-
Beschreibung Tonwiedergabe - Kompensationsworrichtung Die Erfindung
betrifft eine Tonwiedergabe-Kompensationsvorrichtung zur Hörkurvenkompensation als
Funktion der Lautstärke und der Frequenz, Es ist bekannt, daß die Empfindlichkeit
des menschlichen Ohres von der Frequenz und der Lautstärke von Schallwellen abhängt.
-
Die Arbeiten von Fletcher und Munson im Journal of the Acoustical
Society of America> Volume 5, Number 2 (1933), ppO 82=108, zeigen, daß Töne von
sehr großer Lautstärke nahe der Schmerzschwelle fast bei allen Frequenzen des normalen
Hörbereiches gleich gut wahrgenommen werden, daß jedoch bei geringeren Lautstärken
niedrige sowie hohe Frequenzen für einen gleichen Schalleindruck relativ höher sein
messen gegenüber mittleren Frequenzen Diese Beziehung ist in Fig. 4 auf-Seite 91
der oben genannten Veröffentlichung dargestellt.
-
Die Abhängigkeit der Hörempfindlichkeit von der Lautstärke ist von
beträchtlicher Bedeutung fUr den Bau von Wiedergabevorrich tungen, um eine Wiedergabe
zu erreichen, die einen naturgetreuen Eindruck auf den Zuhörer macht3 Es ist bereits
versucht worden, zur Anpassung an diese Empfind lichkeitsabhängigkeit lediglich
die niedrigen Frequenzen des Hörbereiches anzuheben, Dies fUhrt jedoch dazu, daß
der Zuhörer nicht sämtliche Frequenzen gleich gut bei verschiedenen Lautstärken
wahrnimmt, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tonwiedergabe Kompensationsvorrichtung
zu schaffen, welche eine Anpassung des Frequenzganges an die Lautstärke bewirkt
Die Vorrichtung nach der Erfindung umfaßt im wesentlichen einen üblichen Breitband-Niederfrequenzverstctrker,
dessen Ausgang an die Antriebsspule eines üblichen Lautsprechers, etwa eines Permanentmagnet-Lautsprechers,angeschlossen
ist, Es ist eine Gegenkopplung vorgesehen, welche einen Reaktanzkreis in Serie mit
dem Lautsprecher umfaßt, die einen Strorgegenkopplungszweig bilds Die Größe der
Gegenkopplung ist frequenzabhängig, so daß die Gegenkopplung bei höheren Frequenzen
höher ist als bei. niedrigen Frequenzen. Dadurch ist der Verstärkungsfaktor des
Niederfrenzverstärkers bei niedrigen Frequenzen größer als bei höheren Frequenzen.
-
Zur Anpassung des Frequenzganges an die eingestellte Lautstärke ist
eine pegelabhängige Schaltung vorgesehen Diese umfaßt eine Lichtquelles die an den
Verstärkerausgang angeschaltet ist und deren Lichtstärke direkt proportional der
Höhe des Verstärkerausgangssignales ist. Zwischen dem Verstärkerausgang und dem
Gegenkopplungseingang an dem Verstärke ist ein photoempfindlichcr Wandler vorgesehen,
etwa ein Photowiderstand, der eine negative Gegenkopplungsspannung erzeugt, deren
Amplitude pro portional zu dem Widerstandswert -Tet; photoempf indl icIien Wandlers
ist
und daher auch proportional zur Liehtstärke0 An den photoempfindlichen Wandler ist
ein Kondensator angeschlossen, um die Gegenkopplungsspannung bei niedrigen Lautstärken
und niedrigen Frequenzen wirksamer zu machen als bei höheren Frequenzein, Der Ausdruck
wStrongegenkopplung" soll bedeuten, daß das Gegenkopplungssignal von einer in Serie
mit der Ausgangslast des Verstärkers liegenden Impedanz abgeleitet und daher eine
Funktion des Ausgangsstromes ist, Der Ausdruck wSpannungsgegenkopplungw bezieht
sich hingegen auf ein Signal, welches von einer parallel zur Ausgangslast liegenden
Impedanz abgeleitet ist, In beiden Fällen sind die Signale natürlich Spannungen,
welche phasengleich oder gegenphasig zu dem Prittrsignal an den Verstärker zurückgeführt
werden kdnneng doho als RUckkopplung bzwO als Gegenkopplung wirken, Die Phase und
daher die Wirkung wird durch die Verbindung mit dem Verstärker beeinflußt, wie an
sich bekannt ist0 Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschriebenD Figa 1 zeigt eine Hörkurvenschar
für die Empfindlichkeft des menschlichen Ohres als Funktion der Frequenz; Fig 2
ist ein Schaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einer Schaltung zur
Kompensation bei niedrigen Frequenzen; Figo 3 ist ein Schaltbild einer weiteren
Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einer gegenüber Fige 2
vereinfachten Schaltung; Fig. 4 ist ein Schaltbild einer Vorrichtung mit einer Kompensation
als Funktion der Frequenz und der Lautstärke?
