DE102004021546A1

DE102004021546A1 - Hornlautsprecher

Info

Publication number: DE102004021546A1
Application number: DE200410021546
Authority: DE
Inventors: Matthias Ruff
Original assignee: AVANTGARDE ACOUSTIC LAUTSPRECH; AVANTGARDE ACOUSTIC LAUTSPRECHERSYSTEME GmbH
Current assignee: AVANTGARDE ACOUSTIC LAUTSPRECH; AVANTGARDE ACOUSTIC LAUTSPRECHERSYSTEME GmbH
Priority date: 2004-05-03
Filing date: 2004-05-03
Publication date: 2005-12-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lautsprechersystem mit einem elektroakustischen Wandler, der elektrische Signale in Schallwellen umwandelt, einem Trichter, der die Schallwellen führt, sowie einem Verstärker. Um ein Lautsprechersystem mit Schalltrichter zur Verfügung zu stellen, das auch im Baßbereich in der Lage ist, Schall möglichst verzerrungsfrei zu reproduzieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Verstärker eine negative Ausgangsimpedanz hat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lautsprechersystem mit einem elektroakustischen Wandler, der elektrische Signale in Schallwellen umwandelt, einem Trichter, der die Schallwellen führt, sowie einem Verstärker.

Solche Lautsprechersysteme sind seit langem bekannt. Üblicherweise wird ein elektro-akustischer Wandler mit einer bewegten Membran verwendet. Diese Membranen werden im allgemeinen elektrodynamisch, elektrostatisch oder piezoelektrisch angesteuert. Bei der am häufigsten verwendeten elektrodynamischen Ansteuerung wird eine Treiberspule in einem Magnetfeld, das entweder durch einen Permanentmagneten oder durch einen Elektromagneten erzeugt werden kann, durch Anlegen einer Spannung bzw. durch den daraus resultierenden Stromfluß durch die Spule in Bewegung versetzt. Die hierdurch erzeugte Membranantriebskraft ist proportional zum Stromfluß, der effektiven Leiterlänge im Magnetfeld und der magnetischen Flußdichte des Magnetfeldes.

Der Verstärker dient dazu, ein Eingangssignal zu verstärken. Das verstärkte Signal treibt dann die Membran an. Es versteht sich, daß der Verstärker auch Verstärkungsfaktoren von 1 und weniger aufweisen kann.

Die Strahlungsleistung eines elektroakustischen Wandlers, insbesondere einer Membran, wird im wesentlichen durch den Schallfluß (Fläche und Hub der Membran), sowie der Frequenz bestimmt. Dies hat zur Folge, daß, um eine von der Frequenz unabhängige Schalleistung zu erreichen, bei tiefen Frequenzen der Schallfluß vergrößert werden muß. Dies bedeutet jedoch, daß für tiefe Frequenzen möglichst große Membranflächen und große Hubausschläge verwendet werden müssen. Beide Maßnahmen stoßen jedoch auf praktische Grenzen. So hat beispielsweise eine kreisförmige Lautsprechermembran mit einem Durchmesser von 20 mm bei einer Frequenz von 40 Hz und einer Maximalauslenkung von 2 mm aus der Ruhelage bei allseitiger Abstrahlung aus einem geschlossenen Gehäuse eine akustische Leistung von nur etwa 2 mW. Bei diesem Berechnungsbeispiel wurde vorausgesetzt, daß sich die akustische Leistung in allen Richtungen ausbreitet. Wird jedoch beispielsweise ein Lautsprecher in eine ebene Wand eingesetzt, so führt dies dazu, daß nun die akustische Leistung nur in einen Halbraum ausgestrahlt wird, was die Schallenergiedichte und die Schallintensität verdoppelt. Die Schallintensität kann noch weiter erhöht werden, wenn der Lautsprecher in der Zimmerecke eingesetzt wird.

Mit anderen Worten kann die Schalleistung durch Verkleinerung des Raumwinkels, in den der Lautsprecher abstrahlt, erhöht werden. Dies ist das Funktionsprinzip eines Sprachrohrs oder eines Schalltrichters. Es gibt daher bereits sogenannte Hornlautsprecher, die entsprechende Schalltrichter verwenden. Allerdings muß die Erweiterung des Schalltrichters bis zu einer so großen Fläche am Trichterende bzw. Trichtermund fortgeführt werden, daß am Trichterende vorzugsweise eine gerichtete Abstrahlung erfolgt. Theoretische Berechnungen haben gezeigt, daß der Schalltrichter sich am besten exponentiell weitet, um eine möglichst gute Schallführung zu erzielen. Diese idealen Schallführungsbedingungen gelten jedoch nur innerhalb des Trichters, d.h. bis zum offenen Ende hin. Am Ende des Trichters erfolgt jedoch zwingend ein abrupter Übergang, der grundsätzlich eine Reflexion in den Trichter zurück zur Folge hat.

