DE3854602T2

DE3854602T2 - Akustischer Apparat.

Info

Publication number: DE3854602T2
Application number: DE3854602T
Authority: DE
Inventors: Kenji Yokoyama
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2008-12-17
Also published as: JP2701279B2; EP0322679A2; EP0322679B1; DE3854602D1; US4989187A; JPH01302998A; EP0322679A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schallapparat bzw. eine Akustikvorrichtung unter Verwendung eines Resonanzkörpers bzw. Resonators, wie beispielsweise eines akustischen Abstrahlgliedes.

Beschreibung des Standes der Technik

Bei einer Akustikvorrichtung wird ein Resonanzphänomen in einer Vielzahl von Formen verwendet. Die Fig. 29 bis 32 zeigen typische Beispiele des Standes der Technik, bei denen vom Resonanzphänomen Gebrauch gemacht wird.
Bei einem ersten Stand der Technik, der in Fig. 29 gezeigt ist und beispielsweise aus US-A-4 493 389 bekannt ist, ist ein Resonanzgehäuse 1 durch eine Trennwand 2 in zwei Kammern geteilt, zum Beispiel die Kammern A und B. Ein dynamischer elektro-akustischer Wandler (dynamischer Lautsprecher) 3, welcher als Schwingkörper bzw. Vibrator dient, ist an einem Loch der Trennwand 2 befestigt. Öffnungsdurchlässe bzw. -leitungen 4a und 4b sind jeweils an den Kammern A und B vorgesehen, und Resonanzakustikbzw. -schallwellen werden von diesen Öffnungen nach außen abgestrahlt, wie es durch die Pfeile angezeigt ist. Die Kammern A bzw. B besitzen Resonanzfrequenzen foa (Hz) und fob (Hz), die bestimmt werden durch die Volumen der Hohlräume (d. h. die Volumen der Kammern A und B), die Dimensionen bzw. Abmessungen der Öffnungen 4a und 4b und ähnliches. Wenn der Lautsprecher 3 von einem (nicht gezeigten) Verstärker betrieben wird, tritt daher ein Resonanzphänomen durch die Schwingung einer Membran auf, und eine Ausgangs- bzw. Ausgabeenergie zu diesem Zeitpunkt besitzt Maximalwerte nahe der oben genannten Resonanzfrequenzen. Infolgedessen können Resonanzakustikbzw. -schallwellen mit Schalldruck-Frequenz-Charakteristika, wie sie in Fig. 30 gezeigt sind, erhalten werden.
Bei einem zweiten Stand der Technik, der in Fig. 31 gezeigt ist, ist ein dynamischer elektro-akustischer Wandler (Lautsprecher) 6, der als ein Schwingkörper bzw. Vibrator dient, an einer Resonanzkammer 5' befestigt, die von einem Gehäuse 5 definiert wird, und eine Öffnung 7 zum Abstrahlen einer Resonanzakustik- bzw. -schallwelle nach außen ist in der Kammer 5' gebildet.
Ein weiterer dynamischer, elektro-akustischer Wandler (Lautsprecher) 8 ist separat an dem Gehäuse 5 vorgesehen, so daß eine Akustik- bzw. Schallwelle von dort direkt abgestrahlt wird. Wenn der Lautsprecher 6 von einem (nicht gezeigten) Verstärker betrieben wird, tritt bei dieser Akustikvorrichtung ein Resonanzphänomen in der Resonanzkammer 5' aufgrund der Schwingung einer Membran des Lautsprechers 6 auf. Daher erfolgt die in Fig. 32 dargestellte Akustik- bzw. Schallreproduktion aus der Öffnung 7 mit einem Spitzenschalldruck nahe der der Resonanzkammer 51 inhärenten Resonanzfrequenz fo.
Gemäß der herkömmlichen Akustikvorrichtungen verursacht der Schwingkörper bzw. Vibrator jedoch unerwünschterweise eine Abnahme des Resonanzwertes Q des Resonanzkörpers bzw. Resonators, welcher als ein akustisches Abstrahlglied dient. Dies ist so, weil der Lautsprecher als Schwingkörper bzw. Vibrator eine inhärente interne Impedanz Zv besitzt,und die interne Impedanz dämpft die Resonanz des Resonanzkörpers bzw. Resonators. Wenn der Resonanzwert Q niedrig ist, ist auf diese Weise die Abstrahlleistung der Resonanzakustik- bzw. -schallwelle unvermeidbar niedrig, und das Vorhandensein des Resonators in der Akustikvorrichtung ist bedeutungslos.
Wenn die Resonanzfrequenz vermindert wird, wird zwar der Resonator kompakt, aber die Öffnung bzw. Öffnungsleitung muß verlängert werden. Entsprechend wird der akustische Widerstand (mechanische Widerstand) der Öffnungsleitung unvermeidbar erhöht, und der Resonanzwert Q wird weiter vermindert. Aus diesem Grund wird die akustische Abstrahlleistung weiter vermindert auf Grund einer Abnahme des Resonanzwerts Q, und die Akustikvorrichtung ist nicht geeignet für eine praktische Anwendung.
Als Ergebnis besitzt eine der herkömmlichen Vorrichtungen, die in den Fig. 29 und 31 gezeigt sind, ausreichend akustische Abstrahlleistung. Wenn ein gewisser Leistungspegel aufrechterhalten werden soll, wird das Gehäuse extrem groß.
US-A-4 287 389 zeigt und beschreibt ein Hifi-Lautsprechersystem unter Verwendung der Technik einer Negativspannungsrückkopplungsschaltung, um die elektrischen und mechanischen Eigenschaften einer geschlossenen Lautsprecherbox zu verbessern. In dem Artikel "It's Positive Feedback" von W. Clements, veröffentlicht in "Audio Engineering", Mai 1952 (Seiten 20, 57-59), Philadelphia, USA, wird vorgeschlagen, einen Lautsprecher mit einem Verstärker zu betreiben, der als ein Negativ-Widerstandsgenerator wirkt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Schallapparat bzw. eine Akustikvorrichtung vorzusehen, die eine ausreichende akustische Abstrahlleistung realisieren kann und dabei kompakt ist.
Das genannte Ziel wird erreicht durch einen Schallapparat bzw. eine Akustikvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Ein Schallapparat bzw. eine Akustikvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist folgendes auf: einen Resonanzkörper bzw. Resonator mit einer Resonanzabstrahleinheit zum Abstrahlen einer Akustik- bzw. Schallwelle durch Resonanz; einen Schwingkörper bzw. Vibrator mit einer Membran, welche einen Teil des Resonators bildet und in dem Resonator angeordnet ist; und Vibratortreibermittel zum Treiben des Vibrators, wobei der Vibrator seinerseits zum Treiben des Resonators angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Vibratortreibermittel zum Ausüben eines aktiven Servoantriebs des Vibrators angeordnet sind, und zwar derart, daß der Treiberstrom entsprechend erhöht oder verringert wird, um eine Gegenkraft auf die Membran auf Grund von Luft in dem Resonator im wesentlichen auszugleichen, wobei die Gegenkraft ansprechend auf das Treiben des Resonators durch den Vibrator hervorgerufen wird, so daß angenommen werden kann, daß der Resonator hinsichtlich der Äquivalenzschaltung Treiberenergie von einer Treiberquelle parallel zu dem Vibrator und unabhängig von diesem empfängt.
Da der Vibrator von den Vibratortreibermitteln betrieben wird, um eine Reaktion von dem Resonator auszugleichen bzw. auszulöschen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Membran äquivalent zu einer Wand des Resonators, und das Vorhandensein des Vibrators wird aus der Sicht des Resonators kompensiert bzw. ausgeglichen. Daher bewirkt die dem Vibrator inhärente interne Impedanz keine Abnahme des Resonanzwerts Q des Resonators. Aus diesem Grund kann der Resonanzwert Q des Resonators extrem hoch sein. Wenn der Resonator kompakt gemacht wird und die Resonanzfrequenz abnimmt, wird bei den herkömmlichen Vorrichtungen der akustische Widerstand des Resonators erhöht. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch selbst in einem Fall, bei dem der Resonanzwert Q bei einem herkömmlichen Treiberverfahren sehr klein wird, der Resonanzwert Q durch das Vorhandensein des Vibrators nicht vermindert. Infolgedessen kann der Resonanzwert Q auf einem ausreichend hohen Wert gehalten werden, und ausreichend akustische Abstrahlleistung des Resonators kann aufrechterhalten werden.
