DE2446982B2 - Verfahren fuer den betrieb von lautsprecheranlagen und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von LautsDrechern an einem Verstärker und eine Vorrichtu ng zur Durchführung dieses Verfahrens.

Sieht man von dem derzeit bedeutungslosen Ionenlautsprecher einmal ab, so sind Lautsprecher fast alle ,mit grundsätzlichen Mängeln behaftet, die derart cravierend sind, daß die Übertragungsgüte weitgehend durch die Lautsprecher und weniger durch den vorgeschalteten elektronischen Teil der Übertragungslcette bestimmt wird. Diese Mängel sind darin begründet, daß ein herkömmlicher Lautsprecher aus einer festen Membran zur Ankopplung der Schwingungen an die Luft und einem Antriebssystem besteht, das angenähert strom- oder spannungsproportionale Kräfte ■in der Membran erzeugt. Da jede Membran mit Masse behaftet ist und außerdem eine der Auslenkung proportionale Kraft vorhanden sein muß, um die miniere Lage der Membran festzuhalten, ist jeder Lautsprecher prinzipiell ein mit einer oder mehreren Eigenfrequenzen behafteter linearer Oszillator an einer Kraftquelle. Das hat zur Folge, daß die Ubertragungs-Ikennlinie des Schalldruckes über der Frequenz durch eine oder mehrere Resonanzkurven gegeben ist, die zusätzlich noch durch den Strahlenwiderstand einer endlich großen Membranfläche beeinflußt wird.

Um im Hinblick auf diese Mängel über dem gesamten Hörbereich eine annähernd gradlinige Schalldruckkurve zu erhalten, teilt man üblicherweise das Gesamtintervall in zwei oder mehr Teilbereiche ein, die speziell ausgeführten Lautsprechersysteme zugeführt werden.

Die prinzipbedingte Schmalbandigkeit gegenwärtiger Lautsprechersysteme, die neben schlechtem Frequenzgang auch zu Phasenverzerrungen und fehlerhaftem Impuls- bzw. Einschwingverhalten führt, läßt sich bisher jedoch nur durch Verstärken der Eigendämpfung bekämpfen. Der sich dadurch ergebende schlechte Wirkungsgrad ist nach der Einführung der Transistoritechnik ohne schwerwiegende Bedeutung.

Moderne Lautsprechersysteme, insbesondere Kalotitensysteme für Mittel- und Hochlagen, sind so stark gedämpft, daß die Membranbewegung weitgehend von der mechanischen Wirkdämpfung und weniger von der Blinddämpfung (Masse) bestimmt ist. Die Dämpfung wird dabei mittels zähelastischer Hochpolymere bewerkstelligt, mit denen die Sickenpartie und/oder Abstrahlfläche imprägniert sind.

Solche Stoffe zeigen außer der gewünschten streng geschwindigkeitsproportionalen Reibungshemmung stets auch eine von der Verformungsgeschwindigkeit abhängende Federeigenschaft. Das hat zur Folge, daß die Feder der Membran, die im idealen Fall eine Gerade darstellt, in zwei richtungsabhängige Äste aufspaltet; es entsteht also eine Hystereseschleife. Infolge der viskoelastischen Dämpfung treten daher nichtlineare Verzerrungen auf.

Diese nichtlinearen Verzerrungen sind gehörmäßig besonders unangenehm, da im Gegensatz zu den Verhältnissen an einer eindeutigen, gekrümmten Arbeitskennlinie, wie sie z. B. bei Verstärkern vorkommt, keine konstante Phasenlage der Oberwellen bezüglich der Grundwelle gegeben ist.

Diese spitzwinklige Aufspaltung der dynamischen Arbeitskennlinie ist nicht identisch mit der meist vorliegenden konstanten Phasenverschiebung, etwa durch Massenbelastung an einem Lautsprecher, bei der eine elliptische Arbeitskennlinie einer sogenannten Lissajous-Figur auftritt. Beide Erscheinungen sind voneinander unabhängig, letztere ergibt keine nichtlineare Verzerrung.

Ein ähnliches Verzerrungsproblem tritt bei gieitzen-

Lt

trierten Lautsprechern auf, die nicht mittels einer Zentrierspinne, sondern an einer starren Gleitlagerung geführt sind. An sich haben solche Führungen bei Tieftonlautsprechern den Vorteil, große Amplituden zuzulassen, d. h. mit kleinen Systemen große Schalleistungen abzustrahlen. Doch sind die Probleme infolge des Unterschiedes von Haft- und Gleitreibung, mechanischer Hysterese usw. bisher nicht gelöst worden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Verzerrungen zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem niederfrequenten Tonsignal eine Hochfrequenzschwingung beliebiger Kurvenform im Bereich von 20 kHz bis zu einigen Hundert kHz am Antriebssystem mindestens eines Lautsprechersystems je Übertra- ,₅ gungseinheit linear überlagert ist.

