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Bei
einer herkömmlichen
Regelung wirken sich als Eingangsgrößen nur Sollwert und Istwert
auf das Stellsignal des Reglers aus, dass bedeutet erst wenn eine
Abweichung zwischen Soll und Istwert auftritt kann der Regler sein
Stellsignal verändern.
Wenn aber auch zukünftige
Sollwerte auf die Regelung einwirken kann zB. die Auswirkung der
Trägheit
eines zu steuernden Systems mit berücksichtigt und dadurch die
Regelabweichung verringert werden, ein besseres Einschwingen, Ausschwingen
und ein verringertes Überschwingen
der Lautsprechermembran erzielt werden. Eine Regelung mit einem
digitalen Signalprozessor (DSP) bietet sich an. Da dort mehrere
Sollwerte einfach berücksichtigt
werden können.
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In
Bild 1 ist das Prinzip dargestellt
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Dies
wird durch folgende Formel dargestellt:
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Wobei
S
k im Falle der Rückwärtsrechteckregel
entspricht.
K
PRK
IPK
DR sind
Konstanten eines herkömmlichen
digitalen PID Reglers.
e
k ist die Regeldifferenz.
y
tz = K
tn1 ((W
k+1 – W
k0) – (x
k0 – x
k–1))
gibt die Auswirkung des nächsten
zukünftigen
Sollwertes an. Es können auch
weitere zukünftige
Sollwerte berücksichtigt
werden:
ytz = Ktn1((Wk+1 – Wk0) – (xk0 – xk–1)
+ Ktn2((Wk+2 – Wk+1) – (xk0 – xk–1)).K
tn1 K
tn2 sind Konstanten
die bestimmen wie stark die zukünftigen
Sollwerte in die Regelung mit eingehen.
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Die
Anzahl der Sollwerte die quasi gleichzeitig auf das elektrische
Ausgangssignal wirken sollen ist abhängig von der Qualität des zu
erzielenden akustischen Ausgangssignals und dem Verhältnis zwischen Samplingfrequenz
und der höchsten
zu übertragenden
Frequenz des Lautsprechers.
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Bei
herkömmlichen
geregelten Lautsprechern ist eine dauernde Messung der Auslenkung
der Lautsprechermembran zur Ermittlung des Istwertes notwendig.
Wenn eine Messapparatur an der Lautsprechermembran angebracht wird
verschlechtert dies allerdings das Verhalten des Lautsprechers durch
die Erhöhung des
Gewichts der beweglichen Teile und zusätzlichen elektrischen Anschlüssen zwischen
feststehenden und beweglichen Teilen des Lautsprechers. Auch ist
die Installation einer Messapparatur an dem Lautsprechers mit zusätzlichen
Kosten verbunden. Es ist aber auch möglich die Auslenkung der Lautsprechermembran
rechnerisch zu ermitteln. Hier sind 2 Verfahren beschrieben:
- 2.1 Durch vorhergehende Messreihen kann eine
mehrdimensionale Tabelle ermittelt werden, aus denen die aktuellen
Auslenkung ersichtlich ist. In dem man den vorhergegangenen Geschwindigkeitsvektor,
die vorhergegangene Auslenkung und die aktuell anliegende Spannung
angibt. Aus dem alten Geschwindigkeitsvektor und der aktuellen Auslenkung
ergibt sich der neue Geschwindigkeitsvektor. Begonnen wird mit dem Betrag
Null für
den ersten Geschwindigkeitsvektor und der ersten Auslenkung. Es
ist möglich
eine erste Tabelle in der Fabrik zu ermitteln. Da die Lautsprecher
produktionsbedingt Streuungen in ihrem akustischen Verhalten aufweisen
und die Lautsprecher Alterungen unterliegen, ist es notwendig weitere
Messungen im Hörraum
durchzuführen
und diese in regelmäßigen Abständen zu
wiederholen. Auch die Messungen im Hörraum müssen in die Tabelle mit einfließen.
- 2.2 In dem Berechnungen durchgeführt werden wobei die aktuellen
Strom und Spannungswerte als Eingangsgrößen einfließen. Um die Formel zu ermitteln
wird von dem Ersatzschaltbild eines elektrodynamischen Lautsprechers
ausgegangen. Die Auslenkung wird ermittelt in dem die Membranschnelle ν →m zur Zeit abgeleitet wird. Bild 2 stellt
das Ersatzschaltbild dar die einzelnen Elemente sind: Antreibende Kraft. u = Spannung
an der Schwingspule.