Wie beschrieben wurde, kann eine Verbesserung der Abstrahlleistung einer Resonanzakustik- bzw. -schallwelle und ein kompakter Resonator gleichzeitig realisiert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A und 1B sind Diagramme zum Erklären einer grundsätzlichen Anordnung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein Graph bzw. ein Diagramm, der bzw. das die Schalldruck-Frequenz-Charakteristika des in den Fig. 1A und 1B gezeigten Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 3 ist ein Schaltplan, der eine elektrische Äquivalenzschaltung von Fig. 1A zeigt;
Fig. 4 ist ein Schaltplan, der eine Äquivalenzschaltung zeigt, wenn in der in Fig. 3 gezeigten Schaltung Z&sub3; = 0;
Fig. 5 bis 9 sind Ansichten zur Erklärung einiger dynamischer Lautsprecher;
Fig. 10 ist eine Schnittansicht zur Erklärung eines elektro-magnetischen Lautsprechers;
Fig. 11 ist eine Schnittansicht zur Erklärung eines piezoelektrischen Lautsprechers;
Fig. 12A und 12B sind Schaltpläne zur Erklärung eines elektrostatischen Lautsprechers;
Fig. 13 ist ein Schaltplan, der eine grundsätzliche Anordnung einer Schaltung zum äquivalenten Erzeugen einer negativen Impedanz zeigt;
Fig. 14 bis 19 sind Schaltpläne einer Schaltung zum Erzeugen eines äquivalenten negativen (ohm'schen) Widerstands;
Fig. 20 ist ein Schaltplan einer Schaltung zum Erzeugen eines äquivalenten negativen kapazitiven Widerstands;
Fig. 21 ist ein Schaltplan einer Schaltung zum Erzeugen eines äquivalenten negativen induktiven Widerstands;
Fig. 22 ist ein Diagramm einer Akustikvorrichtung gemäß einem detailliertem Ausführungsbeispiel;
Fig. 23 ist ein Diagramm zur Erklärung einer Anordnung eines äquivalenten Betriebs der in Fig. 22 gezeigten Vorrichtung;
Fig. 24 ist ein Graph bzw. ein Diagramm der bzw. das die Schalldruck-Frequenz-Charakteristika gemäß dem in Fig. 22 gezeigten Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 25 ist ein Diagramm, das eine Akustikvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 26 ist ein Schaltplan, wenn ein virtuelles Lautsprechersystem äquivalent realisiert wird, unter Verwendung eines Schwingkörpers bzw. Vibrators;
Fig. 27 ist ein Diagramm zum Erklären einer Ausgangsimpedanz, die in Fig. 26 äquivalent gebildet wird;
Fig. 28 ist ein Schaltplan eines Negativwiderstandsleistungsverstärkers mit einem niedrigen Klirrfaktor;
Fig. 29 ist eine Schnittansicht einer Akustikvorrichtung eines ersten Standes der Technik;
Fig. 30 ist ein Graph zum Erklären der Schalldruck- Frequenz-Charakteristika des ersten Standes der Technik;
Fig. 31 ist eine Schnittansicht, die eine Akustikvorrichtung gemäß einem zweiten Stand der Technik zeigt; und
Fig. 32 ist ein Graph zum Erklären der Schalldruck- Frequenz-Charakteristika des zweiten Standes der Technik.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im weiteren beschrieben unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 28. Die gleichen Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen die gleichen Teile, um sich wiederholende Beschreibungen zu vermeiden.
Die Fig. 1A und 1B zeigen eine grundsätzliche Anordnung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 1A gezeigt ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein Helmholtz-Schwingkörper bzw. -Resonator 10 mit einer Öffnung 11 und einem Hals bzw. einer Verengung 12 verwendet, der als Resonanzabstrahleinheit dient. Bei dem Helmholtz-Resonator 10 wird ein Resonanzphänomen von Luft hervorgerufen durch einen geschlossenen Hohlraum 14, der in einem Körperteil 15 gebildet ist, und ein kurzes Rohr oder eine Leitung 16, die durch die Öffnung 11 und den Hals 12 gebildet wird. Die Resonanzfrequenz fop ist gegeben durch:
fop = c(S/lV)1/2/2π (1)
wobei
c: Schallgeschwindigkeit
S: Schnittfläche der Leitung 16
l: Länge des Halses 12 der Leitung 16
V: Volumen des Hohlraums 14.
Bei der Akustikvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels ist ein Schwingkörper bzw. Vibrator 20, der aus einer Membran 21 und einem Wandler 22 aufgebaut ist, an dem Körperteil 15 des Resonators 10 befestigt. Der Wandler 22 ist mit einem Vibratortreiber 30 verbunden, welcher einen Negativimpedanzgenerator 31 aufweist zum äquivalenten Erzeugen einer negativen Impedanzkomponente (-Z&sub0;) für die Ausgangsimpedanz.
Fig. 1B zeigt eine Anordnung einer elektrischen Äquivalenzschaltung der in Fig. 1A gezeigten Akustikvorrichtung. In Fig. 1B entspricht eine parallele Resonanzschaltung Z&sub1; einer äquivalenten mechanischen bzw. Bewegungsimpedanz des Vibrators 20; ro zeigt einen äquivalenten Widerstand eines Schwingungs- bzw. Vibrations- Systems des Vibrators 20 an; So ist die äquivalente Steifheit des Vibrationssystems; und mo ist eine äquivalente Masse des Vibrationssystems. Eine Reihenresonanzschaltung Z entspricht einer äquivalenten mechanischen bzw. Bewegungsimpedanz des Helmholtz-Resonators 10, rc zeigt einen äquivalenten Widerstand des Hohlraums 14 an; Sc ist eine äquivalente Steifheit des Hohlraums 14; rp ist ein äquivalenter Widerstand der Leitung 16; und mp ist eine äquivalente Masse der Leitung 16. In Fig. 1B bezeichnet das Symbol A einen Kraftkoeffizienten. Wenn beispielsweise der Vibrator ein dynamischer, elektroakustischer Wandler (Lautsprecher) ist, dann ist A = Blv, wobei B die magnetische Flußdichte in dem Magnetspalt ist und wobei lv die Länge des Lautsprecherspulenleiters ist. Ferner bedeutet in Fig. 1B Zv eine inhärente interne Impedanz des Wandlers 22. Wenn beispielsweise der Vibrator 20 ein dynamischer Lautsprecher ist, dient die Impedanz Zv hauptsächlich als ein Gleichstromwiderstand der Lautsprecherspule und umfaßt einen kleinen induktiven Widerstand.
Der Betrieb der Akustikvorrichtung mit der in Fig. 1A gezeigten Anordnung wird nun kurz beschrieben.
Wenn ein Treibersignal von dem Vibratortreiber 30 mit einer negativen Impedanztreiberfunktion an den Wandler 22 des Vibrators 20 geliefert wird, wandelt der Wandler 22 das Treibersignal elektro-mechanisch um, um die Membran 21 in hin- und herbewegender Weise nach vorn und nach hinten zu treiben (in Fig. 1A in die Richtungen nach rechts und nach links). Die Membran 21 wandelt diese Hin- und Herbewegung mechanisch-akustisch um. Da der Vibratortreiber 30 die Negativimpedanztreiberfunktion besitzt, wird die dem Wandler 22 inhärente, interne Impedanz im wesentlichen vermindert (idealerweise beseitigt bzw. ausgeglichen). Daher treibt der Wandler 22 die Membran 21 in hoher (Übertragungs-)Treue ansprechend auf das Treibersignal von dem Vibratortreiber 30 und liefert eine Treiberenergie an den Helmholtz-Resonator 10.