Trichter- oder Hornlautsprecher haben aufgrund ihrer Schallführung einen hohen Wirkungsgrad, eine exzellente Impulswiedergabe, eine hohe Strahlungsdämpfung, zeigen geringe Membranauslenkungen, keine Dynamikkompression und nur geringe Verzerrungen. Dennoch werden Hornlaufsprecher relativ selten eingesetzt. Dies liegt daran, daß beispielsweise bei einem runden Hornquerschnitt sich die untere Grenzfrequenz F₀ des Trichters zu F₀ = c/2πr_m berechnet, wobei c die Schallgeschwindigkeit und r_m der Radius der Mundöffnung des Horns (in m) ist. Bei einer unteren Grenzfrequenz von 50 Hz gibt dies bereits einen Durchmesser am Trichterausgang von 2,2 m. Für hohe Ansprüche müßten diese Dimensionen noch weiter erhöht werden. Hörner zur Wiedergabe eines angemessen tiefen Basses sind somit riesige Aufbauten, die sich in normalen Wohnräumen nicht unterbringen lassen. Hornlautsprecher wurden daher früher hauptsächlich zur Beschallung von Kinos und großen Sälen eingesetzt.

In diesem Zusammenhang soll darauf hingewiesen werden, daß Trichter nicht unbedingt einen runden Querschnitt haben müssen. Bekannt sind beispielsweise auch rechteckige Querschnitte. Die untere Grenzfrequenz ist dann nicht eindeutig definiert, insbesondere kann es dann mehrere Grenzfrequenzen oder ein ganzes Grenzfrequenzband geben. Wenn im folgenden von der unteren Grenzfrequenz F₀ die Rede ist, soll die Frequenz F₀ = c/2πr_min verstanden werden, wobei r_min der Radius des in den Trichterausgang einbeschrieben Inkreis sein soll.

Da in Wohnräumen der Trichter nicht beliebig groß ausgeführt werden kann, ist man in der Praxis gezwungen, den Trichter kleiner auszuführen, als es idealerweise notwendig wäre. Dies führt jedoch zu Eigenschwingungen des Trichters. Außerdem treten Rückreflexionen auf. Wird ein normaler ungeregelter Verstärker zum Antrieb des Lautsprechersystems verwendet, werden diese Nichtlinearitäten des Trichterlautsprechers nicht korrigiert. Dies führt wiederum zum typischen Dröhnen eines Trichterlautsprechers im Bereich seiner unteren Grenzfrequenz F₀.

Um dieses Dröhnen zu verhindern, wird üblicherweise die Federsteife des Treibersystems, das die Membran antreibt, gleich dem Blindwiderstand des Trichters gesetzt oder sogar darüber gewählt. Durch die Verwendung von Treibern mit einer sehr harten Einspannung und/oder geringer Membranmasse und/oder kleinem rückwärtigem Volumen wird die Resonanzfrequenz des Treibersystems TF₀, d.h. des Systems bestehend aus Treiberspule und Gehäuse, in dem der Treiber aufgenommen ist, über die Grenzfrequenz F₀ des Hornes gelegt. Durch dieses sogenannte „reactance annulling" erfolgt eine harte Dämpfung des Treibersystems, die wiederum eine effektive Schallabgabe unterhalb von TF₀ wirksam verhindert. Das Aufschaukeln des Lautsprechersystems durch die Rückreflexion wird somit wirksam reduziert, weil der Treiber den kritischen Bereich der Grenzfrequenz F₀ des Horns nur vermindert wiedergeben kann.

Zwar ist es durch diese Maßnahme gelungen, das typische Dröhnen des Hornlautsprechers zu vermindern, jedoch kann der Hornlautsprecher unterhalb der Grenzfrequenz F₀ des Horns nur wenig Schall produzieren. Hornsysteme mit Dimensionen, die sich in einem üblichen Wohnraum installieren lassen, sind daher für den Baßbereich nicht geeignet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lautsprechersystem mit Schalltrichter zur Verfügung zu stellen, das auch im Baßbereich in der Lage ist, Schall möglichst verzerrungsfrei zu reproduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verstärker eine negative Ausgangsimpedanz hat.

Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz verwenden neben der üblichen Spannungsgegenkopplung zusätzlich eine Strommitkopplung. Die Größe der Strommitkopplung bestimmt das Ausmaß der negativen Ausgangsimpedanz. Mit Vorteil ist daher die Strommitkopplung derart dimensioniert, daß sie mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 80% und besonders bevorzugt mindestens 90% des Gleichstromwiderstandes des elektroakustischen Wandlers kompensiert. Durch diese Maßnahme werden alle auftretenden Resonanzen, die durch Rückreflexion am Trichtermund und/oder durch größere Reflexionen entstehen und den Impedanzgang des Treibers beeinflussen, ausgeglichen.

Das bei der unteren Grenzfrequenz des Horn- bzw. Trichterlautsprechers üblicherweise auftretende Dröhnen wird wirkungsvoll unterbunden, obgleich der Lautsprecher bei dieser Frequenz Schall abgibt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich der Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz automatisch in seiner Wirkungsweise auf die Lage und Höhe des Impedanzpeaks einstellt. D.h., daß sich der Verstärker automatisch auf Resonanzen einstellt, unabhängig davon, ob sich die Reflexion des Schalls im Trichter in einen anderen Frequenzbereich verlagert oder sich vom Betrag her ändert. Dies kann beispielsweise durch unterschiedliche Aufstellungen des Lautsprechersystems im Raum, wie zum Beispiel im Freifeld, an der Wand, in der Ecke, hervorgerufen werden. Darüber hinaus kann durch die erfindungsgemäße Maßnahme auch der üblicherweise vorliegende starke Pegelabfall unterhalb der Resonanzfrequenz der rückwärtigen Gehäusekammer linearisieren.

Die Kombination eines Horn- bzw. Trichterlautsprechers mit einem Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz ermöglicht eine tiefreichende Baßwiedergabe trotz relativ kleiner Dimension des Trichters. Somit werden die Vorteile des Trichters, wie zum Beispiel die gute Dynamik, der geringe Membranhub, die schnelle Impulswiedergabe, die geringe Verzerrung, usw., nicht, wie im Stand der Technik üblich, durch eine fehlende oder stark geschwächte Tiefbaßwiedergabe erkauft.

Darüber hinaus ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Strommitkopplung des Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz derart dimensioniert, daß sie mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 80% und besonders bevorzugt mindestens 90% der Induktivität des elektroakustischen Wandlers kompensiert.

In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform weist der elektroakustische Wandler eine schwingfähige Membran und eine Schwingspule auf.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform hat der elektroakustische Wandler eine Resonanzfrequenz TF₀ und der Trichter eine untere Grenzfrequenz F₀, wobei die Resonanzfrequenz TF₀ kleiner oder gleich der unteren Grenzfrequenz F₀ ist.

Diese Maßnahme stellt sicher, daß der Treiber den Hornlautsprecher auch noch bei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz des Horns ansteuern kann. Bevorzugt sind elektroakustische Wandler mit relativ weicher Einspannung und relativ hohem rückwärtigen Volumen.

Es hat sich gezeigt, daß mit Vorteil die Grenzfrequenz mindestens um 20% größer als die Resonanzfrequenz TF₀ des elektroakustischen Wandler ist.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Grenzfrequenz F₀ des Trichters < 80Hz, vorzugsweise < 50Hz und besonders bevorzugt < 40 Hz.

