DE102007003992A1

DE102007003992A1 - Electric signal converting device, has filters formed as Chebychev type low pass filters, whose upper edge frequency lies in area of self-absorption of loudspeaker, where filters with loudspeaker is formed as modular unit

Info

Publication number: DE102007003992A1
Application number: DE102007003992A
Authority: DE
Inventors: Werenfrid Dipl.-Ing. Döpper
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Doepper Werenfrid Dipl - Ing 70734 Fellba De; Doepper Werenfrid Dipl - Ing De
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-04-30

Abstract

The device has electric and/or electronic components provided as filters for influencing frequency characteristic of electric signals, where the electric and/or electronic components is a combination of an inductor (2) and a capacitor (3). The filters are formed as Chebychev type low pass filters, whose upper edge frequency lies in an area of self-absorption of a loudspeaker (1). The filters with the loudspeaker is formed as a modular unit.

Description

Die Erfindung betrifft Systeme zur akustischen Wiedergabe, wie sie z.B. für Musikanlagen zum Einsatz gelangen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Beschaltung der in solchen Systemen eingesetzten Lautsprecher mittels passiver elektronischer Elemente wie Spulen und Kondensatoren zur Beeinflussung der Schallwiedergabe.The This invention relates to acoustic reproduction systems, e.g. for music systems to Get used. In particular, the invention relates to the wiring the speakers used in such systems by means of passive electronic elements such as coils and capacitors for influencing the sound reproduction.

Vorrichtungen zur Umwandlung elektrischer Signale in akustische Signale sind als Lautsprechersysteme in unterschiedlicher Form bekannt. Bei einem üblichen Lautsprecher wird eine Membran mittels Stromdurchflossener Ringspule in einem Permanentmagnetfeld bewegt. Bekanntermaßen ist die Schallabgabe derartiger Lautsprecher über den akustischen Frequenzbereich aufgrund der mechanischen Komponenten der Membranaufhängung nicht linear. Je nach Membrangröße, Membransteifigkeit und auftretenden Rückstellkräften werden bestimmte Frequenzanteile im akustischen Spektrum entweder gedämpft oder durch Resonanzeffekte überhöht wiedergegeben. Insbesondere im oberen Frequenzbereich, der für eine hochwertige Wiedergabe von Musik von Bedeutung ist, verlieren Lautsprecher aufgrund zunehmender Eigendämpfung typischerweise an Pegel. Dies geht einher mit einer deutlich wahrnehmbaren Verschlechterung der Wiedergabequalität, insbesondere beim Einsatz von Breitbandlautsprechern.devices for converting electrical signals into acoustic signals are as Speaker systems in different forms known. At a usual Speaker becomes a membrane by means of current-carrying toroidal coil moved in a permanent magnetic field. As is known, the sound output is such Speaker over the acoustic frequency range due to the mechanical components the membrane suspension not linear. Depending on membrane size, membrane stiffness and occurring restoring forces certain frequency components in the acoustic spectrum either muted or reproduced exaggerated by resonance effects. Especially in the upper frequency range, for a high-quality reproduction Of importance to music, speakers are losing due to increasing Sound attenuation typically at level. This is accompanied by a clearly perceptible Deterioration of the reproduction quality, especially during use of broadband speakers.

Um derartige unerwünschte Effekte zu unterdrücken oder zumindest weitgehend zu minimieren kommen verschiedene Konzepte zum Einsatz. So können beispielsweise mehrere Lautsprecher verschiedener Ausführung in einem Gehäuse zu einem Lautsprechersystem (Mehrwege-Box) zusammengefasst werden. Dabei sind dann im allgemeinen kleine Lautsprecher als Hochtöner für Frequenzen im oberen akustischen Spektrum vorgesehen, entsprechend dann Lautsprecher mit mittlerer Membrangröße als Mitteltöner für die mittleren, bzw. mit großer Membran als Tieftöner für die tiefen Frequenzanteile. Eine solche Anordnung ist z.B. beschrieben in der DE 103 40 582 A1 .In order to suppress or at least largely minimize such unwanted effects, various concepts are used. For example, several loudspeakers of different designs can be combined in one housing into one loudspeaker system (multi-way box). In this case, then small speakers are generally provided as a tweeter for frequencies in the upper acoustic spectrum, then loudspeakers with medium diaphragm size as a midrange for the middle, or with a large diaphragm as a woofer for the low frequency components. Such an arrangement is described for example in the DE 103 40 582 A1 ,