In diesem Fall empfängt die Vorderseite (in Fig. 1A die rechte Seite) der Membran 21 eine Reaktion von der Luft in dem Hohlraum 14 des Helmholtz-Resonators 10, und der Vibratortreiber 30 treibt den Vibrator 20, um die Reaktion auszugleichen bzw. auszulöschen. Dies ist so, weil die dem Wandler 22 des Vibrators 20 inhärente, interne Impedanz Zv äquivalent ausgelöscht bzw. ausgeglichen wird. Daher wird die Membran 21 zu einer äquivalenten Wand des Helmholtz-Resonators 10, und der Resonanzwert Q wird idealerweise unendlich. Aus diesem Grund wird Luft in dem Helmholtz-Resonator 10 zur Resonanz gebracht, so daß, wie durch einen Pfeil X in Fig. 1A angezeigt ist, eine Akustik- bzw. Schallwelle mit einem ausreichenden Schalldruck von der Resonanzabstrahleinheit abgestrahlt wird.
Durch Anpassen bzw. Einstellen einer luftäquivalenten Masse in der Leitung 16 des Helmholtz-Resonators 10 wird die Resonanzfrequenz fop auf einen vorbestimmten Frequenzbereich eingestellt, und durch Anpassen bzw. Einstellen des äquivalenten Widerstands der Leitung 16 wird der Resonanzwert Q auf einen angemessenen Wert eingestellt, so daß ein Schalldruck mit einem angemessenen Niveau bzw. Pegel von bzw. aus der Öffnung 11 erhalten werden kann. Durch diese Einstellungen können die Schalldruck-Frequenz-Charakteristika, die beispielsweise in Fig. 2 gezeigt sind, erhalten werden. Es sei bemerkt, daß die gepunktete Charakteristikkurve bzw. Kennlinie in Fig. 2 ein Beispiel von Frequenzcharakteristika des Vibrators 20 selbst darstellt.
Dies wird erklärt mit Bezug auf die Äquivalenzschaltungen, die in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind.
Fig. 3 zeigt eine vereinfachte elektrische Äquivalenzschaltung von Fig. 1B. In anderen Worten ist Fig. 3 ein Äquivalenzschaltplan unabhängig von den Äquivalenzwiderständen rc und rp, da der Äquivalenzwiderstand rc des Hohlraums 14 und der Äquivalenzwiderstand rp der Leitung 16 ausreichend klein sind und daher ihre reziproken Komponenten extrem groß sind. In Fig. 3 ergeben sich die folgenden Gleichungen (2) bis (4), wenn I einen Strom anzeigt, der durch die Schaltung fließt, und I&sub1; und I Ströme anzeigen, die durch die parallelen und in Reihe geschalteten Resonanzschaltungen Z&sub1; bzw. Z fließen und Z&sub3; = Zv-Z&sub0;.
Ev = E&sub0;·{Z&sub1;·Z/(Z&sub1; + Z)}/[{Z&sub1;·Z/(Z&sub1; + Z)} + Z&sub3;] (2)
I&sub1; = E&sub0;·{Z/(Z&sub1; + Z)}/[{Z&sub1;·Z/(Z&sub1; + Z)} + Z&sub3;] (3)
I= E&sub0;·{Z&sub1;/(Z&sub1; + Z)}/[{Z&sub1;·Z/(Z&sub1; + Z)} + Z&sub3;]¥(4)
Um die Gleichungen (3) und (4) zu vereinfachen, wird, wenn Z&sub4; = Z&sub1;·Z/(Z&sub1; + Z), die Gleichung (3) umgeschrieben als:
I&sub1; = E&sub0;/{Z&sub1;(1 + Z&sub3;/Z&sub4;)} (5)
und die Gleichung (4) wird umgeschrieben als:
I = E&sub0;/{Z(1 + Z3/Z4)} (6)
Aus den Gleichungen (5) und (6) sind die folgenden zwei Punkte verständlich. Erstens, wenn der Z&sub3;-Wert sich Null nähert, nähern sich die parallele Resonanzschaltung Z&sub1; des Vibrators und die Reihenresonanzschaltung Z des Resonators einem Zustand, in dem sie entsprechend wechselstrommäßig kurzgeschlossen sind. Zweitens, wird die Reihenresonanzschaltung Z von der parallelen Resonanzschaltung Z&sub1; über Z&sub3; = Zv-Z&sub0; beeinflußt und die Reihenresonanzschaltung Z erhöht seine Unabhängigkeit bezüglich der parallelen Resonanzschaltung Z&sub1; wenn der Z&sub3;-Wert sich Null nähert.
Unter der Annahme eines Idealzustands, wobei Z&sub3; = Zv-Z&sub0; = 0, sind die Gleichungen (5) und (6) jeweils gegeben durch:
I&sub1; = E&sub0;/Z&sub1; (7)
I = E&sub0;/Z (8)
Sowohl die Reihenresonanzschaltung Z als auch die parallele Resonanzschaltung Z&sub1; sind mit einer Null- Impedanz wechselstrommäßig kurzgeschlossen und die Reihenresonanzschaltung Z kann als ein Resonanzsystem angesehen werden, das vollkommen unabhängig ist von der parallelen Resonanzschaltung Z&sub1;.
Fig. 4 zeigt eine Äquivalenzschaltung von Fig. 3, wenn Z&sub0; = Zv, d. h. wenn Z&sub3; = Zv-Z&sub0; = 0.
Bei genauer Untersuchung eines Resonanzsystems des Vibrators 20 als Bedingung zur Untersuchung des Helmholtz'schen Resonanzsystems, das von dem Helmholtz- Resonator 10 gebildet wird, sind die zwei Enden der parallelen Resonanzschaltung Z&sub1;, die von der äquivalenten mechanischen bzw. Bewegungsimpedanz gebildet wird, gleichstrommäßig mit einer Null-Impedanz kurzgeschlossen. Daher ist die parallele Resonanzschaltung Z&sub1; im wesentlichen keine Resonanzschaltung mehr. Genauer gesagt, spricht der Wandler 22 des Vibrators 20 linear auf eine Treibersignaleingabe in Echtzeit an und wandelt ein elektrisches Signal (Treibersignal) E&sub0; elektro-mechanisch in hoher (Übertragungs-)Treue ohne Übergangsansprechen bzw. Einschwingverhalten um und versetzt dadurch die Membran 21. Bei dem Vibrator 20 ist das Konzept einer minimalen Resonanzfrequenz fo, die erhalten wird, wenn der Vibrator einfach auf dem Helmholtz-Resonator 10 angebracht ist, nicht anwendbar. Dies ist so, weil die zwei Enden der parallelen Resonanzschaltung Z&sub1; des Vibrators 20 wechselstrommäßig mit einer Null-Impedanz kurzgeschlossen sind. (In der folgenden Beschreibung bezieht sich "ein Wert entsprechend der minimalen Resonanzfrequenz fo des Vibrators 20" auf das oben genannte Konzept, das im wesentlichen nicht mehr anwendbar ist.) Der Vibrator 20 und der Helmholtz-Resonator 10 sind unabhängig voneinander, und der Vibrator 20 und die Leitung 16 sind auch unabhängig voneinander. Aus diesem Grund funktioniert der Vibrator 20 unabhängig von dem Volumen des Hohlraums 14 des Helmholtz-Resonators 10, dem Innendurchmesser der Öffnung 11, der Länge des Halses 12 und ähnlichem, (d. h. unabhängig von der äquivalenten mechanischen bzw. Bewegungsimpedanz Z des Helmholtz- Resonanzsystems).
Die parallele Resonanzschaltung Z&sub1; ist unabhängig von der Reihenresonanzschaltung Z vorhanden. Wenn daher der Körperteil 15 des Helmholtz-Resonators 10 so konstruiert ist, daß er ein kleines Hohlraumvolumen besitzt, um die Größe des Systems zu vermindern, oder wenn die Leitung 16 so konstruiert ist, daß sie langgestreckt ist, um den Q- Wert des Helmholtz-Resonanzsystems zu vermindern, wie im weiteren beschrieben wird, beeinflußt die Konstruktion der parallelen Resonanzschaltung Z&sub1;, d. h. das Einheitsschwingungssystem, den Helmholtz-Resonator überhaupt nicht. Aus diesem Grund ist ein leichtes Design bzw. leichte Konstruktion frei von gegenseitigen Abhängigkeitsbedingungen gestattet.