Darüber hinaus ist es zweckmäßig, wenn das Lautsprechersystem eine aktive Frequenzweiche aufweist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
1 die Frequenzabhängigkeit der elektrischen Impedanz eines Hornlautsprechers,
2 den elektrischen Impedanzverlauf eines Lautsprechers in einem geschlossenen Gehäuse,
3 die Frequenzabhängigkeit der Ausgangsspannung eines konventionellen Verstärkers,
4 den resultierenden Frequenzgang des Lautsprechers in einem geschlossenen Gehäuse beim Betrieb mit einem konventionellen Verstärker,
5 den Impedanzverlauf eines Lautsprechers in einem geschlossenen Gehäuse,
6 die Ausgangsspannung eines Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz,
7 den resultierenden Frequenzgang des Lautsprechers in einem geschlossenen Gehäuse beim Betrieb mit einem Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz,
8 den Blindwiderstand eines Trichters,
9 den Impedanzverlauf des Horntreibers,
10 den resultierenden Frequenzgang,
11 den Strahlungswiderstand eines Trichters und eines Treibers,
12 den Frequenzgang eines typischen Treibers in einem geschlossenen Gehäuse ohne Horn,
13 die Ausgangsspannung eines konventionellen Verstärkers,
14 den resultierenden Frequenzgang,
15 den Strahlungswiderstandswert eines Trichters,
16 den Impedanzverlauf eines Lautsprechers mit einem Horntrichter,
17 die Ausgangsspannung eines Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz,
18 den resultierenden Frequenzgang des Hornlautsprechers mit einem Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz,
19 den Impedanzverlauf eines Lautsprechers mit einem Horntrichter, wobei die Resonanzfrequenz des Treibers unterhalb der Grenzfrequenz des Trichters liegt,
20 den resultierenden Frequenzgang des Hornlautsprechers mit einem normalen Verstärker,
21 die Ausgangsspannung eines Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz,
22 die Ausgangsspannung eines Verstärkers mit motional feed-back,
23 den resultierenden Frequenzgang des Hornlautsprechers mit einem Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz,
24 die aktive Baßentzerrung mittels Frequenzweiche,
25 den resultierenden Frequenzgang des Hornlautsprechers mit einem Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz bei Verwendung einer aktiven Baßentzerrung mit entsprechender Filtercharakteristik,
26 ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
27 ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
28 ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Wie bereits eingangs bemerkt wurde, sind Hornlautsprecher bereits seit langem bekannt. Durch den verwendeten Trichter, der eine sich stetig erweiternde Schallführung bereitstellt, wird die laterale Schallausbreitung verhindert, und es wird für einen weitgehend allmählichen Übergang zum freien Raum gesorgt. Die Form des Trichters kann prinzipiell beliebig sein. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß Exponentialtrichter die günstigsten Übertragungswerte zeigen.
Grundsätzlich ist mit Hornlautsprechern ein hoher Wirkungsgrad, eine exzellente Impulswiedergabe, eine hohe Strahlungsdämpfung, eine geringe Membranauslenkung, keine Dynamikkompression und nur geringer Verzerrungen zu erzielen. Dennoch kommen Hornlautsprecher relativ selten zum Einsatz, da der Trichtermund, um den vollständigen hörbaren Frequenzbereich zu tragen, einen Durchmesser von mehreren Metern haben müßte, was den Einsatz der Hornlautsprechern in gewöhnlichen Wohnräumen stark beschränkt.
Werden dennoch Hornlautsprecher in Wohnräumen verwendet, so müssen kleinere Trichter eingesetzt werden, was jedoch bedeutet, daß es beim Austritt der Schallwellen aus dem Trichtermund zu Rückreflexionen zu der Membran kommt, die ein Dröhnen des Hornlautsprechers im Bereich seiner Grenzfrequenz F₀ bewirken. Schematisch ist dies in 1 gezeigt, in der der elektrische Impedanzverlauf 1 über der Frequenz 2 dargestellt ist. Bei der Grenzfrequenz 3 des Trichters wird ein starker Impedanzanstieg beobachtet.
Wie bereits erläutert wurde, kann dieses Dröhnen dadurch reduziert werden, daß das sogenannte Treibersystem, das die schwingfähige Membran des elektroakustischen Schallwandlers antreibt, entsprechend dimensioniert wird, so daß die Resonanzfrequenz des Treibersystems oberhalb der Grenzfrequenz des Hornes liegt. Dadurch wird die Schallabstrahlung unterhalb der Resonanzfrequenz des Treibersystems unterdrückt, so daß es bei der Grenzfrequenz des Trichters zu keinen Rückreflexionen kommt.
