AT406105B - DEVICE FOR ACTIVE SIMULATION OF AN ACOUSTIC IMPEDANCE - Google Patents

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Description

AT 406 1 05 BAT 406 1 05 B

Vorrichtung zur aktiven Simulation einer akustischen ImpedanzDevice for the active simulation of an acoustic impedance

Stand der TechnikState of the art

In einigen Anwendungen der Elektroakustik, insbesondere bei Lautsprechersystemen mit geschlossenen oder teilweise offenen Gehäusen, werden Wandelemente benötigt, die Schallwellen in einer bestimmten Art und Weise reflektieren. Oft wird die Forderung erhoben, daß die Wandelemente Schallwellen nur sehr schwach oder gar nicht reflektieren.In some applications of electro-acoustics, particularly in speaker systems with closed or partially open housings, wall elements are required which reflect sound waves in a certain way. The requirement is often raised that the wall elements reflect sound waves only very weakly or not at all.

Bei hohen Frequenzen kann ein bestimmtes Reflexionsverhalten, z.B. Absorption, durch einfache, passive Maßnahmen bewirkt werden. Die Verwendung einer schallabsorbierenden Filz- oder Schaumschicht ist ein Beispiel. Bei tieferen Frequenzen nehmen jedoch die Abmessungen der benötigten passiven Strukturen zu und erreichen oft störende Ausmaße.At high frequencies, a certain reflection behavior, e.g. Absorption, caused by simple, passive measures. The use of a sound absorbing felt or foam layer is an example. At lower frequencies, however, the dimensions of the passive structures required increase and often reach disruptive dimensions.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Erfindungen gemäss den Ansprüchen 1 und 2 bezwecken die aktive Simulation von akustischen Impedanzen. Die erfundenen Vorrichtungen zeichnen sich durch stark verringerte Abmessungen im Vergleich zu passiven Impedanzen aus, insbesondere im Bereich tieferer Frequenzen sind die Unterschiede bedeutend. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindungen gemäss den Ansprüchen 1 und 2 sind Lautsprechersysteme, insbesondere solche mit geschlossenen Gehäusen. In solchen Gehäusen muss das Auftreten von stehenden Wellen möglichst vermieden werden. Schallwellen dürfen also an den Wänden nicht reflektiert werden.The inventions according to claims 1 and 2 aim at the active simulation of acoustic impedances. The invented devices are characterized by greatly reduced dimensions compared to passive impedances, the differences are particularly significant in the range of lower frequencies. A preferred field of application of the inventions according to claims 1 and 2 are loudspeaker systems, in particular those with closed housings. The occurrence of standing waves in such housings must be avoided as far as possible. Sound waves must not be reflected on the walls.

Gemäss Anspruch 1 wird das Verhältnis zwischen dem Gasdruck und der Strömungsgeschwindigkeit, das der gewünschten Impedanzfunktion entspricht, durch geeignete Bewegung der Membran eines elektrodynamischen Wandlers hergestellt. Die Membran des Wandlers wirkt dabei als das Wandelement, auf das die Schallwellen auf treffen. Der Gasdruck, der auf die Membranoberfläche einwirkt, wird mittels eines dort angebrachten Drucksensors gemessen. Vorzugsweise wird dazu eine piezoelektrische Folie aus Polyvinylidenfluorid, PVDF, verwendet. Aufgrund des gemessenen Gasdruckes wird die der gewünschten Impedanz entsprechende Gasgeschwindigkeit ermittelt. Zur Berechnung kann ein Analogmodell oder ein Digitalrechner verwendet werden. Mittels eines Regelkreises wird die dem Druck gemäss der Impedanzfunktion entsprechende Geschwindigkeit der Membranbewegung eingestellt. Der Regelkreis besteht aus einem Regler, vorzugsweise einem Zustandsregler, aus einem Leistungsverstärker, aus dem elektrodynamischen Wandler und aus Sensoren, die die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Membran messen.According to claim 1, the relationship between the gas pressure and the flow rate, which corresponds to the desired impedance function, is established by suitable movement of the membrane of an electrodynamic converter. The membrane of the transducer acts as the wall element that the sound waves hit. The gas pressure that acts on the membrane surface is measured by means of a pressure sensor attached there. A piezoelectric film made of polyvinylidene fluoride, PVDF, is preferably used for this. The gas velocity corresponding to the desired impedance is determined on the basis of the measured gas pressure. An analog model or a digital computer can be used for the calculation. The speed of the membrane movement corresponding to the pressure according to the impedance function is set by means of a control loop. The control loop consists of a controller, preferably a state controller, a power amplifier, the electrodynamic converter and sensors that measure the speed and acceleration of the membrane.