B = magnetische Induktion im Luftspalt.
L
= antriebswirksame Länge
(im Magnetfeld befindlicher Anteil) des Schwingspulendrahtes
Re = effektiver elektrischer Widerstand der
Schwingspule errechenbar durch momentan gemessenen Strom und anliegender
Spannung. durch die Gegeninduktion
hervorgerufene Bremskräfte.
mm = effektive Masse aller bewegten Teile
des Lautsprechers.
RmC = mechanischer
Widerstand, bedingt durch Reibungskräfte aller bewegten Teile, außer der
Membran.
Cm = Reziprokwert der Steifigkeit
der mechanischen Aufhängung
(Nachgibigkeit der Aufhängung).
Rs = frequenzabhängiger akustischer Strahlungswiderstand,
mal 2 wegen Vorder- und Rückseite
der Lautsprechermembran.
mS = frequenzabhängige Masse
der durch die Lautsprechermembran mit bewegten Luft, mal 2 wegen
Vorder- und Rückseite
der Lautsprechermembran.
Rs und mS wird mathematisch unter anderem von E.
Skudrzyk Grundlagen der Akustik und E. Meyer, E.G. Neumann Physikalische
und Technische Akustik behandelt, ist aber auch messtechnisch erfassbar.
In dem vergleichende Messungen von Lautsprechern an der Luft und
im Vakuum durchgeführt
werden. Cm , RmC, B,
L und mm sind ebenfalls messtechnisch erfassbar.
Re ergibt sich wenn während des Betriebes dauernd Strom
und Spannung gemessen werden. Da die Lautsprecher produktionsbedingt
Streuungen in ihrem akustischen Verhalten aufweisen und die Lautsprecher
Alterungen unterliegen, ist es notwendig weitere Messungen im Hörraum durchzuführen und
diese in regelmäßigen Abständen zu
wiederholen. Auch die Messungen im Hörraum müssen in die Formel mit einfließen. Dies
geschieht in dem die einzelnen Koeffizienten der Formel so verändert werden,
dass die Formel dieselben Ergebnisse liefert wie die Messungen.
- 2.3 Es ist auch möglich
das beide Varianten angewandt werden, und falls unterschiedliche
Auslenkungen ermittelt werden, die Regelung abgeschaltet wird.
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Bei
herkömmlichen
Lautsprecherboxen ist es schwierig eine exakte Anpassung der Schalldruckpegelfrequenzverläufe und
Phasenfrequenzgänge
der einzelnen Lautsprecherchassies zueinander zu verwirklichen.
Auch eine Anpassung der Schalldruckpegelfrequenzverläufe und
Phasenfrequenzgänge
an den Raum ist schwierig. Durch Einsatz eines digitalen Signalprozessors
und ein Einmessen in dem Hörraum
können
Phasenverschiebungen, und Pegelanpassungen automatisch berücksichtigt
werden. Phasenverschiebungen und Pegelanpassungen mittels DSP sind
Stand der Technik.
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Damit
der digitale Signalprozessor das Eingangssignal für die Lautsprecherbox
verarbeiten kann muss es digitalisiert werden. Der analog digital
Wandler wird in der Nähe
der Musikquelle (zB. CD Spieler, Vorverstärker, DVD Spieler) aufgestellt,
dadurch geschieht die Signalübertragung
zu den Lautsprecherboxen digital, dass heißt eine Verschlechterung des
Signals durch analoge Leitungen zwischen Musikquelle und Lautsprecherbox
entfällt.
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Die
A/D Wandlungen werden in einem Gerät verwirklicht, dass zentral
alle A/D Wandlungen der Eingangssignale für alle Lautsprecherboxen durchführt. An
diesem Gerät
wird auch ein Mikrofon für
die Einmessungen angeschlossen und ein DSP integriert. Dieser kann
in Kommunikation mit dem DSPs in den Lautsprecherboxen die Korrektur
der Schalldruckpegelfrequenzverläufe
und Phasenfrequenzgänge
zur Anpassung der Lautsprecherboxen an den Hörraum ermitteln und an die
DSPs in den Lautsprecherboxen weiterleiten. Auch der Einmessvorgang
zur Ermittlung der Parameter für
die Istwerte (wie in z. Beschrieben) wird so durchgeführt. Die
Anpassung der Pegel von (Surround) Lautsprechern (zB. Subwoofer,
Center, Rück.