Das Prinzip des sogenannten „reactance annulling" ist in den 8 bis 10 gezeigt. In 8 ist schematisch der Blindwiderstandwert 13 eines Trichters über der Frequenz 2 dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, daß der Blindwiderstand bei der unteren Grenzfrequenz F₀ 14 des Trichters ein Maximum zeigt.
In 9 ist zum Vergleich der Impedanzverlauf 1 des Treibersystems gezeigt, dessen Resonanzfrequenz TF₀ 3 oberhalb der unteren Grenzfrequenz F₀ 14 liegt. Wird nun ein Treibersystem mit einem Impedanzverlauf, wie er in 9 gezeigt ist, mit einem Trichter mit einem Blindwiderstandsverlauf, wie er in 8 gezeigt ist, verwendet, so erhält man den in 10 schematisch dargestellten Frequenzgang. Deutlich zu erkennen ist, daß die Lautstärke 6 unterhalb der Resonanzfrequenz des Treibers stark abfällt, so daß im Bereich der unteren Grenzfrequenz 14 des Trichters praktisch keine Lautstärke mehr übertragen wird, wodurch das typische Trichterdröhnen weitgehend vermieden wird.
Durch dieses Verfahren kann zwar das Trichterdröhnen vermieden werden, das Horn kann jedoch unterhalb der Grenzfrequenz F₀ nur wenig Schall reproduzieren. Der Hornlautsprecher ist somit für den Bereich tiefer Frequenzen in der Praxis nicht realisierbar.
Um Trichterlautsprecher für tiefe Frequenzen bereitzustellen, wird daher erfindungsgemäß statt dem üblichen „reactance annulling" ein Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz benutzt.
Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz sind seit langem bekannt und werden beispielsweise verwendet, um bei dynamischen Lautsprechern kleine Gehäusevolumina aktiv zu kompensieren.
Bei Verstärkern mit negativer Ausgangsimpedanz wird neben dem häufig verwendeten Spannungskupplung eine Strommitkopplung verwendet, deren Größe das Maß der negative Ausgangsimpedanz bestimmt. Wird die Strommitkopplung richtig gewählt, so kann der Gleichstromwiderstand der Schwingspule und deren Induktivität weitestgehend kompensiert werden. Im theoretischen Idealfall, d.h. bei angenommener 100%-iger Kompensation, „sieht" der Verstärker keinen Widerstand mehr, d.h. die Ausgangsleistung des Verstärkers geht gegen unendlich, bis die durch die Bewegung der Schwingspule rückinduzierte Spannung dem Verstärker eine adäquate Impedanz entgegenstellt. Mit anderen Worten, entspricht die Ausgangsspannung des Verstärkers der Differenz der Eingangsspannung zur Geschwindigkeit der Schwingspule. In gewisser Weise kann man somit sagen, daß durch die Verwendung eines Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz ein sogenanntes „motional feedback" zur Verfügung gestellt wird.
Gegebenenfalls kann das Signal vor der Verstärkerschaltung integriert werden, dann entspricht die Ausgangsspannung des Verstärkers der Differenz der Eingangsspannung zur Beschleunigung der Schwingspule. Da ein gleichbleibender Schalldruck einer gleichbleibenden Beschleunigung der Luft entspricht (nicht der Geschwindigkeit der Luft), wird so der Frequenzgang des Lautsprechers linearisiert. Zur Verdeutlichung zeigt 5 den typischen Impedanzverlauf eines Lautsprechers in einem kleinen geschlossenen Gehäuse, der im Bereich der Resonanzfrequenz des Treibers 3 stark ansteigt. Der Impedanzanstieg bei höheren Frequenzen 4 beruht auf dem Anstieg der Schwingspuleninduktivität des Treibersystems, was jedoch für die vorliegende Erfindung keinerlei Bedeutung hat.
Ein konventioneller Verstärker, d.h. ein Verstärker ohne negative Ausgangsimpedanz, liefert eine konstante Ausgangsspannung, wie schematisch in 3 dargestellt ist. Wird nun ein solch konventioneller Verstärker bei einem Lautsprecher mit dem in 5 gezeigten Impedanzverlauf verwendet, so kommt es zu dem in 4 schematisch dargestellten Frequenzgang. Deutlich zu erkennen ist, daß es im Bereich der Resonanzfrequenz des Treibers 3 es zu einem Pegelanstieg 7 kommt. Auch hier ist im Bereich von hohen Frequenzen ein Pegelabfall 8 zu beobachten, der wiederum durch die größere Induktivität des Treibersystems bei hohen Frequenzen beruht, was jedoch für die vorliegende Erfindung keine Rolle spielt.
Wird nun statt einem konventionellen Verstärker ein Verstärker mit motional feedback verwendet, so zeigt dieser in Kombination mit einem Lautsprecher mit den in 5 gezeigten Impedanzverlauf die in 6 gezeigte Ausgangsspannung, wenn der Gleichstromwiderstand und die Induktivität der Schwingspule kompensiert sind. Es ist zu erkennen, daß die Ausgangsspannung im Bereich der Resonanzfrequenz des Treibersystems reduziert ist. Der resultierende Frequenzgang ist in 7 gezeigt.