Die Erfindung gemäss Anspruch 3 stellt eine akustische Serienschaltung einer passiven und einer aktiven akustischen Impedanz dar. Ein z.B. zylinderförmiges, akustisch geschlossenes Gehäuse schließt in seinem Inneren zwei Kammern ein, die durch eine innere, akustisch isolierende Wand voneinander getrennt sind. In einen Durchbruch der inneren Trennwand ist ein elektrodynamischer Wandler so eingebaut, daß seine Membran die beiden inneren Volumina voneinander trennt und auf beide einwirkt. Eine der Deckflächen des Zylinders ist mit einem oder mehreren Durchbrüchen versehen, die das Innenvolumen mit dem Außenvolumen verbinden. Die Durchbrüche sind so gestaltet und mit strömungsdämpfenden und schallabsorbierenden Materialien gefüllt, daß bezüglich der Schallübertragung zwischen dem Innenvolumen und dem Außenvolumen und bezüglich der Schallreflexion in den Außenraum eine definierte akustische Leitungsimpedanz wirksam ist. Speziell für mittlere und höhere Frequenzen ist es konstruktiv einfach zu erreichen, daß Schallwellen nicht reflektiert werden. Bei tiefen Frequenzen übernimmt die aktive Impedanz die Aufgabe, eine Schallreflexion zu unterbinden. Die Simulation der Impedanz erfolgt wiederum durch Druckmessung an der Membranoberfläche und Bewegung der Membran mit einer dem Druck gemäss der gewünschten Impedanzfunktion entsprechenden Geschwindigkeit. Die Einstellung der Geschwindigkeit wird mittels eines Regelkreises bewerkstelligt. Die passive Impedanz der Durchbrüche bewirkt daß höhere Frequenzen den Regelkreis nicht beeinflussen. Dies verhindert das Auftreten von Verzerrungen durch die endliche Regelgeschwindigkeit. Eine wegen ihrer Einfachheit bevorzugte Impedanzfunktion der aktiven Impedanz ist der Kurzschluss gemäss Anspruch 4. Der Druck an der Membranoberfläche wird konstant gehalten. Die Gesamtimpedanz der Anordnung gleicht in diesem Fall annähernd der passiven Impedanz.The invention according to claim 3 represents an acoustic series connection of a passive and an active acoustic impedance. cylindrical, acoustically closed housing encloses two chambers inside, which are separated from each other by an inner, acoustically insulating wall. In an opening in the inner partition, an electrodynamic transducer is installed so that its membrane separates the two inner volumes from each other and acts on both. One of the top surfaces of the cylinder is provided with one or more openings which connect the inner volume with the outer volume. The openings are designed and filled with flow-damping and sound-absorbing materials in such a way that a defined acoustic line impedance is effective with regard to the sound transmission between the inner volume and the outer volume and with respect to the sound reflection into the outer space. Especially for medium and higher frequencies, it is structurally easy to achieve that sound waves are not reflected. At low frequencies, the active impedance takes over the task of preventing sound reflection. The impedance is in turn simulated by measuring the pressure on the membrane surface and moving the membrane at a speed corresponding to the pressure in accordance with the desired impedance function. The speed is adjusted by means of a control loop. The passive impedance of the breakthroughs means that higher frequencies do not affect the control loop. This prevents the occurrence of distortions due to the finite control speed. A short-circuit according to claim 4 is a preferred impedance function of the active impedance because of its simplicity. The pressure at the membrane surface is kept constant. The total impedance of the arrangement in this case is approximately the same as the passive impedance.