Figo 1 zeigt die Abhängigkeit
der Empfindlichkeit des menschlichen Ohres als Funktion der Lautstärke und der Frequenz,
wobei ein nicht-linearer Zusammenhang besteht. In Fig, 1 sind drei Kurven dargestellt,
die aus der Fleteher und Munson- Veröffentlichung abgeleitet sind und aus denen
hervorgeht, daß bei einer Lautstärke von 110 db die Empfindlishkeitskurve des menschlichen
Ohres bis etwa 1000 Hz verhältnismäßig flach verläuft, und daß die Abweichung oberhalb
dieser Frequenz mit - 10 % verhältnismäßig klein ist0 Praktisch kann für diese Lautstärke
die Empfindlichkeitskurve des Ohres als geradlinig über den gesamten Hörbereich
angesehen werden0 Man muß jedoch bedenken, daß es sich hierbei um eine verhältnismäßig
hohe Lautstärke handelt, die nahe der Schmerzschwelle liegt0 Bei niedrigeren Lautstärken
ist der Verlauf der Empfindlichkeitskurve ganz anders, Bei einer Bezugslautstärke
von SO db bei 1000 Hz entsprechend Kurve 2 in Figo 1 nimmt die Empfindlichkeit unterhalb
500 Hz mit etwa 25 db pro Decade abO Figo 3 bezieht sich auf eine noch geringere
Lautstärke, nämlich 0 db bei 1600 Hze Dabei nimmt die Empfindlichkeit unterhalb
etwa 500 Hz mit etwa 45 db pro Decade abO Aus diesen Kurvendarstellungen ist ersichtlich,
daß ein 100 Hz-Ton etwas lauter sein muß für einen gleichen Höreindruck als ein
1000 Hz-Ton bei einem niedrigeren SohallpegelO Töne von 100 und 1000 Hz werden bei
großer Lautstärke hingegen gleich gut wahrgenommen0 Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform
einer Vorrichtung nach der Erfindung zum Kompensieren der oben genannten Frequenzabhängigkeit.
Die Vorrichtung umfaßt einen üblichen Breitbandverstärker 5 mit einem Eingang 6
und einem Ausgang 7 und einem gemeinsamen Anschluß 8, der an einem Bezugspotential
angeschlonsen ist, sowie einen Gegenkopplungseingang 90 Der Eingang 6 ist mit einem
Anschluß lO verbunden, der mit einer elektrischen Signalepannunasquelle verbunden
wird, deren Signale zur Schallwiednrgabe verstark werden sollen, Der Gegenkopplungsanechluß
9 wird in Gblicher Weise je nach dem verwendeten Verstärker angeschaltet,
etwa
an den Kathodenwiderstand einer Rohre bei einem Röhrenverstärker, oder an den Emitter
einer gemeinsamen Emitterstufe eines Transistorverstärkers0 Der Gegenkopplungsanschluß
9 führt über die Leitung 11 an einen Kompensationsschaltungs kreis.
-
Der Ausgang 7 des Verstärkers ist mit der Triebspule 12 des Lautsprechers
13 verbunden, welcher einen Permanentmagneten 14 aufweist sowie eine Xonusmembran
150 Das andere Ende der Triebspule 12 ist mit der Leitung 11 verbunden sowie mit
dem Knotenpunkt 16 eines Kompensationsnetzwerkes. Dieses umfaßt in Parallelschaltung
einen Kondensator 17, einen Widerstand 18 und eine Induktivität 19, welche insgesamt
in Reihe mit einer Spule 20 geschaltet sind0 Das andere Ende der Spule 20 ist mit
der Bezugspotentialleitung verbunden, Im Betrieb gelangen die Ausgangssignale des
Verstärkers 5 vom Ausgang 7 an die Treibspule des Lautsprechers 13 und durchlaufen
das Xompensationsnetzwerk. Es ist ersichtlich, daß die Serienschaltung der Treibspule
und des Kompensationsnetzwerkes einen Spannungsteiler bildet, Es sei betont, daß
eine mögliche Funktion der Schaltung darin besteht, eine Bewegung der Lautsprechermembran
mit konstanter Geschwindigkeit Uber den gesamten interessierenden Frequenzbereich
zu erreichen0 Wenn das Kompensationsnetzwerk von Fig. 2 das genaue elektrische Gegenbild
der Impedanz des Lautsprechers wäre, so würde das Teilerverhäitnis zwischen der
Treibspule und dem Kompensationsnetzwerk unabhängig von der Frequenz gleich bleiben,
so daß nicht die gewünschte Wirkung erzielt würde.