Da das Einheitsschwingungssystem Z&sub1; effektiv kein Resonanzsystem ist, wenn die Treibersignaleingabe Null Volt ist, wird aus anderer Perspektive die Membran 21 ein Teil der Wand des Helmholtz-Resonators 10.
Aus noch einer weiteren Perspektive ist das Helmholtz- Resonanzsystem das einzige Resonanzsystem in dem Schallapparat bzw. der Akustikvorrichtung der vorliegenden Erfindung. (Bei den in den Fig. 29 und 31 gezeigten, herkömmlichen Vorrichtungen bildet der Vibrator selbst ein Resonanzsystem zusätzlich zu dem Helmholtz-Resonanzsystem. Daher ist eine Vielzahl von Resonanzsystemen vorhanden.)
Das Resonanzsystem (Helmholtz-Resonanzsystem), das durch den Hohlraum 14 gebildet wird, und die Leitung 16 werden im weiteren in Einzelheiten untersucht unter Bezugnahme auf Fig. 4.
Das Treiben des Helmholtz-Resonators 10 wird im weiteren erklärt. Aus den oben beschriebenen Gleichungen (7) und (8) folgt, daß der Strom I, der durch den Wandler 22 des Vibrators 20 fließt, folgender ist:
I = I&sub1; + I = (1/Z&sub1; + 1/Z)E&sub0; (9)
Jedoch ist der Wert von Z nahe der Resonanzfrequenz fop des Resonators annähernd Null in einem Zustand, in dem der Resonator eine Helmholtz-Resonanz hervorruft (in der Praxis wird jedoch Z von einer Widerstandskomponente gedämpft). Da der Wert entsprechend der minimalen Resonanzfrequenz fo des Vibrators 20 höher ist als die Resonanzfrequenz fop des Helmholtz-Resonators 10 ist der Wert von Zi nahe der Resonanzfrequenz fop ausreichend groß. Aus diesem Grund kann die Gleichung (9) umgeschrieben werden als:
I = I&sub1; + I I
Fast der gesamte Strom, der durch den Wandler 22 des Vibrators 20 fließt, trägt zum Treiben des Helmholtz- Resonators 10 bei. Da der Wert von Z ungefähr Null ist, wird der Helmholtz-Resonator 10 von einem großen Strom und einer Spannung mit kleiner Amplitude betrieben. Daher wird auch der Wandler 22, der parallel dazu geschaltet ist, mit einer Spannung mit kleiner Amplitude betrieben und daher führt die Membran 21 einen Betrieb bzw. eine Bewegung mit kleiner Amplitude aus. Da die Membran 21 eine Bewegung mit kleiner Amplitude ausführt, kann in diesem Fall eine nicht-lineare Verzerrung, die üblicherweise bei Betrieb mit großer Amplitude eines dynamischen Kegellautsprechers auftritt, effektiv eliminiert werden, und zwar insbesondere im Super-Baß-Bereich.
Die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators 10 wird nun beschrieben. Diese Resonanzfrequenz ist diejenige der Reihenresonanzschaltung Z. Wie aus der Gleichung (1) ersichtlich ist, kann die Resonanzfrequenz durch Einstellen der Querschnittsfläche S der Leitung 16 und der Länge l ihres Halses 12 unabhängig von dem Volumen V des Hohlraums 14 des Resonators 10 eingestellt werden.
(Natürlich kann die Resonanzfrequenz auch durch Steuerung des Volumens V eingestellt werden.)
Der Resonanzwert Q der Reihenresonanzschaltung Z, die von dem Helmholtz-Resonator 10 gebildet wird, wird nun beschrieben. Die zwei Enden der Reihenresonanzschaltung Z sind wechselstrommäßig mit einer Null-Impedanz kurzgeschlossen. Daher wird der durch die folgende Gleichung
(Lastwiderstand)/(Resonanzimpedanz)
gegebene Q-Wert in der in Fig. 4 gezeigten Äquivalenzschaltung unendlich. In diesem Fall wird der Resonanzwert Q genau berechnet, basierend auf der in Fig. 1B gezeigten Äquivalenzschaltung.
Q = (mpSc)1/2/(rc + rp)
Normalerweise sind rc und rp sehr klein und, wenn sie als Null ignoriert werden, wird das gleiche Ergebnis auch erhalten.
Insbesondere wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Resonanzwert Q des Resonators 10 stark erhöht, verglichen mit herkömmlichen Vorrichtungen und dies kann auch so betrachtet werden, daß die Marge bzw. der Zuwachs an akustischer Abstrahlleitung des Resonators 10 extrem erhöht wird.
Allgemein gesprochen kann eine Steuerung zur Verminderung des Resonanzwerts Q des Helmholtz-Resonators 10 oder ähnlichem nach Bedarf leicht erreicht werden. Wenn beispielsweise der Helmholtz-Resonator 10 kompakt gemacht wird, kann die Resonanzfrequenz fop des Resonanzsystems vermindert werden durch Vermindern der Querschnittsfläche S der Öffnung 11 oder durch Vergrößern der Länge l des Halses 12 in der oben beschriebenen Gleichung (1):
fop = c(S/lV)1/2/2π
Dies bedeutet, daß bei der Akustikvorrichtung der vorliegenden Erfindung das Einstellen, um das System kompakt zu machen und eine Super-Baß-Reproduktion bzw. -Wiedergabe zu erreichen, ein Faktor wird zum angemessenen Vermindern des Q-Werts. Insbesondere ergibt eine Verlängerung der Leitung 16 eine Erhöhung des mechanischen Widerstands (akustischen Widerstands) auf Grund von Luftreibung. Daher wird bei der in Fig. 1B gezeigten Äquivalenzschaltung, da A²/rp vermindert wird, der Q-Wert der Reihenresonanzschaltung Z auf der Seite des Helmholtz-Resonators 10 vermindert, und infolgedessen können die Dämpfungscharakteristika entsprechend verbessert werden. Dieser Punkt bildet einen bemerkenswerten Kontrast zu den herkömmlichen Vorrichtungen, die in den Fig. 29 und 31 gezeigt sind, wobei, wenn die Vorrichtung kompakt gemacht wird, der Q-Wert des Resonanzsystems extrem vermindert wird und schließlich akustische Abstrahlleistung verloren geht.
Zusätzlich wird A²/rc vermindert durch Einbringen eines schallabsorbierenden Materials in den Hohlraum 14 des Helmholtz-Resonators 10, um den Q-Wert auf einen gewünschten Wert zu bringen bzw. zu steuern. Jedenfalls wird, selbst wenn der Q-Wert des Helmholtz-Resonanzsystems gesteuert wird unter der Bedingung, daß der Resonator (oder das Gehäuse) kompakt gemacht wird, das Einheitsvibrationssystem nicht beeinflußt.
Auf diese Weise sollte der Helmholtz-Resonator 10, dessen Resonanzfrequenz und Resonanzwert Q allein eingestellt werden, als ein virtueller Lautsprecher unabhängig von dem Einheitsvibrationssystem angesehen werden. Obwohl der virtuelle Lautsprecher mit einem kleinen Durchmesser entsprechend dem Durchmeser der Öffnung realisiert werden kann, entspricht er einem Lautsprecher mit sehr großem Durchmesser als tatsächlichem Lautsprecher angesichts seiner Baßwiedergabeleistung und kann bemerkenswerte Effekte für die dimensionsmäßige Effizienz oder die Schallquellenkonzentration vorsehen. In diesem Sinne ist die Kosteneffizienz sehr groß. Der virtuelle Lautsprecher umfaßt keine tatsächliche Membran, sondern eine Membran, die nur von Luft gebildet wird, und kann ideal sein.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Resonanzwert Q des Resonators extrem groß (wenn einem Idealzustand angenähert, Q ∞). Obwohl dieser Resonator in der Praxis durch die Versetzung der Membran betrieben wird, kann der Resonator so betrachtet werden, daß er eine Treiberenergie von einer Treiberquelle parallel zu dem Vibrator und unabhängig davon hinsichtlich der Äquivalenzschaltung empfängt. Daher kann die Konstruktion des Resonators unabhängig von gegenseitigen Abhängigkeitsbedingungen zwischen dem Resonator und dem Vibrator durchgeführt werden. Da das Volumen des Hohlraums des Resonators den Vibrator überhaupt nicht beeinflußt, wird zusätzlich die Resonanzfrequenz des Resonators unabhängig eingestellt ohne Berücksichtigung seines Volumens, so daß Super-Baß- Wiedergabe mit einem ausreichenden Schalldruck von einer kompakten Vorrichtung erreicht werden kann. Beispielsweise können die in Fig. 2 gezeigten Schalldruck- Frequenz-Charakteristika leicht mit einer kompakten Vorrichtung (Gehäuse) realisiert werden.