links, Rück.
recht, Haupt links, Haupt rechts, Rück. Center) ist eine aufwendige
und falls dies mittels Gehör
geschieht auch sehr schwierige Angelegenheit. Das beschriebene „Zentrale
Gerät kann
durch Anschluß eines
Mikrofons (bei Surroundanlagen eines Kunstkopfes mit 2 Mikrofonen)
das Anpassen der Schalldruckpegelfrequenzverläufe und Phasenfrequenzgänge der
Lautsprecherboxen zueinander automatisch durchführen.
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Das
zentrale Gerät
ist mit einer Schnittstelle oder einer Vorrichtung zur Aufnahme
von Wechselmedien (z.B. Disketten oder Memorysticks) ausgestattet
damit die individuelle Frequenzgangkurve des Mikrofons eingelesen
werden kann. Wenn mehrere Mikrofone eingesetzt werden, können die
jeweils dazugehörigen
Frequenzgangkurven der Mikrofone eingelesen werden. Durch die Berücksichtigung
der Messkurven können
kostengünstige
Mikrofone eingesetzt werden und trotzdem gute Ergebnisse erzielt
werden.
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In
Bild 3 wird die Aufstellung einer Surround Anlage mit „Zentralem
Gerät" und Kunstkopfmikrofonen dargestellt.
Die Kunstkopfmikrofone werden zum Einmessen der Anlage in der Position
des normalen Hörers angebracht.
Dann führt
das Zentrale Gerät
automatisch Messreihen durch, in dem durch Ansteuern der Einzelnen
Lautsprecher und Auswerten der elektrischen Signale der Mikrofone,
Parameter für
die Istwerte der Auslenkung der Lautsprechermembranen und Anpassungen
der Schalldruckpegelfrequenzverläufe
und Phasenfrequenzgänge
für den
Raum und den Lautsprecherboxen untereinander errechnet werden. Nach
dem Einmessvorgang können
die Mikrofone wieder entfernt werden.
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Bild
4 stellt schematisch die Baugruppen in dem Zentralen Gerät dar. Während des
Einmessvorgangs werden an den Ausgängen zu den Lautsprecherboxen
prozessgesteuert festgelegte Testsignale geleitet. Durch die automatische
Auswertung vom Digitalen Signalprozessors der durch Mikrofonkennlinien
korrigierten Signale der Mikrofone werden die Parameter zur Ermittlung
des Istwertes der Auslenkung der Lautsprechermembranen ermittelt
und an die Lautsprecherboxen gesendet. Auch werden die Schalldruckpegelfrequenzverläufe und
Phasenfrequenzgänge
der Lautsprecher auf diese Weise ermittelt und Korrekturschalldruckpegelfrequenzverläufe und
Korrekturphasenfrequenzgang an die Lautsprecherboxen gesendet. Mittels
auf diese Weise kalibrierten Lautsprecherboxen werden nochmal automatisch
prozessgesteuerte Testreihen durchgeführt und gegebenenfalls Nachkalibrierungen
durchgeführt
bis das Ergebnis zufriedenstellend ist. Nach dem erstmaligen Einmessvorgang
kann der Normalbetrieb erfolgen, in diesem Betrieb wird von dem „Zentralen
Gerät" nur die A/D Wandlung
durchgeführt.
Der DSP im „Zentralen
Gerät" nimmt keine weiteren
Veränderungen
an dem Signal vor. Die Anpassungen der Schalldruckpegelfrequenzverläufe und
Phasenfrequenzgänge
zwecks Anpassung der Lautsprecherboxen zu dem Raum und aneinander
nehmen die Lautsprecherboxen selbst vor. Die dafür notwendigen Korrekturschalldruckpegelfrequenzverläufe und
Korrekturphasenfrequenzgänge
sowie die Parameter zur Ermittlung der Istwerte der Auslenkungen
der Lautsprechermembranen werden innerhalb der Lautsprecherbox permanent
gespeichert. Auf diese Art werden Berechnungen des Signal nur an
einer Stelle vorgenommen. Diese Aufgabenverteilung bedeutet, dass
das Signal nur an einer Stelle beeinflusst werden muss und schneller
durch die Anlage geleitet werden kann.