Die Hochfrequenzschwingung hat dabei vorzugsweise angenähert rechteckige Form und eine Grundfrequenz im Bereich von 40 kHz bis 100 kHz.

Falls die Hochfrequenz-Schwingungen über den Niederfrequenz-Leistungsverstärker laufen und in diesem zugleich auf die erforderliche Amplitude (Leistung) gebracht werden sollen, sind die Amplituden der Hochfrequenzschwingungen nach an sich bekannten Verfahren so zu regeln, daß bei großer Aussteuerung des überlagerten Tonsignales ein Beschneiden der Hochfrequenzsignale an der Aussteuergrenze des Verstärkers vermieden wird.

Um den guten Wirkungsgrad solcher Verstärker auch bei kleiner Aussteuerung zu erhalten, wird der Träger von den Lautsprechersystemen mittels einer Drossel ferngehalten. Dies dient auch zum Schutz des Hochtöners vor thermischer Überlastung. Zum anderen sind moderne Lautsprecherboxen so verschaltet, daß der Träger an Tief- und Mitteltöner nicht wirksam werden kann, während am Hochtöner wegen der kleinen Membranamplituden die beschriebenen Verzerrungen ohnehin kaum auftreten dürften.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Lautsprechersystem mit drei Lautsprechern und einem akustischen Filter,

Fig.2 eine Dreiwege-Frequenzweiche für drei Lautsprecher,

F i g. 3 einen dynamischen Lautsprecher,

F i g. 4 ein weiteres Lautsprechersystem.

In Fig. 1 dienen zur Aufteilung des Frequenzbandes auf die drei Lautsprecher 1, 2, 3, die drei Frequenzweichen, die aus den Spulen und Kondensatoren 4, 5 bzw. den Spulen, Kondensatoren und Widerständen 6,7,8,9, 10, 11 bzw. 12, 13 zusammengesetzt sind. Um die Hochfrequenz rückwirkungsfrei dem Tonsignal zu überlagern, sind entsprechende Drosseln 14, 15 und Kondensatoren 16, 17 zu der an sich konventionellen Drei-Wege-Anordnung hinzugefügt. Da der Tieftöner 1 — dieser kann z. B. gleitzentriert sein — und der Mitteltöner 2 verschiedene Eigenschaften haben, werden nach Frequenz und Amplitude verschiedene HF-Schwingungen zu optimalen Ergebnissen führen, weshalb zwei separate Multivibratoren 18, 19 vorgesehen sind. Die Speisespannung kann über eine dritte Ader 20 dem Verstärkernetzteil entnommen werden. Im Interesse der Störstrahlungssicherheit ist es günstiger, die Versorgungsspannung durch zusätzliche Kabel bzw. Steckvorrichtungen an die Lautsprecher zu führen, statt die HF im Verstärker oder gar Empfänger/Verstärker zu erzeugen und über die langen Lautsprecherkabel an die Boxen zu führen.

In jedem Falle sollte aber vermieden werden, daß Ultraschall in den Raum gestrahlt wird, der zu Störungen an Ultraschall-Fernbedienung für Fernseh geräte usw. führen könnte. Deshalb sind die betreffenden Lautsprechersysteme oder die ganze Schallwand mit einem akustischen Filter 21 abgeschlossen, das zwar die Hörfrequenzen passieren läßt, nicht aber die Hochfrequenz. Um die Hörfrequenzen nicht zu beeinträchtigen, ist einer Ausführung als Blinddämpfungsglied (Reflexionsfilter) der Vorzug zu geben.

Aus der Technik der akustischen Wellenleiter ist bekannt, wie solche Anordnungen etwa aus Lochplatten, Wabenplatten, Strömungswiderständen usw. zusammenzusetzen sind. Wegen des Doppeleffektes dürfen die Filter nicht zu schmalbandig ausgelegt sein.