-
Bemißt man nun die Induktivität l9 und den Kondensator 17 entsprechend
der Eigenresonanz des Lautsprechers und den Widerstand 18 entsprechend der mechanischen
Dämpfung des Lautsprechers, wobei die Induktivität 20 entsprechend der Streuinduktivität
der
Treibspule 12 bemessen wird, dann bildet das Netzwerk eine Ersatzschaltung der Lautsprecherimpedanz,
wobei jedoch der Widerstand nicht dem Serienwiderstand der Treibspule 12 äquivalent
ist. Ein Fortlassen des Xquivalents des Serienwiderstandes der Treibspule bei dem
Kompensationsnetzwerk und ein Fortlassen der Induktivität 20 (die der StreuinduXtivittt
der Lautsprechertreibspule entspricht) würde bewirken, daß die Lautsprechermembran
sich annähernd mit konstantEr Geschwindigkeit bewegt, da diese Bauteile sonst die-Neigung
haben, den Strom durch den Lautsprecher zu begrenzen Sodann wäre der Strom lediglich
begrenzt durch den Teil des Netzwerkes, der äquivalent zur Bewegungsimpedanz ist.
Ein solcher Lautsprecher würde dann als theoretisch perfekter Lautsprecher arbeiten,
bei dem die Membrangeschwindigkeit über einen breiten Frequenzbereich nicht von
der Frequenz abhängt0 Es soll jedoch angestrebt werden, einen gleichmäßigen Höreindruck
zu erzielen Praktisch liegen die Verhältnisse so, daß bei Frequenzen am unteren
Ende des Niederfrequenzbandes, bei dem der Durchmesser der Lautsprechermembran klein
ist gegenüber der Wellenlänge des Tones, eine konstante Membrangeschwindigkeit auch
eine konstante Schalleistung ergibt, Bei höheren Frequenzen hingegen, bei denen
die Wellenlänge klein im Verhältnis zum Membrandurchmesser ist, würde eine konstante
Geschwindigkeit der Hembran einen steigenden Lautstärkepegel ergeben wegen des verhältnismäßig
höheren mechanischen Wirkungs, grades des Lautsprechers bei diesen Frequenzen. Es
ist daher erforderlich, die Spule 20 in dem Kompensationsnetzwerk vorzug sehen,
um eine abschwächende Wirkung bei höheren Frequenzen zu erreichen, 80 daß wieder
ein konstanter Schalleindruck er reicht wird Die Kompensationsschaltung nach Figo
2 liegt in Serie mit dem Lastwiderstand, d.h. der Lautsprechertreibspule, wobei
das Gogenkopplungssignal von der Verbindungsstelle zwischen diesen
beiden
Schaltungsteilen abgenommen und an den Gegenkopplungseingang 9 geleitet wird. Es
handelt sich hierbei also um eine Stromgegenkopplung, so daß die Ausgangsleistung
entsprechend der Hörkurve bei niedrigen Lautstärken angeglichen wird0 Fig. 3 zeigt
eine gegenüber Figo 2 vereinfachte Ausführungäform einer Kompensationsvorrichtung
nach der Erfindung, bei der der Breitbandverstärker 5 mit dem einen Ende dei Treibspule
12 des Lautsprechers 13 verbunden ist. Das Kompensationsnetzwerk umfaßt eine Induktivität
25 und parallel dazu einen Widerstand 26 und ist einerseits mit dem anderen Ende
der Treibspule 12-und andererseits mit dem Bezugspotential (Masse) verbunden, Parallel
zur Treibspule 12 liegt ein Widerstand 27.