In der Beschreibung der grundsätzlichen Anordnung wird der Idealzustand folgendermaßen angenommen:
Z&sub3; = Zv-Z&sub0; = 0
Im wesentlichen kann der Effekt der vorliegenden Erfindung in ausreichender Weise erreicht werden, wenn:
0 ≤ Z&sub3; < Zv
Insbesondere, wenn der Vibrator betrieben wird, um eine von dem Resonator angelegte bzw. ausgeprägte Reaktion so weit wie möglich auszulöschen bzw. auszugleichen beim Treiben des Resonators, kann ein Effekt entsprechend erreicht werden. Dies ist so, weil der Grad, in dem die Membran des Einheitsschwingungssystems zur Wand des Helmholtz-Resonators wird, in Beziehung steht mit einem Grad, in dem die Membran von der Reaktion von dem Resonator passiv betrieben wird, und ein Reaktionsausgleichseffekt wird verbessert, wenn der Z&sub3;-Wert abnimmt. Daher wird beispielsweise bei einem dynamischen Lautsprecher, wenn der interne Widerstand einer Lautsprecherspule 8 Ω beträgt, ein äquivalenter negativer Widerstand von -4 Ω erzeugt, um anscheinend den Widerstand auf 4 Ω zu vermindern, so daß eine zufriedenstellende Baßwiedergabe mit dem Helmholtz-Resonator realisiert werden kann.
Es wird nicht bevorzugt, daß eine negative Impedanz so groß eingestellt wird und der Wert von Z&sub3; = Zv-Z&sub0; negativ wird. Wenn Z&sub3; negativ wird, besitzt die gesamte Schaltung einschließlich einer Last negative Widerstandscharakteristika und verursacht Schwingungen bzw. Oszillation. Wenn daher der Wert der internen Impedanz Zv verändert wird auf Grund von Wärme während des Betriebs, muß der Wert der negativen Impedanz innerhalb eines gewissen Bereichs eingestellt werden oder der Wert der negativen Impedanz muß in Übereinstimmung mit einer Änderung der Temperatur verändert (Temperatur-kompensiert) werden.
Der Resonanzwert Q des Einheitsvibrationssystems wird nachfolgend weiter erklärt. Wenn dieses Vibrationssystem betrieben wird, um eine Reaktion von dem Resonator auszugleichen bzw. auszulöschen, wird die diesem Vibrationssystem inhärente, interne Impedanz Zv im wesentlichen ausgelöscht. In diesem Fall wird bei dem parallelen Resonanzsystem der durch die folgende Beziehung gegebene Q-Wert Null für die parallele Resonanzschaltung Z&sub1;:
(Lastwiderstand)/(Resonanzimpedanz).
Q = 0 in dem Einheitsvibrationssystem entspricht der Tatsache, daß der Vibrator 20, der die parallele Resonanzschaltung Z&sub1; äquivalent bildet, ein Lautsprecher wird, der betrieben wird von einer Stromquelle, die gegeben ist durch Ev/(A²/ro), was bestimmt wird durch die Eingangsspannung Ev und einen Widerstand A²/ro der parallelen Resonanzschaltung Z&sub1;. Ein Stromtreiberbereich im elektrischen Sinne ist äquivalent zu einem Geschwindigkeitstreiberbereich im mechanischen Sinne und Frequenzcharakteristika einer Akustik- bzw. Schallwelle nahe dem Wert entsprechend der minimalen Resonanzfrequenz fo dieses Lautsprechers sind 6 dB/oct. Im Gegensatz dazu sind die Charakteristika in einem normalen Spannungstreiberzustand 12 dB/oct.
Aus einem anderen- Gesichtspunkt kann die Membran 21 in einem perfekt gedämpften Zustand sein. Insbesondere für eine Reaktion, die durch das Treiben der Membran 21 hervorgerufen wird, wird eine Steuerung durchgeführt, um die Reaktion zu überwinden durch Erhöhen/Vermindern des Treiberstroms. Wenn beispielsweise eine externe Kraft auf die Membran 21 angelegt wird, wirkt daher eine entgegengesetzte Treiberkraft in diesem Moment, bis ein Zustand erreicht wird, der mit der externen Kraft ausgeglichen ist (Aktiv-Servo).
Verschiedene Ausführungsbeispiele, die auf die oben mit Bezug auf die Fig. 1 bis 4 beschriebene, grundsätzliche Anordnung angewandt werden können, werden im weiteren erklärt.
Der Resonator ist nicht auf den in Fig. 1A gezeigten beschränkt. Beispielsweise ist die Form des Hohlraums oder Körperteils nicht auf eine Kugel beschränkt, sondern kann ein rechteckiges Prisma oder ein Würfel sein. Das Volumen des Resonators ist nicht besonders begrenzt und kann unabhängig von dem Einheitsschwingungs- bzw. -Vibrationssystem konstruiert werden. Aus diesem Grund kann der Resonator kompakt gemacht werden, was ein kompaktes Gehäuse ergibt. Die Querschnittsformen der Öffnung und des Halses, die die Resonanzabstrahleinheit bilden, sind nicht besonders begrenzt. Beispielsweise kann sich ein Schallpfad extern erstrecken, wie es in Fig. 1A gezeigt ist, oder er kann in dem Hohlraum aufgenommen sein. Der Hals 12 fop kann weggelassen werden, so daß nur eine Öffnung vorhanden ist. Zusätzlich kann eine Vielzahl von Öffnungen gebildet werden. Ferner kann die Resonanzfrequenz fop entsprechend eingestellt werden unter Berücksichtigung der Beziehung zwischen der Querschnittsfläche der Öffnung und der Länge des Halses. Da die Querschnittsfläche der Öffnung entsprechend eingestellt werden kann unter Berücksichtigung der Beziehung mit der Länge des Halses, wird die Öffnung verkleinert, so daß ein virtueller Baßlautsprecher (Woofer) einen kleinen Durchmesser besitzen kann. Somit kann die Schallquelle konzentriert werden, um ein Lokalisierungsgefühl bzw. die örtliche Zuordnung zu verbessern.
Verschiedene Arten von Vibratoren (elektro-akustische Wandler), wie beispielsweise dynamische, elektromagnetische, piezoelektrische und elektrostatische Vibratoren können verwendet werden, wie es in den Fig. 5 bis 12 gezeigt ist.
Membranen der dynamischen Lautsprecher umfassen Kegel-, Kuppel-, Band-, Gesamtoberflächentreiber- und Hile- Treibermembrane, wie sie in Fig. 5 bis 9 gezeigt sind.
Ein Dynamiklautsprecher des Kegeltyps besitzt einen konischen Kegel bzw. Konus 101 als Membran, wie in Fig. 5 gezeigt ist, und eine Lautsprecherspule 102 ist nahe dem oberen Ende des Kegels 101 befestigt. Die Lautsprecherspule 102 ist eingesetzt in einen magnetischen Spalt, der in einer magnetischen Schaltung bzw. einem magnetischen Kreis 103 gebildet ist. Bei dem Dynamiklautsprecher des Kegeltyps erscheint eine Nicht-Bewegungsimpedanzkomponente hauptsächlich als ein Widerstand. Ein dynamischer Lautsprecher des Kuppeltyps, der in Fig. 6 gezeigt ist, ist im wesentlichen der gleiche wie der in Fig. 5 gezeigte dynamische Lautsprecher des Kegeltyps mit der Ausnahme, daß die Membran eine Kuppel 104 aufweist.