Durch die Verwendung eines Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz ist es somit gelungen, die Nichtlinearitäten im Bereich der Resonanzfrequenz des Treibers weitestgehend zu eliminieren.
Ein Hornlautsprecher wurde bislang nicht mit einem Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz kombiniert, da dies der vorherrschenden Lehrmeinung zuwiderläuft.
Aus theoretischer Sicht ist nämlich eine Kombination von einem Baßhornlautsprecher mit einem Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz falsch. Zur Verdeutlichung ist in 11 der typische Strahlungswiderstand eines Trichters dargestellt. Der Trichter linearisiert den Strahlungswiderstand bis zu seiner unteren Grenzfrequenz F₀ 14. Im Vergleich dazu ist der Strahlungswiderstand eines Treibers in einem geschlossenen Gehäuse 16 gezeigt. Unterhalb der durch die Größe der abstrahlenden Membranfläche determinierten Frequenz 17 fällt der Strahlungswiderstand kontinuierlich ab.
12 zeigt den Frequenzgang eines typischen Treibersystems für einen Trichterlautsprecher in einem geschlossenen Gehäuse, d.h. ohne Trichter. Der Schallpegelverlauf dieses Treibersystems ohne Horn nimmt kontinuierlich zu tiefen Frequenzen hin ab. Ein Trichter hat jedoch bei höherem Strahlungswiderstand einen höheren Wirkungsgrad. Wird also ein Treiber mit dem in 12 gezeigten Frequenzgang mit einem normalen Verstärker, d.h. ohne negative Ausgangsimpedanz (Ausgangsspannung entsprechend 13), an dem Trichter mit dem in 11 gezeigten Strahlungswiderstand betrieben, so wird der Schallverlauf durch den Trichter linearisiert, wie schematisch in 14, die den resultierenden Frequenzgang zeigt, dargestellt ist.
Würde man bei dieser Horn-/Treiberkombination aber statt eines normalen Verstärkers einen Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz verwenden, so ergäbe sich folgendes Bild. Da bei den Hornlautsprechern die Resonanzfrequenz des Treibersystems größer als die Grenzfrequenz des Horns ist, aufgrund des sogenannten „reactance annulling", zeigt die motional feedback-Schaltung keinen Erfolg, da die Treiberresonanz durch das Horn gedämpft wird und der Impedanzgang des Treibers keine Schwankungen aufweist.
Doch selbst wenn man die Resonanzfrequenz des Treiber, entgegen den Lehren des Standes der Technik, unterhalb der Grenzfrequenz des Horns legt, so ergibt sich folgendes Bild. In 15 ist wieder schematisch der typische Strahlungswiderstand eines Trichters im Bereich seiner unteren Grenzfrequenz F₀ gezeigt. Bei hohem Strahlungswiderstand wird der Lautsprecher durch das Hom optimal gedämpft. Die elektrische Impedanzkurve des Treibers an dem Trichter ist in 16 schematisch dargestellt. Gehäuseresonanzen sind in 16 nicht berücksichtigt worden. Der Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz „sieht" in diesem Fall einen hohen elektrischen Widerstand des Treibers im Bereich seiner Resonanzfrequenz und reagiert darauf mit einer reduzierten Ausgangsspannung, wie schematisch in 17 dargestellt ist. Dies führt zu dem in 18 gestrichelt dargestellten Frequenzgang. Durch den Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz wird somit der Frequenzgang unterhalb der Grenzfrequenz F₀ des Trichters abgesenkt. Zum Vergleich ist in 18 als durchgezogene der normale Frequenzgang, d.h. ohne Verwendung eines Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz, dargestellt.
Es ist offensichtlich, daß es keinen Grund gibt, einen Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz bei einem Hornlautsprecher zu verwenden.
Dennoch hat sich in zahlreichen Versuchen gezeigt, daß diese Kombination überraschende Effekte zeigt. Bei der im folgenden beschriebenen, besonders bevorzugten Ausführungsform wird auf das sogenannte „reactance annulling" vollständig verzichtet. Im Gegensatz dazu werden Lautsprechersysteme mit niedriger Resonanzfrequenz, d.h. mit relativ weicher Einspannung, bei einem relativ hohen rückwärtigen Volumen eingesetzt, um auch bei tiefen Frequenzen noch wirkungsvoll Schall abstrahlen zu können.
