlagenen neuen Systeme durchsetzen können. Beispielsweise behielt auch die alte Regel, daß die Qualität der Musikübertragung bei entsprechender Qualität der eingebauten Lautsprecher umso besser ist, je größer das Gehäuse ist, ihre Gültigkeit. Der Gehäusegröße sind jedoch durch die praktischen Aufstellbedingungen im Wohnbereich natürliche Grenzen gesetzt.

Lautsprecher haben bekanntlich nur einen sehr kleinen elektrischen Wirkungsgrad. Man muß daher diese Schwäche der Lautsprecher durch entsprechende Verstärkerleistung kompensieren. Wenn nämlich die zugeführten Impulse der Musiksignale nicht im richtigen Verhältnis zueinander wiedergegeben werden, klingt die Musik leblos und hat nicht die Tiefe und Klarheit der Instrumente, die man bei einer Orchsteraufführung im Konzertsaal wahrnehmen kann.

Die Impedanz eines Lautsprechers beträgt üblicherweise 4 Ohm oder 8 Ohm. Bei einer Verstärkerleistung von beispielsweise 100 W erreicht der Strom, der durch die Lautsprecher-Zuleitungen fließt, daher beträchtliche Strom-Impulswerte.

Um einen optimalen Stereo-Effekt zu erreichen, sollte der Abstand zwischen den Lautsprecherboxen ungefähr genau so groß sein wie der Abstand des Hörers von jeder einzelnen Lautsprecherbox (gleichschenkliges Dreieck), was jedoch normalerweise mit den Wohngegebenheiten nicht übereinstimmt, bei denen in der Regel der Abstand zwischen den Lautsprecherboxen größer ist. Demzufolge fallen die Verbindungskabel zwischen dem Verstärker und den Lautsprecherboxen meist sehr

lang aus. Dies iührt zwar auch zu ohm'sehen Leitungsverlusten, besonders slörend im hier vorliegenden Zusammenhang sind jedoch die sich aufgrund der Kabellänge einstellenden Kabelinduktivitäten und -kapazitäten, die zu Wiedergabeverfälschungen führer..

Diese komplexe Last wirkt nämlich destabilisierend auf den Verstärker und verfälscht das Klangbild bei der Wiedergabe. Insbesondere wird das Klangbild hart und komprimiert statt weich und luftig.

Aus diesem Grunde ist bereits vorgeschlagen worden, den Stereo-Endverstärker aus der eigentlichen Musikanlage herauszulösen und als zwei getrennte Monoverstärker in die beiden Lautsprecherboxengehäuse zu integrieren. Auf diese ^ Weise stören die langen Verbindungskabel zwischen der eigentlichen Musikanlage und den nun aktiven Lautsprecherboxen nicht. Die Kabelführung innerhalb des Gehäuses ist in diesem Falle so kurz, daß sie vernachlässigt werden kann.

Es liegt jedoch auf der Hand, daß zwei getrennte Monoverstärker teuerer sind als ein gemeinsamer Stereoverstärker, und im übrigen benötigt jeder Monoverstärker in jeder Lautsprecherbox sein eigenes Netzteil mit entsprechender Versorgung. Manche modernen Aktivboxensysteme weisen zwei oder drei Leistungsverstärker mit vorgeschaltetem elektronischem Filter auf, woraus sofort ersichtlich wird, daß erheblich erhöhte Kosten entstehen, die in einem durchaus fraglichen Verhältnis zur erzielbaren Qualitätsverbesserung stehen.

Es ist weiterhin vorgeschlagen worden, eine aktive Rückkopplung, und zwar eine Gegenkopplung, zu verwenden, und dabei ein Signal aus dem Lautsprecher einer Gegenkopplungsstufe des Verstärkers zuzuführen. Auf diese Weise kann man den Amplitudenverlauf über der Frequenz, den sog. Frequenzgang, linearisieren, wobei die Geschwindigkeit des Gegenkopplungs-Regelkreises sehr viel höher ist, als dies vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden könnte.

Zur Erzeugung eines Gegenkopplungssignales ist es aus der DE-OS 22 35 664 bekannt, einen Serienwiderstand im elektrisch/mechanischen Wandlersystem des Lautsprechers vorzusehen, beispielsweise einen Widerstand von 0,1 Ohm. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand kann als Gegenkopplungssignal herangezogen werden, gibt jedoch nur eine sehr unzureichende Information, weil lediglich der in den Lautsprecher fließende Strom, nicht jedoch die Bewegung des Abstrahlsystems erfaßt wird.

Es ist weiterhin in der eingangs genannten DE-AS 11 83 133 vorgeschlagen worden, eine Hilfsspule mit dem Abstrahlsystem zusammenarbeiten zu lassen, wobei der Hilfsspule ein getrenntes Magnetsystem zugeordnet war.