Die elektrischen Signale, die den einzelnen Lautsprechern bei einer solchen Kombination zugeführt werden, werden mittels elektrischer Filter aufgeteilt. Von den Signalen eines Verstärkers werden mittels Tiefpassfilter die niederfrequenten Signale herausgefiltert und dem Tieftöner zugeführt, mittels Hochpassfilter werden die Signale herausgefiltert, die dem Hochtöner zugeführt werden, die Signale für den Mitteltöner werden entsprechend durch ein Bandpassfilter separiert. Eine solche Mehrwege Lautsprecherkombination mit Frequenzaufteilung (Frequenzweiche) ist aufgrund der zahlreichen Elemente relativ aufwändig und erfordert entsprechenden Platz (Box). Zudem müssen die verschiedenen Komponenten sehr sorgfältig aufeinander abgestimmt sein, damit die Frequenzübergänge zwischen den einzelnen Lautsprechern akustisch nicht vernehmbar sind.The electrical signals to each speaker at a fed to such combination are divided by means of electrical filters. From the signals an amplifier Low-pass filters are used to filter out the low-frequency signals and the woofer supplied By means of high-pass filter, the signals are filtered out, the tweeter supplied be the signals for the midrange are correspondingly separated by a bandpass filter. Such Multipath speaker combination with frequency division (crossover) is relatively complicated and due to the numerous elements requires appropriate space (box). In addition, the various components must very carefully be coordinated with each other so that the frequency transitions between the individual Speakers are acoustically unrecognizable.

Für eine möglichst lineare akustische Wiedergabe mit nur einem Lautsprecher wird in der Patentschrift DE 195 28 904 C1 vorgeschlagen, die Membran neben der aktiv angesteuerten Ringspule mit einer zweiten Spule auszustatten, die passiv im Permanentmagnetfeld mitbewegt wird und kurzgeschlossen ist. Damit wirkt diese Spule durch Gegeninduktion dämpfend auf die Membranbewegung, insbesondere in Resonanzbereichen. Mit dieser Technik können störende Eigenresonanzen im Übertragungsbereich gedämpft werden, Nachteil dieser Technik ist jedoch die bei höheren Frequenzen zunehmende Dämpfung durch die zweite Spule, so dass hier der obere Frequenzbereich – neben der grundsätzlich vorhandenen mechanischen Eigendämpfung – zusätzlich durch die induktive Dämpfung an Pegel verliert.For a possible linear acoustic reproduction with only one speaker is in the patent DE 195 28 904 C1 proposed to equip the membrane next to the actively controlled toroidal coil with a second coil, which is passively moved in the permanent magnetic field and is short-circuited. Thus, this coil acts by mutual induction damping the membrane movement, especially in resonance areas. With this technique, disturbing natural resonances in the transmission range can be damped, a disadvantage of this technique is the increasing attenuation at higher frequencies through the second coil, so that here the upper frequency range - in addition to the inherent mechanical internal damping - additionally loses level due to the inductive attenuation.

Neben derartigen passiven Korrektureinrichtungen sind aktive Systeme zur Beeinflussung des Frequenzverlaufs bei Lautsprechersystemen bekannt. So können entsprechend dem Schwingungsverhalten eines Lautsprechers die zugeführten Signale im Verstärker im Sinne einer Kompensation modifiziert werden. Der vom Verstärker abgegebene Frequenzgang verläuft dann dergestalt gegensinnig (nichtlinear), dass die Resonanz- oder Dämpfungseffekte des Lautsprechersystems weitgehend ausgeglichen werden (Equalizer). Diese Anordnung erfordert entweder eine vorab durch Messungen erlangte genaue Kenntnis der Lautsprecher-Schwingungseigenschaften über das Frequenzspektrum und ein auf diesen Lautsprecher zugeschnittenes Steuerungsverhalten des Verstärkers, oder empfindliche Sensoren, die laufend das Membranverhalten an den Verstärker zur Gegensteuerung liefern. Generell sind derartige Systeme sehr aufwändig und stellen immer eine funktionale Einheit aus Verstärker/Lautsprecher Kombination dar.Next Such passive correction devices are active systems for Influencing the frequency response in speaker systems known. So can according to the vibration behavior of a loudspeaker, the supplied signals in the amplifier be modified in the sense of compensation. The frequency response given by the amplifier extends then in such a way opposite (nonlinear) that the resonance or dampening effects of the speaker system are largely compensated (equalizer). This arrangement requires either a pre-determined by measurements accurate Knowledge of speaker vibration characteristics over the Frequency spectrum and tailored to this speaker Control behavior of the amplifier, or sensitive sensors that constantly monitor the membrane behavior the amplifier to countermeasure. In general, such systems are very costly and always make a functional unit of amplifier / speaker combination represents.

