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Schaltungsanordnung zur Gegenkopplung eines Lautsprechers Die Erfindung
betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Einschwingverhaltens eines
Lautsprechers durch Gegenkopplung, wobei das Gegenkopplungssignal in bekannter Weise
aus dem vom Lautsprecher abgestrahlten Schall durch einen Schallempfänger abgeleitet
wird.
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In einer elektro-akustischen Ubertragungskette ist der Lautsprecher
als ein elektrisch-mechanisch-akustischer Übertrager auch heute noch das schwdchste
Glied. Besonders die Einschwingverzerrungen sind gross. Sollen die Einschwingverzerrungen
klein gehalten werden, so muss dafür gesorgt werden, dass die zugeführte elektrische
Spannung und der abgestrahlte Schall auch bei nichtstationären und impulshaltigen
Signalen einander in ihrem zeitlichen Ablauf weitgehend entsprechen.
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Eine Verbesserung der Einschwingverzerrungen eines Lautsprechers kann
in verschiedener Weise erfolgen. Heute werden in der Praxis vor allem zwei Methoden
angewendet: A) Schaltungsanordnungen zur elektrischen Entzerrung des Amplitudenganges
in Abhängigkeit von der Frequenz mit elektrischen Netzwerken.
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B) Schaltungsanordnungen, bei denen aus der Schwingspulenbewegung
eines Lautsprechers ein elektrisches Gegenkopplungssignal abgeleitet wird.
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Zu B) sind Schaltungsanordnungen bekannt, die die Gegenkopplung aus
einer Brückenschaltung in der Lautsprecherzuleitung ableiten Bei diesen Schaltung
anordnungen wird die Rückwirkung der Schwingspulenbewegung des Lautsprechers auf
den Scheinwiderstand ausgenutzt (DBP 874607; Audio Engineering, 1951, Dezember,
Seiten 21, 43 und 44 Audio Engineering, 1962, Mai
Seiten 20, 57;
Funktechnik, 1952, Heft 18, Seiten 490 bis 492p Funktechnik 1967, Heft 20 Seite
784; Philips Technische Rundschau 1968, Seiten 179 und 180). Diese Ruckwirkung der
Schwingspulenbewegung ist jedoch nur in der Nähe der Resonanzfrequenz des Lautsprechers
auswertbar und bewirkt somit nur eine Dämpfung der Lautsprecherresonanz. Im übrigen
Frequenzbereich wird keine nennenswerte Verbesserung erreicht.
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Es sind weiter Schaltungsanordnungen bekannt, die die Gegenkopplung
von der Schwingspul enbewegung selbst ableiten. Solche Schaltungsanordnungen sind
unter der Bezeichnung "Bewegungsgegenkopplung" oder,|Motional Feedback" bekannt
geworden. Hierbei wird die Schwingspulenbewegung a) durch eine zweite Wicklung auf
der Schwingspule (DRP 707538r DBP 853298; Electronics, 1951, Nr. 3, Seiten 142 ff.;
Funkschau-Beilage "Elektronik" 152, Nr, 4, Seite 31; Funktechnik 1952, Heft 18,
Seiten 490 bis 492; Funktechnik 1965, Heft 20, Seite 822) oder 4 durch einen Beschleunigunrufnehmer
(Funktechnik, 1952, Heft 18, Seiten 490 bis 492; Philips Technische Rundschau 1968,
Heft 5/6, Seiten 178 bis 188) ausgewertet.
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Die Schaliungsanordnungen nach A) haben den Nachteil, dass sie sehr
aufwendig sind und nur eine geringe Verbesserung des Einschwingverhaltens bewirken,
da sie keine Entzerrung des Phasenverhaltens bringen und selbst wieder Einschwingverzerrungen
entstehen lassen.
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Die Schaltungsanordnungen nach B) sind deswegen unbefriedigend, weil
die Übereinstimmung von Schwingspulenbewegung und abgestrahltem Schall nur in einem
sehr kleinen Frequenzbereich vorhanden ist.
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Die Erfindung geht von der bekannten Anordnung aus, den vom Lautsprecher
abgestrahlten Schall mit einem Schallempfänger aufzunehmen und dessen Ausgangsspannung
als Gegenkopplungssignal zu verwenden und damit die Abweichungen
des
zeitlichen Verlaufs, der AmpIii gnz der Phase des abgestrahlten Schalles gegenuber
dem elektrischen Signal am Eingang der Schaltungsanordnung sehr klein zu halten.