-
Der Wert der Induktivität 25 ist so gewählt, daß sich eine Reaktanz
ergibt, welche klein ist im Vergleich zur Reaktanz des Lautsprechers, so daß die
an dem Xompensationsnetzwerk abfallende Spannung mit steigender Frequenz zunimmt,
bis die Reaktanz der Induktivität 25 gleich dem Widerstandswert des Widerstandes
26 ist0 Dieser Zustand sollte vorzugsweise bei 500 Hz erreicht sein, Von dieser
Stelle an bindet'der Widerstand 26 mit der Lautsprechertreibspule einen Spannungsteiler
mit festem Teilerverhältnis, so daß sich eine Kompensation entsprechend der Empfindlichkeitskurve
3 von Fig. 1 ergibt. Der Widerstand 27 dient als Spannungsgegenkopplungselement
als Ersatz für den Kondensator 17 und die Spule 20 in Fig, 2 zur Abschwächung der
höheren Frequenzen0 Mit steigender Frequenz oberhalb der Obergangastelle (500 Hz)
steigt die Reaktanz der Treibspule 12, so daß ein immer größerer Anteil des Signaistromes
durch den Widerstand 27 fließt, wodurch die bei höheren Frequenzen aufgrund des
höheren Lautsprecherwirkungsgrades bei diesen vorhang dene Schalleistung abgeschwAcht
wird0
Pig 4 zeigt eine kompliziertere Schaltung mit einem Breit
bandverstärker 5, dessen Ausgang 7 mit einem Ende der Treibspule 12 des Lautsprechers
13 verbunden ist, wobei das andere Ende der Treibspule 12 an einen Knotenpunkt 30
geführt ist0 Das Kompensationsnetzwerk umfaßt eine Parallelschaltung aus dem Widerstand
26 und der Induktivität 25 zwischen dem Knotenpunkt 30 und Masse, und der Widerstand
27 ist parallel zu der Treibspule 12 geschaltet. Diese Bauteile entsprechen der
Schaltung nach Figo 3 und dienen zur Kompensation der Hörempfindlichkeit als Funktion
der Frequenz.
-
Zusätzlich enthält die Schaltung nach Fig. 4 eine Serienschaltung
aus einem Widerstand 31 und einem photoempfindlichen Wandler 32, wobei der Widerstand
31 an den Ausgang 7 des Verstärkers 5 und der photoempfindliche Wandler 32 an den
Gegenkoppw lungseingang 9 angeschaltet ist, Von der Verbindungsstelle des Widerstandes
31 und des photoempfindlichen Wandlers 32 führt ein Kondensator 33 nach Masse, Es
ist ferner eine weitere Serienschaltung aus einer Lichtquelle 34, etwa einer Glühlampe,
und einem Widerstand 35 zwischen dem Ausgang 7 des Verstärkers und Masse angeschaltet0
Ferner ist der Gegenkopp lungseingang 9 über einen Widerstand 36 mit dem Knotenpunkt
30 verbunden, Die Bauteile 25, 26 und 27 arbeiten im wesentlichen wie die Schaltung
nach Figo 3. Der photoempfindliche Wandler 32 ist in diesem Fall ein Photowiderstand,
dessen Widerstandswert sich mit der Bestrahlung ändert, und zwar mit steigender
Bestrahlung abnimmt. Der photoempfindliche Wandler 32 und dae Lichtquelle 34 sind
vorzugsweise so angeordnet, daß der lichtempfindliche Bereich des Wandlers den Strahlen
der Lichtquelle ausgesetzt und gegenüber Fremdlicht abgeschirmt 4 Mit steigender
Amplitude des Ausgangssignals sm Ausgang 7 des Verstärkers 5 nimmt der durch die
Lichtquelle 34 und den Widerstand 35 fließende Strom zu, Bei niedrigen Signalpegela
reicht
dieser Strom nicht aus, um die Lichtquelle 34 zum Leuchten zu bringen. Der Widerstand
des Wandlers 32 ist dann sehr hoch, und der den Wandler enthaltende Leitungszweig
hat auf den Verstärkungsgrad des Verstärkers keinen Einfluß Mit zunehmender Höhe
des Ausgangssignals fängt die Lichtquelle 34 zu leuchten an, wobei der Widerstand
des Wandlers 32 abnimmt, so daß eine Gegenkopplungsspannung an den Gegenkopplungseingang
9 des Verstärkers 5 gelangt und die Stromgegenkopplung aufgrund der Schaltkreiselemente
25 und 26 bei höheren Signai;pegeln reduziert wird. Bei sehr großen Amplituden überwiegt
der Einfluß des den Wandler 32 aufweisenden Schaltungszweiges, so daß der Verstärker
einen im wesentlichen flachen Frequenzgang aufweist, Der Kondensator 33 hat die
Aufgabe, eine Verstärkungeänderung bei höheren Frequenzen zu vermeiden, Die Schaltkreisparameter
lassen sich auch etwas anders einstellen, um eine Kompensation zu erreichen, welche
in gewissem Maße von einer reinen Kompensation abweicht, etwa um D&mpfungserscheinungen
auszugleichen oder eine sogenannte Raumverstärkung, wie sie durch selektive Absorption
bei mittleren und höheren Frequenzen durch Polsterwaren, Stoffe, Teppiche und andere
weiche Gegenstände hervorgerufen wird0