Ein anderes aktives System zur Frequenzkorrektur ist beschrieben in der Veröffentlichungsschrift US 2005/0185809 A1 . Zur Anhebung der Wiedergabecharakteristik eines Lautsprechers im höheren Frequenzbereich wird vorgeschlagen, die in üblicher Weise angeordnete Membran eines Lautsprechers zusätzlich mit Piezoelementen auszustatten, um so aktiv das Schwingungsverhalten der Membran zu beeinflussen. Bei höheren Signalfrequenzen wirken die Piezoelemente als Aktuatoren, die die Membran zusätzlich zur Anregung durch die Ringspule in Schwingungen versetzen. Nachteil dieser Anordnung ist, dass sie wegen der erforderlichen speziellen Veränderungen an der Membran nicht mit handelsüblichen Lautsprechersystemen betrieben werden kann.Another active system for frequency correction is described in the publication US 2005/0185809 A1 , To increase the reproduction characteristics of a loudspeaker in the higher frequency range, it is proposed to additionally equip the diaphragm of a loudspeaker arranged in the usual way with piezo elements in order to actively influence the vibration behavior of the diaphragm. At higher signal frequencies, the piezoelectric elements act as actuators which cause the diaphragm to vibrate in addition to the excitation by the toroidal coil. Disadvantage of this arrangement is that they are not due to the required special changes to the membrane with trade chen speaker systems can be operated.

Die Erfindung geht aus von der vorgenannten Schrift als nächstliegendem Stand der Technik. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verbesserung des Klangbildes insbesondere im höheren akustischen Frequenzbereich zu entwickeln, die für handelsübliche Lautsprecher eingesetzt werden kann.The The invention is based on the aforementioned document as the closest State of the art. It is the object of a device to improve the sound, especially in the higher acoustic To develop frequency range, which used for commercial loudspeakers can be.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Weitere Vorzüge und vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.These Task is in a device with the features of the preamble of claim 1 by the features of the characterizing part of claim 1. Further Benefits and advantageous embodiments the device according to the invention are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung nutzt einen oft als unerwünscht beobachtete nichtlineare Eigenschaft von Tiefpassfiltern. Insbesondere Filter gerader Ordnung zeigen im höheren Frequenzbereich nahe der Eckfrequenz eine Überhöhung des Spektrums. Dieser Effekt kann genutzt werden, um die Leistungsverluste eines Lautsprechers, dessen Frequenzgang typischerweise zu höheren Frequenzen hin abfällt, gerade im oberen Frequenzbereich zu kompensieren oder zumindest deutlich zu reduzieren. Dazu wird der Lautsprecher mit einem dergestalt dimensionierten Tiefpassfilter, z.B. vom Typ „Chebychev" beschaltet, dass der Bereich der Filter-Überhöhung mit dem Bereich der Eigendämpfung des Lautsprechers zusammenfällt, d.h. die Eckfrequenz und Güte des Tiefpassfilters sind so ausgelegt, dass die Überhöhung durch das Filter gerade im Bereich des abfallenden Frequenzgangs des Lautsprechers liegt. Dies verbessert die akustischen Wiedergabeeigenschaften erheblich.The This invention uses a nonlinear, often undesirable, one Property of low-pass filters. In particular, filters of even order show in the higher Frequency range near the corner frequency an increase of the spectrum. This effect can be used to measure the power losses of a loudspeaker, its frequency response typically drops towards higher frequencies, even in the upper frequency range to compensate or at least significantly to reduce. For this purpose, the loudspeaker with a low-pass filter dimensioned in this way, e.g. of the type "Chebychev" wired that the range of filter elevation with the area of self-damping the speaker collapses, i.e. the corner frequency and quality of the low pass filter are designed so that the elevation through the filter is straight is in the range of the falling frequency response of the speaker. This significantly improves the acoustic reproduction properties.