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Eine Gegenkopplung des abgestrahlten Schalles über einen SchGllempfdnger
hat den Vorteil, dass die linearen und nichtlinearen Verzerrungen des Lautsprechers
und die durch seinen Einbau in ein Gehäuse oder eine Schallwand bedingten Einflüsse
zum grossten Teil ausgeschaltet werden können Der Gedanke, vor den Lautsprecher
ein Mikrophon zu setzen, ist nicht neu (H.V. Olson: Elements of Acoustical Engineering,
De van Nostrand Comp., New York, 1940, S. 159 - Funktechnik 1952, Se 490 - Philips
Technische Rundschau 1968, S. 179 - Küpfmüller: Die Systemtheorie der elektrischen
Nachrichtenübertragung, S. Hirzel-Verlag, Stuttgart, 1968, SO 355), wurde aber für
nicht realisierbar gehalten.
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Wird ein Mikrophon vor einem Lautsprecher angeordnet und die Ausgangs
spannung dieses Mikrophons ohne besondere Massnahmen dem den Lautsprecher steuernden
Verstärker als Gegenkopplungsspannung zugemischt, so erregt sich im allgemeinen
die ganze Anordnung sofort zum Schwingen. Wegen des komplexen Übertragungsfaktors
der Lautsprecher Mikrophon-Anordnung ist ein stabiles Arbeiten eines derartigen
Gegenkopplungskreises nicht ohne weiteres erreichbar.
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Die Nachteile der bekannten Anordnungen werden dadurch vermieden und
es wird eine stabile und hochwirksame Lautsprecher-Gegenkopplung über einen Schallempfänger
gemäss der Erfindung dadurch verwirklicht, dass der maximale Abstand des Schallempföngers
von der Membran des Lautsprechers etwa ein Viertel der Wellenlänge der höchsten
gegenzukoppelnden Frequenz beträgt und dass der minimale Abstand grösser als die
maximale Amplitude der Lautsprechermembran ist, zweckmässig etwa das Zweifache dieser
Amplitude beträgt, und dass in den Gegenkopplungskreis ein Netzwerk eingefügt ist,
dessen Übertragungsfaktor einen Frequenzgang besitzt, dessen Verlauf einen zumindest
angenähert reziproken
Verlauf zum Frequenzgang des Strahlungswiderstandes
aufweist. Da der Strahlungswiderstand auch vom Einbau des Lautsprechers abhangt,
müssen dessen Einflüsse sowie gegebenenfalls auch die Richtcharakteristik der Lautsprechermembran
bei der Bemessung des Korrekturnetzwerkes berücksichtigt werden, Der Abstand des
Schal lempfangers vom strahlenden Teil der Lautsprechermembran darf - wie erwähnt
- höchstens ein Viertel der Wellenlönge der oberen Gegenkopplungsgrenzfrequenz (=
höchste Frequenz, bei der noch eine Gegenkopplung möglich ist) sein, da sonst die
aus dem Laufweg von der Lautsprechermembran zum Mikrophon resultierende Phasendrehung
eine Selbsterregung verursacht. Der Mindestabstand des Mikrophons ist durch die
Gefahr des Anstossens der Lautsprechermembran bei grossen Auslenkungen und durch
nichtlineare Kompression der Luft, die bei zu kurzem Luftweg des Schalls auftreten
kann, gegeben. Die obere Gegenkopplungsgrenzfrequenz selbst ist durch die l,Anstiegszeitl'
des Lautsprechers bestimmt. Die "Anstiegszeit" eines Lautsprechers ist die Zeit,
die der Schalldruck des Lautsprechers braucht, um von 10 % der Amplitude auf 90
% der Amplitude zu kommen, wenn ein Springsignal oder eine sehr tieffrequente Rechteckschwingung
auf den Lautsprecher gegeben wird. Soll der Lautsprecher auch oberhalb der Gegenkoppl
ungsgrenzfrequenz verwendet werden (z.B. als Breitband-Lautsprecher), so muss in
den Gegenkopplungskreis noch ein Stabilisierungsnetzwerk eingefügt werden, das eine
Gegenkopplung oberhalb der Gegenkopplungsgrenzfrequenz verhindert.
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An Hand der Figuren soll der der Erfindung zu Grunde liegende Gedanke
beispielsweise naher erläutert werden. Die Figur 1 zeigt das Prinzipbild der Gegenkopplungsschaltung,
die Figur 2 eine spezifische Anordnung mit Gegenkopplung über einen Schallempfänger,
die Figur 3 ein Ausführungsbeispiel des fUr die Erfindung benutzten Korrekturnetzwerkes
im Gegenkopplungskreis, die Figur 4 beispielsweise das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung
zum Gegenkoppeln eines Lautsprechers durch ein aus dem Schallfeld gewonnenes Signal
und die Figvr 5 das Blockschaltbild einer 3-Wege-Lautsprecher- Kombi nation, bei
der zwei Lautsprecher durch je ein aus dem Schallfeld der Lautsprecher gewonnenes
Signal gegengekoppelt werden.