Bei Betrieb einer Mehrwege-Lautsprechereinheit an einem pulsbreiten modulierten Verstärker ist die Einheit mit bekannten Schaltmitteln so auszubilden, daß die Dämpfung der Netzwerke an Tief- oder Mitteltonsystem in der Umgebung der Trägerfrequenz ein zweites Minimum annimmt, am Hochtonsystem jedoch jenseits des Hörbereiches möglichst rasch ansteigt. Der Schwingungserzeuger, vorzugsweise im Multivibrator, wird zweckmäßig in der Lautsprecherbox untergebracht, um Abstrahlungen vom Verbindungskabel zu vermeiden.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist wie folgt zu verstehen: Der stetigen Membranbewegung, die durch trockene Reibung oder Viskoelastizität behindert wird, ist eine hochfrequente Hilfskraft bzw. Hilfsbewegung überlagert durch die die Richtungs- und Geschwindigkeitsabhängigkeit der Dämpfungs- und Federparameter teilweise ausgeschaltet wird. Eine in etwa analoge Technik wird bei der H F-Vormagnetisierung eines Magnetbandes angewandt. Dort ist die durch reibungsähnliche Hemmung der Ummagnetisierung hervorgerufene Hysterese mit dem dadurch bedingten ungleichförmigen Durchlaufen (Rauschen) und der Aufspaltung der Arbeitskennlinie (Klären) durch eine hochfrequente magnetische Hilfserregung sehr weitgehend beseitigt.

Um den gewünschten ähnlichen Effekt an Lautsprechern zu erreichen, können das Tonsignal und eine Hochfrequenz linear an der Schwingspule überlagert werden. Es ist auch möglich, die Hochfrequenz mit den Tonsignal zu modulieren, jedoch nur nach einem Modulationsverfahren, das durch einen linearen Prozeß, etwa einer Integration am Antriebssystem, demoduliert werden kann. Vor allem kommen Pulsbreitenmodulation, Pulsdichtenmodulation oder Pulshöhenmodulation in Frage. Die erstere Art ist für NF-Verstärkungszwekke zwar seit langem bekannt, interessanterweise ist aber der beschriebene Effekt an solchen Anlagen bisher nicht bekanntgeworden.

Fig.2 zeigt eine Dreiwege-Frequenzweiche zum Betrieb eines Tieftonsystems 22, welches z. B. ein gleitzentrierter Typ sein kann, eines Mitteltonsystems ?1 und eines Hochtonsystems 24 an einem pulsbreitenmodulierten Verstärker oder einem Analog-Verstärker mit einer überlagerten Hochfrequenz. Die Netzwerke für die drei Frequenzbänder sind wie üblich aus den Spulen, Kondensatoren und Widerständen 25, 26 bzw. 27, 28, 29, 30, 31, 32 bzw. 33, 34 aufgebaut. Eine solche Anordnung hat aber den Nachteil, daß die Hochfrequenz ungewollt in den thermisch wenig belastbaren Hochtonlautsprecher 24 fließt und an dem Tief- und Mitteltonsystem 22 bzw. 23 höchstens über Streuimpe-

danzen wirksam wird. Um den Träger bzw. die überlagerte Hochfrequenz in der gewünschten Weise auf die drei Einzellautsprecher zu verteilen, sind weitere Induktivitäten 35, 36, 37 und Kapazitäten 38, 39, 40 eingeführt. Die Zuleitungen und inneren Verschaltungen müssen selbstverständlich HF-sicher geschirmt sein; die Abstrahlung unzulässig großer Ultraschall-Leistungen wird durch das angedeutete akustische Filter 41 verhindert.

Wegen des außerordentlich breiten Spektrums ₎₀ breitenmodulierter Impulse ist dieser Filter 41 zweckmäßig als akustischer Tiefpaß, etwa in Form einer Laufzeitkette, auszubilden.

Fi g. 3 zeigt einen dynamischen Lautsprecher, bestehend aus dem Ringmagneten 42, einer Polplatte 43, ,₅ einer Lochplatte 44 und einem Polkern 45, in dem sich innerhalb der kalottenförmigen Membran 46 ein Piezoschwinger 47, z. B. in Form einer rechteckigen Platte, befindet. Er ist gehaltert von zwei z. B. aus Gummi bestehenden Stützen 48, 49. Die kürzere Kantenlänge des Piezoschwingers muß wenigstens eine halbe Wellenlänge betragen. Im hohlen Polkern 45 befindet sich eine Dämpfungsmasse 50, die Stehwellenresonanzen innerhalb der Kalottenmembran verhindern soll. Bezüglich der hohen Sc lallfrequenz dagegen sollte _2J der Raum unter der Membran möglichst gute Halleigenschaften besitzen, deshalb ist die nicht erwünschte Dämpfung dieser hohen Schallfrequenz in der Dämpfungsmasse 50 durch ein Reflexionsfilter, das im einfachsten Falle aus einer entsprechend abgestimmten Lochplatte 51 bestehen kann, vermindert.