Die Güte des Filters wird erfindungsgemäß insbesondere größer als

bzw. G > 1 gewählt.The quality of the filter according to the invention is particularly greater than

or G> 1 is selected.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren und die darin angegebenen Bezugszeichen näher erläutert.The inventive device is below with reference to an embodiment with reference explained in more detail in the figures and the reference numerals indicated therein.

Es zeigtIt shows

1 ein einfaches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lautsprecherbeschaltung mit einem Filter zweiter Ordnung 1 a simple embodiment of a loudspeaker circuit according to the invention with a second-order filter

2 Frequenzverlauf des Lautsprechers mit und ohne Filter 2 Frequency response of the speaker with and without filter

Die in 1 dargestellte Beschaltung eines Lautsprechers (1) realisiert ein sehr einfaches Frequenzfilter. Hierzu ist eine Induktivität (2) in Reihe zum Lautsprecher und eine Kapazität (3) parallel dazu angeordnet. Dies ergibt einen Tiefpass zweiter Ordnung, d.h. die Flankensteilheit beträgt 12dB/Oktave.In the 1 shown wiring of a speaker ( 1 ) implements a very simple frequency filter. For this purpose, an inductance ( 2 ) in series with the speaker and a capacity ( 3 ) arranged parallel thereto. This results in a second order low pass, ie the slope is 12dB / octave.

Generell wird durch das Verhältnis von Induktivität zu Kapazität das Filterverhalten und damit der resultierende Frequenzgang bestimmt. Erfindungsgemäß sind in diesem Ausführungsbeispiel zur Verwendung mit einem Breitbandlautsprecher Spule und Kondensator für eine Eckfrequenz am oberen Ende des akustischen Bereichs, beispielsweise bei 18.000 Hertz ausgelegt. Dazu beträgt die Kapazität des Kondensators typischerweise weniger als 3,3 μF und die Spule hat eine Induktivität von weniger als 0,15 mH. Wie dieses Ausführungsbeispiel zeigt, sind die für ein wirksames Tiefpassfilter erforderlichen Elemente im einfachsten Fall bereits durch nur eine Kapazität und eine Induktivität gegeben. Auch für Filter höherer Ordnung erhöht sich die Anzahl der Filterkomponenten nur unwesentlich. Damit ergibt sich die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Tiefpassfilter bereits bei der Produktion in das Lautsprechersystem zu integrieren, so dass ein nach außen als einheitliches Modul bekannter Bauart einsetzbares Lautsprechersystem mit verbesserten Übertragungseigenschaften vorliegt.As a general rule is by the ratio of inductance to capacity determines the filter behavior and thus the resulting frequency response. According to the invention are in this embodiment for use with a full range speaker coil and capacitor for one Corner frequency at the upper end of the acoustic range, for example designed at 18,000 hertz. This is the capacity of the capacitor typically less than 3.3 μF and the coil has an inductance less than 0.15mH. As this embodiment shows, the for a Effective low-pass filter required elements in the simplest Case already given by only one capacitance and one inductor. Also for Filter higher Order increased The number of filter components only insignificantly. This results the opportunity the low-pass filter according to the invention already integrated into the speaker system during production, so that one outwards as a single module known type usable speaker system with improved transmission properties is present.