Ein dynamischer Lautsprecher des Band- oder Bändchentyps ist derart angeordnet, daß eine Bandmembran 105 in einem Magnetspalt angeordnet ist, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Bei einem Lautsprecher dieses Typs fließt ein Treiberstrom in der Längsrichtung der Bandmembran 105, so daß die Membran 105 nach vorn und hinten geschwungen wird (nach oben und unten in Fig. 7), wodurch eine Schallwelle erzeugt wird. Daher dient die Bandmembran 105 sowohl als Lautsprecherspule als auch als Membran. Bei diesem Lautsprecher erscheint die Nicht-Bewegungsimpedanzkomponente hauptsächlich als Widerstand.
Ein Dynamiklautsprecher des Gesamtoberflächentreibertyps ist derart angeordnet, daß parallele magnetische Platten 103 angeordnet sind, die jeweils Öffnungen 103a besitzen zum Abstrahlen von Schallwellen, und eine Membran 106 mit einer Lautsprecherspule 102 ist dazwischen angeordnet, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Jede Magnetplatte 103 ist so magnetisiert, daß ihre Magnetfeldlinien parallel zu der Membran 106 sind. Die Lautsprecherspule 102 ist an der Membran 106 in einer Spiralform befestigt.
Bei einem dynamischen Lautsprecher des Hile-Treibertyps, wie er in Fig. 9 gezeigt ist, ist die Lautsprecherspule 102 auch auf der Membran 106 angeordnet. Insbesondere ist die Membran 106 in einer balgen-artigen Form angeordnet und die Lautsprecherspule 102 ist in einer zick-zackartigen Weise daran befestigt. Bei diesem Lautsprecher werden die Balgen bzw. Faltungen der Membran 106 abwechselnd ausgedehnt/ zusammengezogen, wodurch eine Schallwelle abgestrahlt wird. Bei diesem Lautsprecher erscheint eine Nicht-Bewegungsimpedanzkomponente hauptsächlich als Widerstand.
Ein elektro-magnetischer Lautsprecher, wie er in Fig. 10 gezeigt ist, ist bekannt. Wie in Fig. 10 gezeigt ist, umfaßt eine Membran 106, die in einem freischwingenden Zustand angeordnet ist, ein magnetisches Glied, und ein Eisenkern 108, um den eine Spule 107 gewickelt ist, ist nahe der Membran 106 angeordnet. Bei diesem Lautsprecher fließt ein Treiberstrom durch die Spule 107, so daß die Membran 106 durch die Magnetfeldlinien von dem Eisenkern 108 in Schwingungen versetzt wird, wodurch eine Schallwelle in der vertikalen Richtung in Fig. 10 abgestrahlt wird. Bei einem Lautsprecher dieses Typs erscheint die Nicht-Bewegungsimpedanzkomponente hauptsächlich als Widerstand.
Ein piezoelektrischer Lautsprecher, wie er in Fig. 11 gezeigt ist, ist bekannt. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, sind zwei Enden eines Zweielements bzw. bimorphen Teils 111, das durch einen elektrostriktiven Effekt in Schwingungen versetzt wird, an einem Tragglied 110 befestigt, und eine Schwingungsstange 112 ragt von dem Mittelteil des Zweielements 111 nach oben. Das entfernte bzw. distale Ende der Schwingungsstange 112 stößt gegen den im wesentlichen mittleren Teil einer Membran 113 an, die an dem Tragglied 110 befestigt ist. Bei diesem Lautsprecher wird das Zweielement 111 durch den elektrostriktiven Effekt verbogen, so daß sein Mittelteil in vertikaler Richtung in Schwingung versetzt wird. Die Schwingung des Zweielements 111 wird auf die Membran 113 über die Schwingungsstange 112 übertragen. Daher wird die Membran 113 entsprechend einem Treiberstrom in Schwingungen versetzt, um eine Schallwelle abzustrahlen. Es sei bemerkt, daß bei diesem Lautsprecher die Nicht-Bewegungsimpedanz hauptsächlich als elektrostatischer kapazitiver Widerstand bzw. Kapazität oder ähnliches erscheint.
Elektrostatische Lautsprecher, wie sie in den Fig. 12A und 12B gezeigt sind, sind bekannt. Der in Fig. 12A gezeigte Lautsprecher wird Kondensatorlautsprecher des Einzeltyps genannt, und der in Fig. 12B gezeigte Lautsprecher wird Kondensatorlautsprecher des Push-Pull-Typs genannt. In Fig. 12A ist eine Membran 121 nahe einer Netz- oder Gitterelektrode 122 angeordnet und empfängt ein Eingangssignal, das einer Vorspannung E überlagert ist. Daher wird die Membran 121 durch einen elektrostatischen Effekt in Schwingungen versetzt und strahlt eine Schallwelle ab. Da eine Reaktion des Versetzungsstroms auf Grund der Schwingung der Membran 121 auftritt, kann in diesem Fall eine negative Impedanz (kapazitiver Widerstand) äquivalent erzeugt werden durch Verwendung dieses Reaktionsstroms. In Fig. 12B ist die Membran 121 sandwichartig zwischen zwei Netz- oder Gitterelektroden 122 aufgenommen. Das Arbeitsprinzip ist das gleiche wie das von Fig. 12A. Die Nicht-Bewegungsimpedanzkomponente erscheint hauptsächlich als elektrostatischer kapazitiver Widerstand bzw. Kapazität.
Um eine Reaktion von dem Resonator auszulöschen bzw. auszugleichen, werden bei dem Vibratortreibermitteln zum Treiben des Vibrators verschiedene Mittel zum Erzeugen negativer Impedanz verwendet, wie sie in den Fig. 13 bis 21 gezeigt sind.
Fig. 13 zeigt die grundsätzliche Anordnung solcher Mittel. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, wird eine Ausgangsgröße von einem Verstärker 131 mit einer Verstärkung A an eine Last ZL geliefert, die einem Lautsprecher 132 entspricht. Ein Strom i, der durch die Last ZL fließt, wird detektiert und der detektierte Strom wird positiv zu dem Verstärker 131 zurückgekoppelt über eine Rückkopplungsschaltung 133 mit einer Übertragungsverstärkung β. Bei dieser Anordnung wird eine Ausgangsimpedanz Z&sub0; der Schaltung wie folgt berechnet:
Z&sub0; = ZS (1-Aβ) (10)
Wenn in der Gleichung (10) Aβ > 1, dann wird Z&sub0; eine stabile negative Impedanz im offenen Kreis. In der Gleichung (10) ist ZS die Impedanz eines Sensors zum Detektieren eines Stroms.
Fig. 14 zeigt eine Schaltung, bei der der Strom i von einem Widerstand RS detektiert wird, der auf einer Masseseite des Lautsprechers 132 angeordnet ist. Bei dieser Schaltung ist die Ausgangsimpedanz Z&sub0; aus der obigen Gleichung (10):
Z&sub0; = RS (1-Aβ)
Wenn Aβ > 1, dann kann die Ausgangsimpedanz eine anscheinende negative Widerstandskomponente umfassen. Es sei bemerkt, daß ein Ausführungsbeispiel, das einer solchen Schaltung entspricht, in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. sho 59-51771 offenbart ist.