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In der Figur 1 ist der Eingang mit 1, der Ausgang mit 2, der ÜbertraguGg4
teil mit Ü, der Gegenkopplungsteil mit G und-das Korrekturnetzwerk mit KN bezeichnet.
Da bei dieser Schaltung das Korrekturnetzwerk KN in den Gegenkopplungsteil G eingefügt
ist, muss am Eingang 1 der Schaltung eine Vorentzerrung des Eingangssignals erfolgen.
Der Aufwand lässt sich gemass der Schaltung nach Figur 2 verringen, wenn das Korrekturnetzwerk
KN dem Übertragurlgsteil Ü zugeordnet wird. Dann entspricht der vom Lautsprecher
L abgestrahlte Schall auch ohne Vorentzerrung dem Eingangssignal der Schaltungsanordnung.
Der die Gegenkopplung bewirkende Schallempfänger ist mit E bezeichnet.
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Das bei der Schaltung nach Figur 2 eingefügte Korrekturnetzwerk KN
muss, wenn der Lautsprecher z.B. in eine unendliche. Schallwand eingebaut ist, wie
erwähnt, einen dem Frequenzgang des Strahlungswiderstandes entgegengesetzten Frequenzgang
des Übertragungstaktors aufweisenr d.h. es muss bis zu der Frequenz, bei der der
Umfang des Konus des Lautsprechers gleich der Wellenlänge des abgestrahlten Schalls
ist, als Integrator wirken. Erreicht der Umfang des Konus den doppelten -Wert der
Wellenlänge, wird der Strahlungswiderstand konstant. Von hier ab muss auch der Frequenzgang
des Korrekturnetzwerkes konstant bleiben.
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Eine Schaltungsanordnung für das Korrekturnetzwerk KN, die diese Bedingungen
erfüllt, zeigt als Beispiel die Figur 3. Es ist grundsätzlich auch möglich ein entsprechendes
akustisches Korrekturnetzwerk zu verwenden. In dem - Beispiel-Figur 3 ist ein Rechenverstärker
V als frequenzabhängiger Integrator geschaltet.
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Die Schaltung integriert bis zu der Frequenz, bei der der Betrag des
Scheinwiderstandes des Kondensators C gleich dem Wert des mit ihm in Serie geschalteten
Widerstandes R wird. Dieser Punkt muss der Frequenz entsprechen, bei der der Umfang
des Lautsprecherkonus gleich der Wellenlänge des Schalls ist. Zu höheren Frequenzen
hin 1 asst die Integrationswirkung oder - was gleichbedeutend- ist -der Verstärkungsabfall
nach, und oberhalb einer Frequenz, die doppelt -so gross ist, wird die Verstörkung
konstant und frequenzunabhängig. in diesem Frequenzbereich ist-sie praktisch durch
das Verhältnis des Widerstandes R zum Wider-' stand R1 festgelegt.
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Die gesamte schaligètengekoppelte Schaltungsanordnung nach Figur 2
entspricht-t einer Schallquelle mit einem sehr kleinen Innenwiderstand.
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Die mit der Erfindung erzielten Verbesserungen sind ein sehr gutes
Einschwingverhalten und zusatzlich ein ausgeglichener Amplitudengang in Abhängigkeit
von der Frequenz sowie eine erhebliche Verringerung der nichtlinearen Verzerrungen.
Dies ergibt eine wesentlich natürlichere Wiedergabe.
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Auch eine Anordnung des Schaliemptängers in der Nähe der Rückseite
der Lautsprechermembran bzw. im Innem eines Lautsprechergehduses ist möglich.
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Bei Hochton-Druckkammersystemen kann der Schallempfanger im Phasenausgleichskegel
untergebracht sein.
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Will man verhindern, dass stärkere Druckschwankungen, wie z.B. Türenöffnen
und -schliessen, die c<uf auf den im Gegenkopplungskreis liegenden Schallempfanger
einwirken, zu einer Übersteuerung des im Gegenkopplungsteil G liegenden Verstärkeres
führen, kann in den Gegenkopplungskreis ein entsprechendes frequenz-und phasengangbeeinfl
ussendes Netzwerk eingeschaltet werden.
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Eine Übersteuerung des im Übertragungsteil O liegenden Verstärkers
durch zu grosse Eingangssignale würde ebenfalls zur Folge haben, dass die Gegenkopplung
fehlerhaft wird und nichtlineare Verzerrungen auftreten. Um dies zu vermeiden, kann
in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein Regelsystem eingebaut werden, das vor
Erreichen der Übersteuerungsgrenze des genannten Verstärkers dafür sorgt, ddss die
an den Eingang des Übertragungsteiis Ü zurückgeführte Gegenkopplungsspannung bei
weiterem Ansteigen des Eingangssignals nicht mehr grösser werden-knnn.
