CH685657A5 - An active simulation of an acoustic impedance. - Google Patents
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Description
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CH 685 657 A5 CH 685 657 A5
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Beschreibung description
Stand der Technik State 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 Erfindung Presentation 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. In such housings, the occurrence of standing waves 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 Wandelement, auf das die Schallwellen auftreffen. 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 einem 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 diaphragm of the transducer acts as a wall element on which 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, an 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. An electrodynamic transducer is built into an opening in the inner partition so that its membrane separates the two inner volumes and acts on both. One of the top surfaces of the cylinder is provided with one or more openings which connect the inside volume with the outside 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 regard to sound reflection into the outer space. For medium and higher frequencies in particular, 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.
Der Anspruch 5 betrifft die Anwendung der aktiven Impedanz in Lautsprechersystemen mit geschlossenen Gehäusen. Die Impedanzen werden zur Vermeidung von Schallreflexionen im Gehäuse verwendet. The claim 5 relates to the application of active impedance in speaker systems with closed housings. The impedances are used to avoid sound reflections in the housing.
Beschreibung der Zeichnung Description of the drawing
Das Bild zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Lautsprechersystem gemäss Anspruch 5. 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. Diese 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 VI verbinden. Die Durchbrüche sind mit strö-mungsdämpfendem Material ausgekleidet. Der abstrahlende Lautsprecher L ist an das Volumen V1 angrenzend eingebaut. The picture shows a schematic section through a loudspeaker system according to claim 5. 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 loop, 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 VI. The openings are lined with flow-damping material. The radiating loudspeaker L is installed adjacent to the volume V1.
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