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Bild
5 stellt schematisch die Baugruppen in einer 2 Wege Lautsprecherbox
mit den oben genannten Eigenschaften dar. Das digitale Eingangssignal
(1) vom „Zentralen
Gerät" wird von einem DSP
(2) analysiert und falls vorhanden die Parameter zur Ermittlung
der Istwerte die Korrekturschalldruckpegelfrequenzverläufe und
Korrekturphasenfrequenzgänge
von dem Audiosignal getrennt und in nichtflüchtigen Speichern (3)
(4) gepuffert. Das Audiosignal wird mittels eines Digitalen
Filters (5) nach hohen und tiefen Frequenzen getrennt.
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Des
weiteren wird nur ein Weg beschrieben da der andere analog dazu
ist. Auch kann statt einer 2 Wege Box dieses Prinzip auch auf mehr
als 2 Wege angewandt werden und müssen nicht alle Wege mit einer digitalen
Regelung versehen werden.
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Das
Audiosignal wird zwischengespeichert (6) und sowohl das
aktuelle als auch die zukünftigen Audiosignale
(in der Zeichnung dadurch angedeutet, dass das Signal direkt vom
Digitalen Filter als auch das zwischengepufferte Signal in den DSP
geleitet wird) werden als Sollwerte im Signalprozessor (8)
mit berücksichtigt.
In dem Signalprozessor wird auch die Korrektur der Schalldruckpegelfrequenzverläufe und
Phasenfrequenzgänge
durchgeführt.
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Das
Istsignal für
die Regelung wird durch Sensoren in den Lautsprecherchassies ermittelt
oder wie in Bild 4 dargestellt mithilfe der vorhergegangenen ermittelten
Stellwerte (10), und in Punkt 2 beschriebenen
Tabelle (11) mittels DSP (9) errechnet. Die Tabelle
(11) wird durch werksmäßig ermittelte
Tabelle (7), und für
die aktuelle Box und den Hörraum
ermittelten Parametern (4) errechnet.
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Der
so ermittelte digitale Stellwert wird in ein analoges Signal umgewandelt
(12) durch einen Tiefpass (12) geleitet und mithilfe
eines Leistungsverstärkers
(13) dem Lautsprecher zugeleitet.
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Es
sind in Bild 4 mehrere Digitale Signalprozessoren eingezeichnet,
je nach Leistungfähigkeit
des Signalprozessors und notwendiger Samplingfrequenz kann ein Signalprozessor
auch mehrere der dargestellten Funktionen bearbeiten.
durch die Gegeninduktion hervorgerufene Bremskräfte. mm = effektive Masse aller bewegten Teile des Lautsprechers. RmC = mechanischer Widerstand, bedingt durch Reibungskräfte aller bewegten Teile, außer der Membran. Cm = Reziprokwert der Steifigkeit der mechanischen Aufhängung (Nachgibigkeit der Aufhängung). Rs = frequenzabhängiger akustischer Strahlungswiderstand, mal 2 wegen Vorder- und Rückseite der Lautsprechermembran. mS = frequenzabhängige Masse der durch die Lautsprechermembran mit bewegten Luft, mal 2 wegen Vorder- und Rückseite der Lautsprechermembran. Rs und mS wird mathematisch unter anderem von E. Skudrzyk Grundlagen der Akustik und E. Meyer, E.G. Neumann Physikalische und Technische Akustik behandelt, ist aber auch messtechnisch erfassbar. In dem vergleichende Messungen von Lautsprechern an der Luft und im Vakuum durchgeführt werden. Cm , RmC, B, L und mm sind ebenfalls messtechnisch erfassbar. Re ergibt sich wenn während des Betriebes dauernd Strom und Spannung gemessen werden. Da die Lautsprecher produktionsbedingt Streuungen in ihrem akustischen Verhalten aufweisen und die Lautsprecher Alterungen unterliegen, ist es notwendig weitere Messungen im Hörraum durchzuführen und diese in regelmäßigen Abständen zu wiederholen. Auch die Messungen im Hörraum müssen in die Formel mit einfließen. Dies geschieht in dem die einzelnen Koeffizienten der Formel so verändert werden, dass die Formel dieselben Ergebnisse liefert wie die Messungen.