Die Ansprüche 5 und 6 betreffen Anwendungen der aktiven Impedanzen in Lautsprechersystemen mit geschlossenen Gehäusen. Die Impedanzen werden zur Vermeidung von Schallreflexionen im Gehäuse verwendet. 2Claims 5 and 6 relate to applications of active impedances in loudspeaker systems with closed housings. The impedances are used to avoid sound reflections in the housing. 2nd

Claims (8)

AT 406 105 B Anspruch 7 betrifft ein Lautsprechergehäuse, dessen Innenvolumen als Bündel paralleler Rohre ausgebildet ist. Der Durchmesser der Rohre ist so gewählt, daß die Wellenlänge der höchsten wiedergegebenen Frequenzen den Durchmesser wesentlich übersteigt. Dadurch werden stehende Wellen quer zur Rohrachse vermieden. Stehende Wellen in Längsrichtung werden durch eine entsprechende Abschlussimpedanz vermieden. Beschreibung der Zeichnung Das Bild zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Lautsprechersystem gemäss Anspruch 6. Das Innenvolumen des Gehäuses G ist durch zwei Trennwände T1, T2 in drei Teilvolumina V1, V2 und V3 geteilt. In die Trennwand T2 ist ein elektrodynamischer Wandler TR eingebaut. An dessen Membran M wird der Gasdruck mittels eines Drucksensors S gemessen. Das vom Drucksensor erzeugte Signal wird einem Analogmodell AM der Impedanz zugeführt. Dieses Modell erzeugt ein Signal, das die Sollgeschwindigkeit der Membran beschreibt. Mittels eines Regelkreises, bestehend aus dem Wandler TR, aus einem Leistungsverstärker A, dem Regler R und einem Geschwindigkeitssensor V, wird die Geschwindigkeit der Membran M eingestellt. Die Trennwand T1 ist mit Durchbrüchen D versehen, die das mittlere Volumen V2 mit dem ersten Volumen V1 verbinden. Die Durchbrüche sind mit strömungsdämpfendem Material ausgekleidet. Der abstrahlende Lautsprecher L ist an das Volumen V1 angrenzend eingebaut. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Simulation einer vorgebbaren akustischen Impedanz, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrodynamischer Wandler in die Außenwand eines akustisch geschlossenen Gehäuses derartig eingebaut ist, daß seine Membran das innenvolumen vom Außenvolumen trennt, daß die äußere Oberfläche der Membran des Wandlers mit einem Drucksensor versehen ist, der den dort wirksamen Gasdruck misst und ein diesem Gasdruck proportionales elektrisches Signal erzeugt, daß mittels Sensoren die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Membran gemessen werden, daß der Wandler als Teil eines Regelkreises arbeitet, der weiters aus einem Regler und aus einem Leistungsverstärker besteht, daß als Regler insbesondere ein Zustandsregler verwendet wird, daß der Regler über den Leistungsverstärker die Membrangeschwindigkeit als Regelgröße einstellt, und daß die Sollgeschwindigkeit der Membran mittels eines Analogmodells oder eines Rechners aufgrund des auf der Membranoberfläche gemessenen Druckes entsprechend der gewünschten Impedanzfunktion ermittelt und dem Regler als Sollwert zugeführt wird.AT 406 105 B Claim 7 relates to a loudspeaker housing, the inner volume of which is designed as a bundle of parallel tubes. The diameter of the tubes is chosen so that the wavelength of the highest reproduced frequencies significantly exceeds the diameter. This avoids standing waves transverse to the pipe axis. Standing waves in the longitudinal direction are avoided by an appropriate terminating impedance. Description of the drawing The picture shows a schematic section through a loudspeaker system according to claim 6. The inner volume of the housing G is divided into three partial volumes V1, V2 and V3 by two partition walls T1, T2. An electrodynamic converter TR is built into the partition T2. The gas pressure is measured on its membrane M by means of a pressure sensor S. The signal generated by the pressure sensor is fed to an analog model AM of impedance. This model generates a signal that describes the target speed of the membrane. The speed of the membrane M is set by means of a control circuit, consisting of the converter TR, a power amplifier A, the controller R and a speed sensor V. The partition T1 is provided with openings D, which connect the average volume V2 with the first volume V1. The openings are lined with flow-damping material. The