Fig. 15 zeigt eine Schaltung, in der der Strom i von einem Widerstand RS detektiert wird, der auf einer Nicht- Masseseite des Lautsprechers 132 angeordnet ist. Bei dieser Schaltung kann die Ausgangsimpedanz Z&sub0; eine negative Widerstandskomponente umfassen. Es bemerkt, daß ein Ausführungsbeispiel entsprechend einer solchen Schaltung in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. sho 54-33704 offenbart ist. Fig. 16 zeigt eine Schaltung, die eine BTL-Verbindung (balanced transfomerless connection = ausgeglichene übertragerlose Verbindung) verwendet. In Fig. 16 bezeichnet das Bezugszeichen 134 einen Inverter. Bei dieser Schaltung ist die Ausgangsimpedanz Z&sub0; gegeben durch:
Z&sub0; = RS (1-Aβ)
Fig. 17 zeigt eine Schaltung, in der der Strom i von einer Stromsonde bzw. einem Stromwandler detektiert wird. Da der Strom i ein Magnetfeld in der Umgebung um eine Verbindungsleitung herum bildet, wird insbesondere das Magnetfeld von einer Stromsonde bzw. einem Stromwandler 135 detektiert und wird über die Rückkopplungsschaltung 133 zu dem Verstärker 131 zurückgekoppelt.
Fig. 18 zeigt eine Schaltung, in der die Rückopplungsschaltung 133 einen Integrierer verwendet. Insbesondere wird eine Spannung über eine Induktivität L hinweg integriert und detektiert, so daß ein Betrieb äquivalent zur Widerstanddetektierung durchgeführt werden kann. Bei dieser Schaltung kann ein Verlust nahe einem Gleichstrompegel unterhalb von dem im Fall der Verwendung des Widerstands RS vermindert werden.
Fig. 19 zeigt eine Schaltung, in der die Rückkopplungsschaltung 133 einen Differenzierer verwendet. Insbesondere wird eine Spannung über einen Kondensator C hinweg differenziert und detektiert, so daß ein Betrieb äquivalent zur Widerstandsdetektierung durchgeführt werden kann. Da bei dieser Schaltung die Kapazität C in ein Treibersystem des Lautsprechers 132 eingefügt ist, kann eine Gleichstromtreibersignalkomponente abgeschnitten werden.
Bei den obengenannten Schaltungen umfaßt die Ausgangsimpedanz Z&sub0; äquivalent einen negativen Widerstand und die obengenannten Schaltungen werden angewandt, wenn ein elektro-akustischer Wandler des dynamischen oder elektromagnetischen Typs verwendet wird. Wenn ein piezoelektrischer oder elektrostatischer Wandler (Lautsprecher) verwendet wird, entspricht im Gegensatz dazu die Nicht- Bewegungsimpedanzkomponente einer Kapazität bzw. einem kapazitiven Widerstand. Daher muß die Ausgangsimpedanz Z&sub0; äquivalent eine negative Kapazität bzw. einen negativen kapazitiven Widerstand umfassen. Fig. 20 ist ein Schaltplan einer solchen Schaltung. Der Lautsprecher 132 weist einen elektrostatischen oder piezoelektrischen Lautsprecher auf. Die zwei Enden der Kapazität C an der Masseseite des Lautsprechers 132 sind mit der Rückkopplungsschaltung 133 verbunden. Bei dieser Schaltung ist die Ausgangsimpedanz Z&sub0; gegeben aus der obigen Gleichung (10) durch:
Z&sub0; = C (1-Aβ)
Wenn ein elektro-akustischer Wandler verwendet wird, der eine Induktivität bzw. einen induktiven Widerstand als Nicht-Bewegungsimpedanzkomponente umfaßt, muß die Ausgangsimpedanz Z&sub0; eine äquivalente negative Induktivität umfassen. Da ein dynamischer Lautsprecher oder ähnliches eine gewisse Induktivität als Nicht-Bewegungsimpedanzkomponente sowie einen Widerstand umfaßt, muß, wenn die Induktivitätkomponente ausgelöscht bzw. beseitigt werden soll, die negative Induktivität erzeugt werden. Fig. 21 ist ein Schaltplan einer solchen Schaltung. Wie in Fig. 21 gezeigt ist, sind zwei Enden einer Induktivität bzw. eines induktiven Widerstands L an der Masseseite des Lautsprechers 132 mit der Rückkopplungsschaltung 133 verbunden. Bei dieser Schaltung ist die Ausgangsimpedanz Z&sub0; gegeben durch:
Z&sub0; = L (1-Aβ)
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun beschrieben.
Fig. 22 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels, wobei ein dynamischer Lautsprecher an einem Gehäuse angebracht ist. Wie in Fig. 22 gezeigt ist, ist ein Loch in der hinteren Oberfläche (der linken Oberfläche in Fig. 22) eines Gehäuses 41 als Hohlraum des Helmholtz-Resonators gebildet und ein dynamischer Lautsprecher 42 ist darin angebracht. Der Lautsprecher 42 ist aufgebaut aus einer konischen Membran 43, und ein dynamischer Wandler 44 ist nahe dem oberen Ende der Konusform der Membran 43 angeordnet. Eine Öffnung 45 ist in einem vorstehenden Hals 48 der Vorderseite (der rechten Seite in Fig. 22) des Gehäuses 41 gebildet, und eine Leitung 49, die aus der Öffnung 45, dem Hals 48 usw. aufgebaut ist, bildet einen Resonator als ein akustisches Abstrahlglied der vorliegenden Erfindung. Ein Treiber 46 besitzt eine Servoschaltung 47 zum negativen Widerstandsantrieb, und der dynamische Wandler 44 wird angetrieben von der Ausgabegröße der Servoschaltung 47.
Der dynamische Wandler 44 besitzt einen Gleichstromwiderstand Rv der Lautsprecherspule, während der Treiber 46 eine äquivalente negative Widerstandskomponente (-RV) in der Ausgangsimpedanz besitzt. Daher wird der Widerstand Rv im wesentlichen ausgelöscht bzw. ausgeglichen, und der Vibrator (Lautsprecher 42) wird getrieben, um eine Reaktion von dem Resonator auf die Membran 43 auszulöschen. Die Bezugszeichen RM, IM und CM bezeichnen Bewegungsimpedanzen, die erhalten werden, wenn der Lautsprecher 42 elektrisch äquivalent ausgedrückt wird. Wenn das Volumen des Gehäuses 41 durch V dargestellt wird, die Schnittfläche der Öffnung 45 durch S dargestellt wird und die Halslänge der Leitung 49 durch l dargestellt wird, wie es in der oben beschriebenen Gleichung (1) geschehen ist, ist eine Resonanzfrequenz fop gegeben durch:
fop = c(S/lV)1/2/2π
Die Anordnung des äquivalenten Betriebs des in Fig. 22 gezeigten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 23 gezeigt. Insbesondere ist ein Äquivalent durch die Öffnung 45 gebildeter virtueller Lautsprecher 45' äquivalent zu einem Zustand, in dem er auf einem geschlossenen Gehäuse 41' mit einem unendlichen Volumen angebracht ist. Der Lautsprecher 45' ist mit einem herkömmlichen Verstärker 50 (der nicht aktivem Servoantrieb ausgesetzt ist), über einen äquivalent gebildeten Tiefpaßfilter (LPF) 48' verbunden. Die Resonanzfrequenz fop des virtuellen Lautsprechers 45' wird nur bestimmt durch die Öffnung 45 und die Leitung 46, und der Resonanzwert Q kann nach Bedarf gesteuert bzw. eingestellt werden.
Wie aus der obigen Beschreibung deutlich ist, wird gemäß dem in den Fig. 22 und 23 gezeigten Ausführungsbeispiel der virtuelle Lautsprecher äquivalent gebildet durch die Öffnung 45 und die Leitung 49. Da diese Anordnung äquivalent zu einem Zustand ist, in dem der Lautsprecher auf einem geschlossenen Gehäuse mit einem unendlichen Volumen angebracht ist, können extrem exzellente Baßwiedergabecharakteristika realisiert werden. Die Vorgaben oder Werte der Lautsprechereinheit und des Gehäuses können je nach Wunsch konstruiert werden, ohne einander einzuschränken, und das Gehäuse kann kompakt gemacht werden, ohne daß dies ein Problem darstellt. Die Resonanzfrequenz des durch das Gehäuse und die Leitung gebildeten Resonators kann eingestellt werden unabhängig von dem Volumen des Gehäuses und das System kann kompakt gemacht werden, verglichen mit jeglichen herkömmlichen Lautsprechersystemen. Insbesondere konnten, wenn das Volumen des Helmholtz-Resonanzgehäuses auf 3,5 l eingestellt wurde, ausgezeichnete Schalldruck-Frequenz-Charakteristika erhalten werden, die in Fig. 24 dargestellt sind.