Betrachtet man einen Treiber mit einer Resonanzfrequenz TF₀ von 40 Hz (siehe 19, Bezugszahl 3) und kombiniert diesen mit einem Trichter mit einer unteren Grenzfrequenz F₀ von 90 Hz ( 19 , Bezugszahl 14), so ergibt sich der in 19 dargestellte Impedanzverlauf. Der Impedanzeinstieg bei 40 Hz entspricht der Resonanz des Treibersystems in dem rückwärtig geschlossenen Volumen. Die Impedanzspitze bei 90 Hz 14 entsteht durch Rückreflexionen in den Trichter im Bereich seiner unteren Grenzfrequenz F₀. Weitere Impedanzspitzen, die in 19 schematisch mit der Bezugszahl 18 gezeigt sind, entstehen typischerweise entweder durch weitere gehäusebedingte Reflexion oder durch aufstellungsbedingte Reflexionen.
In 20 ist der daraus resultierende Frequenzverlauf beim Betrieb mit einem konventionellen Verstärker, d.h. ohne negative Ausgangsimpedanz, dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, daß es im Bereich der Grenzfrequenz F₀ des Trichters (siehe Bezugszahl 14) zum typischen Aufschwingen des Systems durch Rückreflexionen 18 kommt. Unterhalb der Grenzfrequenz F₀ des Trichters fällt der Pegel ab, da hier das Horn nicht mehr schalldruckverstärkend wirksam ist. Im Bereich der Resonanzfrequenz des Treibersystems 3 kommt es zu einem weiteren Pegelanstieg, so daß es sowohl im Bereich der Resonanzfrequenz des Treibersystems als auch im Bereich der Grenzfrequenz des Trichters zu erheblichen Nichtlinearitäten kommt.
Dieses Problem kann durch Verwendung eines Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz reduziert werden.
In 19 ist der Impedanzverlauf schematisch dargestellt, der sich durch Verwendung eines Treibers mit einer Resonanzfrequenz TF₀ von 40 Hz (siehe Bezugszahl 3) mit einem Trichter mit einer Grenzfrequenz F₀ von 90 Hz (siehe Bezugszahl 14) ergibt. Da der Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz eine zu ansteigernder Lastimpedanz umgekehrt proportional fallende Ausgangs spannung erzeugt, ergibt sich ein quasi inverser Verlauf der Ausgangsspannung des Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz, wie in 21 gezeigt ist. In der bevorzugten Ausführungsform wird das Signal vor der Verstärkerschaltung integriert, so daß sich der in 22 gezeigte Verlauf der Ausgangsspannung ergibt.
Als Folge erhält man den in 23 dargestellten Frequenzgang. Die Schaltung des Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz linearisiert den Pegelanstieg im Bereich der Resonanzfrequenz des Treibers (siehe Bezugszahl 20), den Pegelanstieg durch Rückreflexionen im Bereich der Grenzfrequenz des Trichters (siehe Bezugszahl 18) sowie mögliche weitere Impedanzspitzen, die durch Gehäusereflexionen oder aufstellungsbedingte Reflexionen verursacht werden. Darüber hinaus wird der systembedingte Pegelabfall im Bereich der hohen Frequenzen (siehe Bezugszahl 22), der durch die ansteigende Induktivität des Treibersystems bei hohen Frequenzen hervorgerufen wird, linearisiert. Da der Verstärker mit negativer Ausgangsimpedanz mit integrierter Eingangsspannung alle Gehäuseeinflüsse auf den Frequenzgang unterdrückt, wird auch der Frequenzgang in dem Bereich unterhalb der Resonanzfrequenz des Treibers (siehe Bezugszahl 21) ausgeglichen. Somit werden automatisch alle Schalldrucküberhöhungen, die durch Gehäuseeinflüsse, Treibersystemresonanzen und Hornresonanzen verursacht werden, kompensiert.
Der in 23 zu beobachtende Pegelsprung bei circa 80 Hz unterhalb der Grenzfrequenz des Trichters (siehe Bezugszahl 14) wird durch den Wirkungsgradunterschied zwischen Horn und geschlossenem Gehäuse (Gehäusevolumina der rückwärtigen Treiberkammer) verursacht. Dieser Pegelsprung kann durch den Einsatz einer aktiven Baßentzerrung, zum Beispiel einer aktiven Frequenzweiche, mit einer entsprechenden Filtercharakteristik, die schematisch in 24 gezeigt ist, geglättet werden. Als Ergebnis ergibt sich dann ein linearer Frequenzgang, wie er in 25 dargestellt ist.
In 26 ist ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz gezeigt.
Die Werte der Bauteile können beispielsweise wie folgt sein:
R_SHUNT = 1 Ω
R₁, R₂, R₃ = 1 kΩ
R₄ = 4 kΩ
R_LOAD = 8 Ω
Der negative Ausgangswiderstand berechnet sich dann wie folgt:
Bei einer angenommenen Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers POWER AMP von 9V fließt durch R_LOAD und R_SHUNT 1 Ampere. Der Spannungsabfall über R_SHUNT beträgt 1V. Die Ausgangsspannung des Inverters OP1 beträgt demnach – 1V. Durch den durch die beiden Widerstände R4 und R3 gebildeten Spannungsteiler ergibt sich eine Eingangsspannung am invertierten und nichtinvertierten Eingang des Leistungsverstärkers POWER AMP von 1V. Die Verstärkung des Leistungsverstärkers POWER AMP beträgt somit 10 (Faktor 10). Also hat sich die Verstärkung (Gain) gegenüber einer herkömmlichen Schaltung mit reiner Spannungsgegenkoppelung über den Spannungsteiler R4 und R3 gegen Masse verdoppelt, da genau 50% des Lastwiderstand durch den negativen Ausgangswiderstand kompensiert wurden.