radiating loudspeaker L is installed adjacent to the volume V1. Claims: 1. Device for simulating a predeterminable acoustic impedance, characterized in that an electrodynamic transducer is built into the outer wall of an acoustically closed housing in such a way that its membrane separates the inner volume from the outer volume that the outer surface of the diaphragm of the transducer with a pressure sensor is provided, which measures the effective gas pressure there and generates an electrical signal proportional to this gas pressure, that the speed and acceleration of the membrane are measured by means of sensors, that the converter works as part of a control circuit, which further consists of a controller and a power amplifier that in particular a state controller is used as the controller, that the controller sets the membrane speed as a controlled variable via the power amplifier, and that the nominal speed of the membrane by means of an analog model or a computer based on that on the membrane Surface measured pressure determined according to the desired impedance function and fed to the controller as a setpoint. 2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Drucksensor eine Schicht aus Polyvinylidenfluorid, PVDF, verwendet wird, die auf die Membran des elektrodynamischen Wandlers aufgebracht ist.2. Device according to claim 1, characterized in that a layer of polyvinylidene fluoride, PVDF, is used as the pressure sensor, which is applied to the membrane of the electrodynamic converter. 3. Vorrichtung zur Simulation einer akustischen Impedanz, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung als akustisch geschlossenes Gehäuse ausgebildet ist, dessen Innenvolumen durch eine akustisch trennende Wand in zwei Teilvolumina geteilt ist, daß in einen Durchbruch der inneren Trennwand ein elektrodynamischer Wandler derartig eingebaut ist, daß seine Membran die beiden Volumina voneinander trennt daß eine Oberfläche der Membran mit einem Drucksensor versehen ist, der den Gasdruck an dieser Oberfläche misst und ein proportionales elektrisches Signal erzeugt, daß das Innenvolumen, an welches die mit dem Gasdrucksensor belegte Oberfläche angrenzt, über einen oder mehrere Durchbrüche in der Gehäusewand mit dem Außenvolumen verbunden ist, daß diese Durchbrüche so gestaltet und mit akustisch dämpfenden Material gefüllt sind, daß sie eine definierte akustische Impedanz aufweisen, daß der innere Wandler als Teil eines Regelkreises arbeitet, der weiters aus einem Regler und einem Leistungsverstärker besteht, daß mittels Sensoren die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Membran gemessen werden, daß der Regler über den Leistungsverstärker die Membrangeschwindigkeit als Regelgröße einstellt, daß die Sollgeschwindigkeit der Membran aufgrund des auf der Membranoberfläche gemessenen Druckes ermittelt und dem Regler als Sollwert zugeführt wird, und daß der Sollwert derartig gewählt wird, daß durch die kombinierte Wirkung der akustischen Impedanz der 3 AT 406 105 B Durchbrüche in der Außenwand und der Bewegung der inneren Membran die gewünschte akustische Impedanz der Anordnung erzielt wird.3. Device for simulating an acoustic impedance, characterized in that this device is designed as an acoustically closed housing, the inner volume of which is divided into two partial volumes by an acoustically separating wall, that an electrodynamic transducer is installed in a breakthrough of the inner dividing wall in such a way that its membrane separates the two volumes from one another, that a surface of the membrane is provided with a pressure sensor that measures the gas pressure on this surface and generates a proportional electrical signal that the internal volume, which is adjacent to the surface occupied by the gas pressure sensor, via one or more Breakthroughs in the housing wall is connected to the external volume, that these breakthroughs are designed and filled with acoustically damping material that they have a defined acoustic impedance that the inner transducer works as part of a control loop, which also consists of a controller and a power amplifier, that the speed and acceleration of the membrane are measured by sensors, that the controller uses the power amplifier to set the membrane speed as a control variable, that the target speed of the membrane is determined on the basis of the pressure measured on the membrane surface and fed to the controller as a setpoint , and that the setpoint is selected such that the desired acoustic impedance of the arrangement is achieved by the combined effect of the acoustic impedance of the 3 AT 406 105 B openings in the outer wall and the movement of the inner membrane. 