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Bei Ausdehnung des geradlinigen Schalldruckverlaufs bis zu sehr tiefen
Frequenzen werden -diemplituden der Membran sehr gross. In weiterer Ausgestaltung
der Erfindung kann daher eine von der Membranbewegung abgeleitete Gegenkopplung
(Schaltungsanordnung nach B) zusätzlich angewendet werden, um zu grosse Membranamplituden
zu verhindern.
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Werden Kombinationen aus mehreren Lautsprechern fUr unterschiedliche
Frequenz bereiche aus schallgegengekoppelten Einzellautsprechern aufgebaut, so sind
verschiedene Zusammenschaltungen möglich. Einige Lautsprecheranordnungen, die von
besonderer Bedeutung sind, sollen nachfolgend aufgeführt werden. So sind
Lautsprecheranordnungen
möglich, bei denen jeder Lautsprecher eine Schallgegenkopplung besitzt. Auch können
mehrere Lautsprecher über Frequenzweichen aus einem gemeinsamen Steuerverstörker
betrieben und es kann fUr einen oder mehrere dieser Lautsprecher eine Schallgegenkopplung
angewendet werden Ebemo ist es möglich - und vor allem fUr elektraakustische Übertragungsànlagen
geringer Ausgangsleistung besonders zweckmässig -, eine Lautsprecheranordnung aus
mehreren Lautsprechem filr verschiedene Frequenzbereiche aufzubauen, bei der der
Lautsprecher für den tiefsten Frequenzbereich einen zusätzlichen Steuerverstärker
und eine Schallgegenkopplung erhält. Damit können auch bei geringer zur Verfügung
stehender Leistung die -tieffrequenten Signale verzerrungsfrei wiedergegeben werden.
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Die Figuren 4 und 5 veranschaulichen zwei Ausführungsbeispiele des
Gegenstandes der Erfindung. In beiden Ze,iRchnungen bedeutet 1 einen Schallempfönger,
2 einen Lautsprecher, 3 einen Leistungsverstärker, 4 einen Schallempfängerverstärker,
6 einen Differenzverstärker zur Differenzbildung zwischen Eingangssignal und Vergleichssignal
und 7 das oben beschriebene Korrekturnetzwerk (KN).
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In der Anordnung nach Figur 4 wird das Eingangssignal Ober den Vorverstärker
5, den Differenzversturker 6, das Korrektumetzwerk 7 und den Leistungsverstärker
3 dem Lautsprecher 2 zugeführt. Mit dem Schallempfünger 1 wird eine der Schallabstrahlung
des Lcutsprechers 2 proportionale Spannung gewonnen. Sie wird im Schal lempfangerverstörker
4 verstärkt und phasenrichtig ebenfalls dem Differenzverstärker 6 zugeführt. Am
Ausgang des Differenzverstörkers 6 steht eine Steuerspannung für den Leistungsverstärker
3 zur Verfugung, die bereits das aus dem Schallfeld gewonnene Gegenkopplungssignal
enthalt und daher den Lautsprecher 2 so nachsteuert, dass, der vom Lautsprecher
2 abgestrahlte -Schall dem Eingangssignal weitgehend identisch ist. Das Korrektumetzwerk
7 ist hier in den Übertragungsweg eingefügt und in den Schaltungsweg zwischen Differenzverstärker
6 und Leistungsverstörker 3 eingeschaltet.
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Bei Verwendung von Schal lempföngern mit sehr tiefer Grenzfrequenz
besteht die Gefahr, dass bei tieffrequenten Druckschwankungen, wie z.B. Türenschliessen
usw., eine kurzeitige Übersteuerung derVrs,tärker herbeigeführt wird. Dies wird
durch Einfügen eines entsprechenden weiteren -Korrektumetzwerkes 8 in den Gegenkopplungsweg
verhindert
In Figur 5 ist als weiteres Anwendungsbeispiel der Aufbau
einer Drei-Wege-Lautsprecherkombination dargestellt. Die drei Wege teilen sich in
einen Tieftonkanal, einen Mitteltonkanal und einen Hochtonkanal auf. Die Aufteilung
in die einzelnen Frequenzbereiche der drei Wege erfolgt hier in der z.B. elektronischen
Frequenzweiche 9. Der Tiefton- und der Mitteltonkanal bestehen hierbei aus je einer
Schaltungsanordnung entsprechend Figur 4. Der Vorverstärker 5 der Schaltung nach
Figur 4 ist in der elektronischen Frequenzweiche 9 enthalten.
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Der Hochtonkanal besteht nur aus einem Lautsprecher und einem Steuerverstärker.
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Es ist auch möglich und mitunter zweckmässig, einem Lautsprecher mehrere
Schall empfänger zuzuordnen und diese, parallel geschaltet, über einen Gegenkopplungsweg
oder getrennt über mehrere parallele Gegenkopplungswege mit dem Eingang zu verbinden.