F i g. 4 zeigt einen Lautsprecher, der mit einem pulsbreitenmodulierten Verstärker oder mit überlagerter Hochfrequenzspannung betrieben werden soll. Er ist als gleitzentrierter Tieftonlautsprecher ausgeführt, weshalb auf dem Polkern 52 ein Führungsstift 53 angebracht ist, auf dem zur Führung der Schwingspule 54 eine in den Membrandom 55 eingesetzte Gleitbuchse 56 läuft. Da die Membranteile in der Nähe der Schwingspule Ultraschall abstrahlen, ist auf dem Lautsprecherkorb 57 ein akustisches Tiefpaßfilter 58 aufgesetzt. Es besteht aus drei Draht- oder Kunststoffnetzen 59,60,61 die in einem Abstand von etwa 1/4 der Grenzwellenlänge aufeinanderfolgen.

Da der Ultraschall scharf gebündelt zur Abstrahlung kommt, ist es möglich, ohne wesentliche Beeinflussung der tiefen Hörfrequenzen in der Hauptkeule, also um die Figurenachse herum, weitere absorbierende Dämpfungsmittel anzubringen. Die hierzu verwendeten faserigen oder porigen Platten 62, 63, 64 (Strömungswiderstände) dienen zugleich zur Zwischenstützung und Vibrationsdämpfung der Drahtnetze.

Wegen der nach außen hin rasch abzunehmenden Amplitudenbelegung der Membran bezüglich hoher Frequenzen besitzt die Abstrahlcharakteristik nur schwache Nebenmaxima.

Nach hinten ist der wie üblich mit einem luftdichten Kasten 65 abgeschlossen. Vor dem Ultraschallfilter befindet sich eine Sichtblende 66.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche;

1. Verfahren für den Betrieb von Lautsprecheranlagen, dadurch gekennzeichnet, daß dem niederfrequenten Tonsignal eine Hochfrequenz-Schwingung beliebiger Kurvenform im Bereich von 20 kHz bis zu einigen Hundert Kilohertz am Antriebssystem mindestens eines Lautsprechersystems je Übertragungseinheit linear überlagert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenz angenähert rechtekkige Form und eine Grundfrequenz vorzugsweise im Bereich von 40 bis 100 kHz besitzt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenz im Tonverstärker mitverstärkt und an seinem Eingang so geregelt ist, daß bei großer Aussteuerung mit der Tonfrequenz ein Beschneiden der Hochfrequenz an den Aussteuergrenzen des Verstärkers vermieden ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eines Lautsprechersystems mit einer hohen Schallfrequenz beliebiger Kurvenform im Bereich von 20 kHz bis zu einigen Hundert Kilohertz bestrahlt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein pulsbreiter-modulierter Verstärker und eine Mehrwege-Lautsprechereinheit vorgesehen ist, wobei die Tief- (1) oder Mitteltonsysteme (2) an solche Frequenzweichen (4, 5; 6, 7, 8, 9, 10, 11) betrieben sind, die in der Umgebung der Trägerfrequenz ein zweites Dämpfungsminimum aufweisen, während das Hochtonsystem (3) an einer solchen Frequenzweiche (12, 13) betrieben ist, die oberhalb des Hörbereiches einen Dämpfungsansttig aufweist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungserzeuger, insbesondere ein Multivibrator (18, 19) in einer sogenannten passiven Laut-Sprechereinheit untergebracht ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Lautsprechersystem mit Gleitzentrierung.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Piezoschwinger (47) in der Nähe einer Lautsprechermembran, insbesondere auf dem Polkern innerhalb eines kartenförmigen Membranteils (46) eines elektrodynamischen Lautsprechers angebracht ist.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmittel zur Beseitigung von Hohlraum-Eigenresonanzen im Hörbereich mit einem Reflexionsfilter für die hohe Schallfrequenz abgedeckt ist.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein vor mindestens einem Lautsprechersystem angebrachtes Ultraschallfilter, welches insbesondere als Reflexionsfilter ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallfilter aus einer Kombination von Loch- und/oder Wabenplatten und/oder Draht- und/oder Textilnetzen besteht.