Ein Nachteil dieser bekannten Lösung ist jedoch, daß auch Hilfsspulen mit Magnetsystem erhebliche Nichtlinearitäten aufweisen, so daß diese Nichtlinearitäten statt zu einer Verbesserung der Ubertragungseigenschaften vielmehr zu weiteren Verzerrungen führen können.

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Insgesamt ist es bei den seither bekannt gewordenen Schallwiedergabeeinrichtungen nicht gelungen, ein der Lautsprecherfunktion exakt entsprechendes Signal zu erzeugen, das die Aufbaugeschwindigkeit des. Schalls, dessen Frequenzen und Phasenlage sowie mögliche nichtlineare Bewegungen des Abstrahlsystems erfaßt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schallwiedergabeeinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die vorstehend genannten Ziele erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zweite Wandlersystem als schalldichte Kapsel ausgebildet ist, die einen Schwingungsaufnehmer umschließt und mechanisch mit dem Abstrahlsystem verbunden ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird damit vollkommen gelöst, weil die erfindungsgemäße Schallwiedergabeeinrichtung die vorstehend genannten Ziele erreicht. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß die Wiedergabeeigenschaften der erfindungsgemäßen Schallwiedergabeeinrichtung deutlich besser als bei bekannten Einrichtungen sind, außerdem erfordert die Erfindung nur leicht herzustellende Komponenten, die darüber hinaus auch bequem justiert werden können.

Die wesentliche Verbesserung der Wiedergabeeigenschaften liegt vermutlich im wesentlichen daran, daß nicht nur die Auslenkungsamplitude der Abstrahleinrichtung, sondern auch deren Körperschall erfaßt werden. Da die Kapsel direkt mechanisch mit dem Abstrahlsystem verbunden ist, enthält das Ausgangssignal des Schwingungsaufnehmers ausschließlich

durch die Bewegung des Abstrahlsystems verursachte Signale. Aufgrund der Schalldichtheit der Kapsel beeinflussen die vom Abstrahlsystem an die umgebende Luft übertragenen mechanischen Schallschwingungen den- Schwingungsaufnehmer hingegen nicht. Wegen der starren mechanischen Befestigung der Kapsel am Abstrahlsystem bewegt sich überdies die Kapsel vollkommen synchron mit dem Abstrahlsystem.

Das Ausgangssignal des Schwingungsaufnehmers ist daher repräsentativ für die Amplitude und Phase der Bewegung des Abstrahlsystems.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Abstrahlsystem eine konische Membran mit einem Hals an der Spitze des Konus auf und die Kapsel ist am Hals befestigt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß zum einen die Kapsel an einer mechanisch besonders stabilen Stelle des Abstrahlsystems befestigt ist, zum anderen werden aber auch Nichtlinear itäten des Abstrahlsystems selbst bei konischen Membranen, vor allem im Bereich von deren Hals erfaßt, weil der Hals u.U. nicht exakt in axialer Richtung schwingt, sondern seine Bewegung auch radiale Komponenten haben kann. Auch diese Art von Nichtlinearitäten des Abstrahlsystems können bei dieser Ausführungsform der Erfindung daher erkannt und entsprechend kompensiert werden.

Bei weiteren Ausgestaltungen der Erfindung kann die Amplitude oder die Phase des Ausgangssignales des Schwingungsaufnehmers in dem Verstärker auf eine Frequenzganz-Kompensationsstufe und/oder eine Phasengang-Kompensationsstufe einwirken.

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Auf diese Weise können Nichtlinearitäten der Amplitude über der Frequenz oder aber der Phase kompensiert werden.

Besonders vorteilhaft kann eine Phasengang-Kompensation bei solchen Lautsprechern verwendet werden, die mehrere Abstrahlsysteme und Wandlersysteme aufweisen, weil erfahrungsgmäß die mehreren Abstrahlsysteme derartiger Mehrwegeboxen nicht in Phase sind und somit Klangverfälschungen produzieren. Erfaßt man hingegen jede einzelne Phase jedes Abstrahlsystems, kann durch entsprechende Beeinflussung jedes einzelnen Abstrahlsystems ein völlig synchrones Schwingen der mehreren Abstrahlsysteme gewährleistet werden, so daß bei einem kompletten Klangbild die in den mehreren Abstrahlsystemen wiedergegebenen Frequenzen im Überlappungsbereich der Einzelfrequenzgänge der Abstrahlsysteme phasensynchron wiedergegeben werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dem Schwingungsaufnehmer ein Impedanzwandler und/oder ein Verstärker mit niederohmigem Ausgang nachgeschaltet, vorzugsweise befinden sich der Impedanzwandler und/oder der Verstärker ebenfalls in der Kapsel.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine niederohmige und damit störungsarme Signalverarbeitung möglich ist, wobei die Nähe der aktiven Elemente zum Schwingungsaufnehmer eine weitere Miminierung an Störungen ergibt.