Der virtuelle Lautsprecher ist äquivalent verbunden mit dem Verstärker 50 über den äquivalenten Filter 48', der in Fig. 23 gezeigt ist, und zwar hinsichtlich einer Abweichungsgeschwindigkeit seiner virtuellen Membran.
Ein Bereich, in dem ein Wiedergabeschalldruck nicht ausreichend ist, kann leicht gesteuert werden durch Erhöhen/Vermindern eines Eingangssignalpegels entsprechend der Signalfrequenz durch den Verstärker.
Fig. 25 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 25 gezeigt ist, weist ein Helmholtz-Resonator erste und zweite Resonatoren bzw. Resonanzkörper 51a und 51b, auf, die Öffnungen oder Öffnungsanschlüsse 52a bzw. 52b besitzen. Ein Loch ist in einer Trennwand 53 zwischen den Resonatoren 51a und 51b gebildet, und ein dynamischer Lautsprecher 54 ist darin angebracht. Der Lautsprecher 54 wird getrieben durch einen Treibercontroller bzw. eine Treibersteuerung 30, der bzw. die äquivalent eine negative Ausgangsimpedanz (-Rv) besitzt und nicht beeinflußt wird durch Reaktionen von den ersten und zweiten Resonatoren 51a und 51b, und seine Membran wird zu einem Teil der Wandoberflächen dieser Resonatoren. In diesem Fall besitzen die Helmholtz- Resonanzsysteme A und B unabhängige Resonanzfrequenzen fopa bzw. fopb.
Einige Prototypen, die von den Erfindern konstruiert wurden, werden nachfolgend erklärt.
Fig. 26 ist ein Schaltplan eines Treibers, der verwendet wird, wenn ein virtuelles Lautsprechersystem äquivalent aufgebaut wird unter Verwendung eines einzigen dynamischen Kegellautsprechers. In Fig. 26 ist die negative Ausgangsimpedanz Z&sub0; gegeben durch:
Z&sub0; = RS (1-Rb/Ra) = 0,22 (1-30/1,6) = -3,9 (Ω)
Insbesondere ist die äquivalente Ausgangsimpedanz in der in Fig. 26 gezeigten Schaltung in Fig. 27 gezeigt.
Fig. 28 ist ein Schaltplan eines Negativ-Widerstands- Leistungsverstärkers mit einem niedrigen Klirrfaktor. In Fig. 28 entspricht ein Teil A, der von einer gepunkteten Linie umschlossen ist, dem Detektierwiderstand RS, der in den Fig. 14 und 26 gezeigt ist, und ein Teil B, der von einer gepunkteten Linie umschlossen ist, entspricht einem Teil zum Rückumwandeln einer Spannung entsprechend einem detektierten Stromwert in einen Strom und Rückkoppeln des Stromes zu einer Eingangsseite und entspricht der Schaltung 133 in Fig. 14. Die Spannungs-Strom-Umwandlung wird durchgeführt, um einen Einfluß einer Massepotentialdifferenz zwischen dem Detektierabschnitt und dem Eingangsrückkopplungsabschnitt zu verhindern. Bei dieser Schaltung ist die Ausgangsimpedanz Z&sub0; gegeben durch:
Z&sub0; = RS (1-Rf/Ry)
Da Rf = 30 kΩ, wenn Ry < 30 kΩ, kann daher die Ausgangsimpedanz Z&sub0; eine äquivalente negative Widerstandskomponente umfassen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung erhielten die folgenden Ergebnisse beim Vergleich zwischen dem Effekt der Akustikvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und dem Effekt der herkömmlichen Vorrichtung.
Bei einer Akustikvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung war das Volumen des Hohlraums des Helmholtz- Resonators 6 l, der Innendurchmesser der Öffnung war 3,3 cm und seine Halslänge war 25 cm. Wenn ein Negativ- Widerstands-Treiberbetrieb durchgeführt wurde mit einem dynamischen Kegellautsprecher, konnte eine Baßwiedergabe bis fop = 41 Hz erreicht werden. Im Gegensatz dazu wurde bei der herkömmlichen Vorrichtung, die keinen Negativ- Widerstands-Betrieb durchführt, eine Baßwiedergabe bis zu fop = 41 Hz erreicht, wenn das Volumen des Gehäuses 176 l war und wenn ein dynamischer Kegellautsprecher mit fo = 50 Hz, Q = 0,5 und ein Durchmesser = 20 cm verwendet wurde. Daher wurde herausgefunden, daß gemäß der vorliegenden Erfindung das Volumen des Gehäuses auf ungefähr 1/30 vermindert werden konnte bei einem identischen Baßwiedergabepegel.

Effekt bzw. Wirkung der Erfindung

Wie oben in Einzelheiten beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Membran äquivalent zu einer Wand eines Resonators und eine interne Impedanz eines Vibrators bewirkt. Keine Abnahme des Resonanzwerts Q. Aus diesem Grund kann der Resonanzwert Q extrem erhöht werden. Der Resonator und der Vibrator sind unabhängig voneinander vorhanden und die Resonanzfrequenz des Resonators kann eingestellt werden unabhängig von dem Volumen des Resonators. Daher kann der Resonator leicht kompakt gemacht werden. Wenn der Resonator kompakt gemacht wird und die Resonanzfrequenz vermindert wird, wird bei herkömmlichen Einrichtungen der akustische Widerstand des Resonators erhöht. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung selbst in einem Fall, bei dem der Resonanzwert Q bei einem herkömmlichen Treiberverfahren stark vermindert wird, der Resonanzwert Q nicht durch den Vibrator vermindert. Infolgedessen kann der Resonanzwert Q auf einem ausreichend hohen Wert gehalten werden, und ausreichende akustische Abstrahlleistung des Resonators kann beibehalten werden.
Wie oben beschrieben wurde, kann eine Verbesserung der Abstrahlleistung einer Resonanzschallwelle und ein kompakter Resonator gleichzeitig erreicht werden.
Die Akustikvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann breite Anwendung finden auf Schallquellen von elektronischen und elektrischen Musikinstrumenten und ähnlichem sowie in Audio-Lautsprechersystemen.

Claims

1. Schallapparat bzw. Akustikvorrichtung, der bzw. die folgendes aufweist:

einen Resonanzkörper bzw. Resonator (10) mit einer Resonanzabstrahleinheit (11, 12) zum Abstrahlen einer Akustik- bzw. Schallwelle durch Resonanz;

einen Schwingkörper bzw. Vibrator (20) mit einer Membran (21), welche einen Teil des Resonators (10) bildet und in dem Resonator (10) angeordnet ist; und Vibratortreibermittel (30) zum Treiben des Vibrators (20), wobei der Vibrator (20) seinerseits zum Treiben des Resonators (10) angeordnet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vibratortreibermittel (30) zum Ausüben eines aktiven Servoantriebs des Vibrators (20) angeordnet sind, und zwar derart, daß der Treiberstrom entsprechend erhöht oder vermindert wird, um eine Gegenkraft auf die Membran (21) aufgrund von Luft in dem Resonator (10) im wesentlichen auszugleichen, wobei die Gegenkraft ansprechend auf das Treiben des Resonators (10) durch den Vibrator (20) hervorgerufen wird, so daß angenommen werden kann, daß der Resonator hinsichtlich der Äquivalenzschaltung Treiberenergie von einer Treiberquelle parallel zu dem Vibrator und unabhängig von diesem empfängt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Resonator (10) einen Helmholtz-Resonator mit einer Öffnung (11) aufweist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Öffnung (11) einen zylindrischen Hals bzw. eine zylindrische Verengung (12) besitzt.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Vibrator (20) einen dynamischen, elektroakustischen Wandler aufweist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Vibrator (20) einen elektromagnetischen, elektroakustischen Wandler aufweist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Vibrator (20) einen elektrostatischen, elektroakustischen Wandler aufweist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Vibrator (20) einen piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler aufweist.