4. Vorrichtung gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck an der Membranoberfläche und im angrenzenden Innenvolumen durch entsprechende Membranbewegungen annähernd konstant gehalten wird, und daß somit die akustische Impedanz der Anordnung hauptsächlich durch die Impedanz der Durchbrüche bestimmt ist.4. The device according to claim 3, characterized in that the pressure on the membrane surface and in the adjacent inner volume is kept approximately constant by appropriate membrane movements, and that thus the acoustic impedance of the arrangement is mainly determined by the impedance of the openings. 5. Lautsprechersystem mit einem geschlossenen Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß in Durchbrüche der Gehäusewand Vorrichtungen eingebaut sind, die mittels ihrer Membranen als akustische Impedanzen auf das Innenvolumen einwirken, wobei der gewünschte Impedanzverlauf durch aktive Simulation erzeugt wird, und die auf den das Gehäuse umgebenden Außenraum keine Wirkung ausüben, daß die Größen der Impedanzen derartig gewählt sind, daß akustische Wellen im Innenvolumen des Gehäuses beim Auftreffen auf die impedanzsimulierenden Vorrichtungen aufgrund der dem Innenvolumen angepassten Impedanzwerte nicht reflektiert werden, und daß somit die Bewegungen der Membranen der abstrahlenden Lautsprecher und die Wände des Gehäuses nicht durch reflektierte Wellen im Innenvolumen des Gehäuses beeinflusst werden.5. Loudspeaker system with a closed housing, characterized in that devices are built into openings in the housing wall, which act as acoustic impedances on the internal volume by means of their membranes, the desired impedance profile being generated by active simulation, and on the outside space surrounding the housing have no effect that the sizes of the impedances are selected in such a way that acoustic waves in the interior volume of the housing are not reflected when striking the impedance-simulating devices due to the impedance values matched to the interior volume, and thus the movements of the membranes of the radiating loudspeakers and the walls of the Housing cannot be influenced by reflected waves in the interior volume of the housing. 6. Lautsprechersystem gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse die Form eines Rohres auf weist, daß der Durchmesser des Rohres annähernd dem Durchmesser der Membran des abstrahlenden Lautsprechers gleicht, daß dieser Lautsprecher das Rohr an dessen einen Ende abschließt, und daß das andere Ende durch eine Vorrichtung zur aktiven Impedanzsimulation geschlossen ist.6. Loudspeaker system according to claim 5, characterized in that the housing has the shape of a tube, that the diameter of the tube is approximately equal to the diameter of the membrane of the radiating speaker, that this speaker closes the tube at one end, and that the other End is closed by a device for active impedance simulation. 7. Vorrichtung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusemantel ein Bündel von parallelen Rohren umschließt.7. The device according to claim 6, characterized in that the housing jacket encloses a bundle of parallel tubes. 8. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse, an dessen Innenvolumen die Membran des simulierenden Wandlers angrenzt, und in dem kein Drucksensor angeordnet ist über Öffnungen mit dem Außenraum verbunden ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 48. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the housing, on the inner volume of which the membrane of the simulating transducer is adjacent, and in which no pressure sensor is arranged is connected via openings to the outer space. Including 1 sheet of drawings 4
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