Stellt man in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Kapsel aus Metall her, kann diese entweder zur weiteren Abschirmung gegen Störungen geerdet sein, sie kann jedoch auch gegenüber einem geerdeten Lautsprecherchassis auf einem Bezugspotential liegen und die Signalspannung führen.

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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Schwingungsaufnehmer eine Elektret-Mikrophonkapsel.

Diese Maßnahme hat den besonderen Vorteil, daß ein besonders leichtgewichtiger Schwingungsaufnehmer entsteht, wie er heutzutage als Serienprodukt für Mikrophone in hoher Qualität bei minimalem Gewicht zur Verfügung steht. Da es bei der Erfindung naturgemäß darauf ankommt, daß das Eigengewicht der Kapsel wesentlich geringer ist als das Gewicht des Abstrahlsystems selbst, erweist sich diese Ausführungsform als besonders vorteilhaft, weil bekanntlich Elektret-Mikrophonkapseln nicht nur sehr leicht sind, sondern auch einen extrem linearen Frequenzgang im hier interessierenden Frequenzbereich haben.

Schließlich kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Kapsel mit einer definierten Öffnung versehen sein, um ein frequenzabhängiges Zusatzsignal oder einen Signalbereich zu bekommen, der zur Servosteuerung der Resonanzdämpfung dienen kann.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lautsprechers, teilweise im Schnitt, wie er für eine erfindungsgemäße Schallwiedergabeeinrichtung verwendet werden kann;

Pig. 2

und 3 ein sinusähnliches Signal zur Erläuterung der Wirkung der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Pig. 1 veranschaulicht die erfindungsgemäße Schallwiederga-"beeinrichtung anhand eines elektrodynamischen Lautsprechers, es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch bei anderen Lautsprechersystemen anwendbar ist. Das Magnetsystem besteht aus einem torusförmigen Permanentmagneten 2 mit einer Polplatte 1 und einem Kern 11. Im Luftspalt zwischen dem Kern 11 und der Polplatte 1 kann sich eine Schwingspule 3 bewegen, die auf einen zylindrischen Spulenhalter gewickelt ist, der seinerseits am Hals einer Membran 6 befestigt ist. Im Bereich des Halses ist die Membran 6 mittels einer Zentriermembran 5 an einem üblicherweise metallischen Korb 4 befestigt.

Eine luftdichte Kapsel 7 ist im Bereich des Halses der Membran 6 mit diesem fest verbunden, beispielsweise angeklebt, aufgenietet oder dergleichen. Der Hals ist nämlich der steifste Teil der Membran 6 und die Kapsel 7 wird zweckmäßigerweise im Bereich des Halses befestigt. Er kann jedoch grundsätzlich auch an anderer Stelle der Membran 6 befestigt sein.

Im Inneren der schalldichten Kapsel 7 erkennt man eine Mikrophonkapsel 8, die vorzugsweise eine Elektret-Mikrophonkapsel ist. Der Mikrophonkapsel 8 ist unmittelbar ein Verstärker 9 mit Impedanzwandler nachgeschaltet. Außerdem erkennt man im Inneren der luftdichten Kapsel 7 eine Mikrophon-Membran 10.

Wenn die Membran 6 sich bewegt, wird die Mikrophon-Membran
10 nicht von den von der Membran 6 abgestrahlten Schallwellen beeinflußt, weil die Kapsel 7 - wie erwähnt - schalldicht ist. Die Bewegungen der- Membran 6 versetzen hingegen die Kapsel 7 in absolut synchrone Bewegungen, die auf die Mikrophon-Membran 10 übertragen werden, so daß die Mikrophonkapsel 8 ein mit der Bewegung der Membran 6 absolut synchrones Signal erzeugt.

Das Ausgangesignal der Mikrophonkapsel 8 wird nun einem in Fig. 1 nicht dargestellten Verstärker zugeführt, der eine Gegenkopplungsstufe aufweist.

Normalerweise nimmt die akustische Ausgangsleistung eines Lautsprechers mit der Frequenz zu. Aufgrund des vorstehend geschilderten Mechanismus¹ verändert sich die von der Mikrophonkapsel 8 abgegebene Signalspannung in entsprechender Weise. Wird nun dieses frequenzabhängige Signal der Gegenkopplungsstufe des Verstärkers zugeführt, wird der Frequenzgang des Lautsprechers insgesamt linearisiert.