Eine 100%-ige Kompensation des Lastwiderstandes von 8 Ohm kann durch Wahl der Werte der Bauteile wie folgt erzielt werden:
R_SHUNT = 2 Ω
R₁, R₃ = 1 kΩ
R₂ = 1,25 kΩ
R₄ = 4 kΩ
R_LOAD = 8 Ω
Der negative Ausgangswiderstand berechnet sich hier wie folgt:
Bei einer angenommenen Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers POWER AMP von 10V fließt durch R_LOAD und R_SHUNT 1 Ampere. Der Spannungsabfall über R_SHUNT beträgt 2V. Die Ausgangsspannung des Inverters OP1 beträgt demnach – 2,5V. Durch den durch die Widerstände R4 und R3 gebildeten Spannungsteiler ergibt sich eine Eingangsspannung am invertierten und nichtinvertierten Eingang des Leistungsverstärkers POWER AMP von 0V. Die Verstärkung des Leistungsverstärkers POWER AMP beträgt somit "unendlich". Genau 100% des Lastwiderstands wurde durch den negativen Ausgangswiderstand kompensiert. Zu beachten ist, daß zur 100%-igen Kompensation des Lastwiderstands auch der Meßwiderstand R_SHUNT berücksichtigt werden muß (R_LOAD + R_SHUNT = – R_NEG). Bei einem Verstärkungsfaktor gegen unendlich findet augenscheinlich keine Gegenkoppelung durch den Gleichstromwiderstand R_LOAD statt. Die einzige noch vorhandene Gegenkoppelung entsteht, durch die rückinduzierte Spannung der im Magnetfeld bewegten Schwingspule. Es entsteht also ein "Motional Feedback". Hierbei wird die Eingangsspannung des Verstärkers nicht mit der Ausgangsspannung des Verstärkers verglichen, sondern mit der Geschwindigkeit der Schwingspule im Magnetfeld.
In 27 ist eine Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform wird berücksichtigt, daß die Last (der Lautsprecher) keinen "reinen" Ohmschen Lastwiderstand R_LOAD darstellt, sondern auch noch eine Schwingspuleninduktivität L_LOAD aufweist. Daher soll auch L_LOAD kompensiert werden. Erfindungsgemäß erreicht man dies durch eine Serienschaltung des Messwiderstands R_SHUNT mit einer Induktivität L_SHUNT wie in 27 gezeigt ist.
Das Verhältnis von R_SHUNT zu L_SHUNT wird entsprechend dem Verhältnis R_LOAD zu L_LOAD gewählt. D. h.: R_SHUNT/L_Shunt = R_LOAD/L_LOAD
Schließlich ist in 28 ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform eines Verstärkers mit negativer Ausgangsimpedanz gezeigt.
Hier wird das Eingangssignal durch die Schaltung mit Hilfe des Operationsverstärkers OP2 integriert. Dadurch wird keine Geschwindigkeits-Gegenkoppelung, sondern eine Beschleunigungs-Gegenkoppelung erreicht (konstante Beschleunigung der Luft über den Frequenzbereich ergibt konstanten Schalldruck, nicht konstante Geschwindigkeit).

Claims

Lautsprechersystem mit einem elektroakustischen Wandler, der elektrische Signale in Schallwellen umwandelt, einem Trichter, der die Schallwellen führt, sowie einem Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine negative Ausgangsimpedanz hat.
Lautsprechersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine Strommitkopplung aufweist.
Lautsprechersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommitkopplung derart dimensioniert ist, daß sie mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 80% und besonders bevorzugt mindestens 90% des Gleichstromwiderstandes des elektroakustischen Wandlers kompensiert.
Lautsprechersystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommitkopplung derart dimensioniert ist, daß sie mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 80% und besonders bevorzugt mindestens 90% der Induktivität des elektroakustischen Wandlers kompensiert.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler eine schwingfähige Membran und eine Schwingspule aufweist.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler eine Resonanzfrequenz TF₀ hat und der Trichter eine Grenzfrequenz F₀ hat, wobei TF₀ ≤ F₀ ist.
Lautsprechersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß 1,2·TF₀ < F₀ ist.
Lautsprechersystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß F₀ < 80 Hz, vorzugsweise < 50 Hz und besonders bevorzugt < 40 Hz.
Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine aktive Frequenzweiche vorgesehen ist.