Bereits mit der einfachen Filterbeschaltung nach 1 wird der Pegel des Lautsprechers im oberen Frequenzbereich deutlich angehoben. 2 zeigt den Verlauf für einen Breitbandlautsprecher mit und ohne Filter. Bereits ab etwa 5 KHz ist die Überhöhungswirkung des Filters erkennbar. Bis zur Eckfrequenz bei 18 KHz ist der Effekt noch intensiver, so dass der Pegel in diesem Beispiel auf nahezu unverändertem Wert bei ca. 95dB verbleibt. Das Filter liefert also gerade in einem Frequenzbereich eine verbesserte Wiedergabe, der für ein ausgewogenes Klangbild bei Musikwiedergabe wesentlich ist. Damit ist bereits ein einzelner Lautsprecher für viele Zwecke ausreichend. Die erfindungsgemäße Anordnung bietet somit für zahlreiche Anwendungsgebiete die Möglichkeit des Einsatzes von Breitbandlautsprechern statt aufwändiger Mehrwegesysteme. Ein Verzicht auf Mittel- und Hochtöner reduziert den Aufwand signifikant (weniger Komponenten) und damit die Kosten. Zudem ist der Platzbedarf wesentlich geringer, so dass diese Lautsprecherbeschaltung insbesondere beispielsweise im Automobil- oder Bootsbereich vorteilhaft ist.Already with the simple filter circuit after 1 the level of the loudspeaker in the upper frequency range is raised significantly. 2 shows the course for a broadband speaker with and without filters. Already at about 5 KHz, the over-boosting effect of the filter can be seen. Up to the corner frequency at 18 kHz, the effect is even more intense, so that the level in this example remains virtually unchanged at about 95 dB. The filter thus provides an improved reproduction, especially in a frequency range, which is essential for a balanced sound pattern when playing music. Thus, a single speaker is already sufficient for many purposes. The arrangement according to the invention thus offers the possibility of using wideband loudspeakers instead of complex reusable systems for numerous fields of application. A waiver of midrange and tweeter reduces the effort significantly (fewer components) and thus the costs. In addition, the space requirement is much lower, so that this speaker circuit is particularly advantageous for example in the automotive or boat area.

Bei Einsatz von mehreren Lautsprechern mit unterschiedlichem Frequenzbereich, z.B. in Mehrwege-Boxen oder Surround-Anlagen, kann die erfindungsgemäße Beschaltung bei jedem Lautsprecher (Tief-, Mittel-, Hochtöner) individuell abgestimmt eingesetzt werden, so dass die Eigendämpfung jedes einzelnen Lautsprechers reduziert wird. Dies bewirkt eine bessere Abbildungstreue bei jedem Lautsprecher, so dass insgesamt ein besseres Klangbild entsteht.When using multiple speakers with different frequency range, eg in multi-way speakers or surround systems, the circuit according to the invention with each speaker (low, midrange, tweeter) can be used individually tuned, so that the self-damping of each individual speaker is reduced. This results in better image fidelity in each speaker, so that overall a better sound image is created.

Bei einem System entsprechend der oben zitierten Patentschrift DE 195 28 904 C1 können die dort auftretenden unerwünschten Dämpfungseffekte im oberen Bereich des Frequenzspektrums mit der erfindungsgemäßen Zusatzbeschaltung weitgehend kompensiert werden. Ein derartig ausgestatteter Breitbandlautsprecher hätte somit zwei Vorteile vereinigt:

a) Dämpfung von Eigenresonanzen durch die zweite Spule,
b) Verringerung der Dämpfung des oberen Frequenzbereichs durch das Tiefpassfilter mit Überhöhung nahe Eckfrequenz.

In a system according to the above cited patent DE 195 28 904 C1 the unwanted attenuation effects occurring there can be largely compensated in the upper range of the frequency spectrum with the additional circuit according to the invention. Such a equipped broadband speaker would thus have two advantages:

a) damping of natural resonances by the second coil,
b) Reduction of the attenuation of the upper frequency range by the low pass filter with peak near peak frequency.

Die erfindungsgemäße Anordnung erfordert keine aktiven Regelkreise oder besonders abgestimmte Verstärker. Damit kann das um den Tiefpassfilter erweiterte Lautsprechersystem problemlos mit verschiedenen Verstärkern betrieben werden, d.h. die erfindungsgemäße Lautsprecheranordnung ist kompatibel zu verschiedenen Musikanlagen.The inventive arrangement does not require active control loops or specially tuned amplifiers. In order to Can the problem with the low-pass filter extended speaker system easily different amplifiers operated, i. the loudspeaker arrangement according to the invention compatible with different music systems.

Claims

Device for converting electrical signals into acoustic signals by means of loudspeakers ( 1 ), wherein electrical and / or electronic components ( 2 . 3 ) are present as a filter for influencing the frequency response of the electrical signals, characterized in that the filter is designed as a low-pass filter whose upper corner frequency is in the range of the internal damping of the speaker.

Device according to claim 1, characterized in that that the filter is a straight-order filter, e.g. type "Chebychev" is executed.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the filter consists of a combination of at least one inductance ( 2 ) and at least one capacity ( 3 ) is formed.

Device according to Claim 1, 2 or 3, characterized that the filter is assembled with the speaker as a modular unit is.

Apparatus according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the filter has a quality G with

in particular with G> 1 shows.