Das Ausgangssignal der Mikrophonkapsel 8 kann auch einem Komparator zugeführt zu werden, in dem es mit dem Verstärker-Ausgangssignal verglichen wird, und zwar hinsichtlich des Frequenzganges, der Anstiegsgeschwindigkeit bei Impulsbelastung und der Phase.

Durch eine entsprechende Regelung können dann ein nichtlinearer Frequenz- oder Phasengang, aber auch Eigenfehler des Abstrahlsystems, beispielsweise durch Schwingungen des Membranhalses in radialer statt axialer Richtung, kompensiert werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können Regelkreise verwendet werden, deren Regelgeschwindigkeit so groß ist, daß die Nachstellung des Verstärker-Ausgangssignales vom menschlichen Ohr nicht mehr wahrgenommen wird.

"Befindet sich beispielsweise die Membran 6 in Ruhe und gelangt ein sinusförmiges Signal hoher Amplitude auf die ruhende Membran 6, wird sich ein Amplitudenverlauf gemäß Pig. 2 einstellen, wobei die erste Halbschwingungsauslenkung-Auslenkung der Membran 6 aus der Ruhelage verlangsamt erfolgt und erst ab der zweiten Halbschwingung die periodische Schwingung der Membran 6 in voller Spitzenamplitude auftritt.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird dies vermieden, weil bereits im ersten Anstiegsbereich der oberen Halbschwingung gemäß Fig. 2 erkannt wird, daß die Auslenkung der Kapsel 7, die repräsentativ für die Auslenkung der Membran 6 ist, gegenüber dem zugehörigen elektrischen Ansteuersignal nacheilt. Der Regelkreis wird nun dafür sorgen, daß die Auslenkung der Membran zusätzlich beschleunigt wird, bis die Regelung feststellt, daß die Membran jetzt schneller ausgelenkt wird, als dies der Anstiegsgeschwindigkeit des Ansteuersignales entspricht. Über die Regelung kann nun die Auslenkung der Membran wieder vermindert werden, so daß im Mittel Regelspiele um den Sollverlauf auftreten, wie sie in Pig. 3 angedeutet sind. Man erkennt in Fig. 3 auch, daß die Regelgeschwindigkeit so groß ist, daß ihre Frequenz um Größenordnungen oberhalb der Audiofrequenz liegt, so daß sie vom menschlichen Ohr nicht mehr wahrgenommen wird.

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Claims

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Patentansprüche

Schallwiedergabeeinrich-tung mit einem Verstärker und einem Lautsprecher, der mindestens ein erstes, elektrisch-mechanisches Wandlersystem zum Umwandeln ankommender elektrischer Verstärkersignale in mechanische Schwingungen und mindestens ein Abstrahlsystem zum Übertragen der mechanischen Schwingungen* auf die den Lautsprecher umgebende Luft aufweist, wobei ferner ein zweites, mechanisch-elektrisches Wandlersystem vorgesehen ist, das mit dem Abstrahlsystem zusammenarbeitet und dessen Ausgangssignal einer Rückkopplungsstufe des Verstärkers zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, < daß das zweite Wandlersystem als schalldichte Kapsel ^ (7) ausgebildet ist, die einen Schwingungsaufnehmer umschließt und mechanisch mit dem Abstrahlsystem verbunden ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstrahlsystem eine konische Membran (6) mit einem Hals an der Spitze des Konus ist und daß die Kapsel (7) am Hals befestigt ist.
3· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Wandlersystem ein elektrodynamisches System ist, wobei sich der Hals in einen zylindrischen Spulenkörper fortsetzt, dessen Schwingspule (3) mit einem Permanentmagnet (1, 2) zusammenarbeitet.

'■ν
4· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Ausgangssignales des Schwingungsaufnehmers in dem Verstärker auf eine Frequenzgang-Kompensationsstufe einwirkt.
5· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase des Ausgangssignales des Schwingungsaufnehmers in dem Verstärker auf eine Phasengang-Kompensationsstufe einwirkt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lautsprecher mehrere Abstrahlsysteme und erste Wandlersystme aufweist und daß der Verstärker mehrere Phasengang-Kompensationsstufen zum Anpassen der Phasengänge der mehreren Abstrahl- und Wandlersysteme aneinander aufweist.
7» Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schwingungsaufnehmer ein Impedanzwandler und/oder ein Verstärker mit niederohmigem Ausgang nachgeschaltet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler und/oder Verstärker ebenfalls in der Kapsel (7) enthalten sind.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (7) aus Metall besteht und geerdet ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (7) aus Metall besteht und gegenüber einem geerdeten Chassis des Lautsprechers auf einem vorbestimmten Potential liegt.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß der Schwingungsaufnehmer eine Elektret-Mikrophonkapsel (8) aufweist.

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12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (7) mit einer definierten Öffnung versehen ist.