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Regelungsanordnung für Schallsender
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Die Erfindung betrifft eine Regelungsanordnung für Schallsender nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Wie allgemein bekannt läßt sich das Übertragungsverhalten von elektroakustischen
Schallsendern mittels Regelung verbessern. Dazu sind Schaltungsanordnungen bekannt
geworden, welche den Istwert A) aus einer Brückenschaltung in der Lautsprecherzuleitung,
B) von der Schwingepulenbewegung selbst und C) von der Bewegung der Membrane ableiten.
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Zu A): Hier wird die Rückwirkung der Schwingspulenbewegung des Lautsprechers
auf die Impedanz ausgenutzt (DBP 8 74 607; Audio Engineering, 1951, Dezember, Seiten
21, 43, 44; Audio Engineering, 1962, Mai, Seiten 20, 57; Funktechnik, 1952, Heft
18, Seiten 490 bis 492; Funktechnik 1967, Heft 20, Seite 784; Philips Technische
Rundschau 1968, Seiten 179 und 180).
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Diese Rückwirkung der Schwingspulenbewegung auf die Impedanz ist nur
in der Nähe der Resonanz auswertbar, im übrigen Frequenzbereich wird keine Verbesserung
erzielt.
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Zu B): Es sind weiter Schaltungsanordnungen bekannt, die den Istwert
von der Bewegung der Schwingspule selbst ableiten.
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Solche Schaltungsanordnungen sind unter der Bezeichnung wMotional
Feedback" bekannt geworden. Hierbei wird die Schwingspulenbewegung a) durch eine
zweite Wicklung auf der Schwingspule (I?RP 707538; D3P 853 298; Electronics, 1951,
Nr. 3, Seiten 142 ff.; Funkschaubeilage wElectronik" 1952, Nr. 4, Seite 31, Funktechnik
1952, Heft 18, Seiten 490 bis 492; Funktechnik 1965, Heft 20, Seite 822) oder
b)
durch einen Beschleunigungsaufnehmer (Funktechnik, 1952, Heft 18, Seiten 490 bis
492; Philips Technische Rundschau 1968 Heft 5/6, Seiten 178, 188) oder c) durch
einen Zylinderkondensator aus Schwingspulenträger und Magnetpol (DBP 1817 B 21 a2
16/04) ausgewertet. Diese Schaltungen haben den Nachteil, daß sie nur in einem unteren
sehr kleinen Frequenzbereich bis etwa 300 Hz arbeiten, da bei höheren Frequenzen
Schwingspulenbewegung und abgestrahlter Schall nicht mehr übereinstimmen.
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Zu C): Es sind Anordnungen bekannt geworden, bei welchen der Istwert
von der Bewegung der Membrane abgeleitet wird.
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a) Durch ein Mikrophon vor der Membrane, dessen bewegliche Elektrode
über einen Stab mit der Membrane verbunden ist.
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(DRP 527 943 21a2 13). Diese Anordnung ist für elektromagnetische
Wandler gedacht und eignet sich nicht elektrodynamische Lautsprecher, da sie nur
kleine Amplitude und tiefe Frequenzen verarbeiten kann und selbst wieder Verzerrungen
erzeugt.
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b) Durch ein Mikrophon vor der Membrane, welches den Schalldruck aufnimmt
(DOS 21 41 141). Diese Anordnung arbeitet nur bis etwa 1 KHz und ist empfindlich
gegenüber Umgebungsgeräuschen und Anderungen des Aufstellungsortes durch sich ändernden
Strahlungswiderstand. Das Mikrophon erzeugt bei hohen Schalldrücken selbst Verzerrungen.
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c) Durch einen Fühler, welcher die Membranauslenkung an jedem Ort
der Membran über die gesamte Membran mißt, alle Meßwerte aufsummiert und die Summe
differenziert, und eo ein Signal proportional dem Schalldruck gewinnt (DAS 21 17
847).
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Der Fühler kann beispielsweise aus einem Kondensator bestehen, dessen
eine Elektrode die leitfähige Lautsprechermembrane,
und dessen
zweite Elektrode gitterartig, form-und flächengleich der Lautsprechermembrane äquidistant
gegenübersteht (Radio-Fernseh-Phono-Praxis, Juli 1975, Nr. 6/7, Seite 7; Funkschau,
Oktober 1975, Nr. 22, Seite 118-121).
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Diese Anordnung hat den Nachteil, daß das vom Istwertfühler abgegebene
Signal überhalb der Resonanzfrequenz des Schallsenders mit 6 dB pro Oktave abfällt
und prinzipiell sehr schwach ist. Dadurch wird der gegenkoppelbare Frequenzbereich
und die erreichbare Dynamik beschränkt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und
eine Regelungsanordnung für Schallsender zu schaffen, deren Istwertfühler im gesamten
Hörfrequenzbereich funktionsfähig ist und deren schaltungstechnischer Aufwand gering
ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Maßnahmen des Anspruchs
1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der kapazitive Istwertfühler in die
Membrane eingearbeitet, wobei zwei Elektroden 2, 5 und ein Dielektrikum 3 vorgesehen
sind. Der Abstand zwischen den Elektroden 2, 5 ist sehr gering und durch die Membranschwingungen
veränderbar. Wird die Membrane durch das antreibende System in Schwingungen versetzt,
so erfahren die Elektroden 2, 5 und das Dielektrikum 3 die Beschleunigung b. Auf
die Elektrode 5 wird eine Kraft mit drei Komponenten ausgeübt.
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a) Durch Beschleunigung der wirksamen Masse mw von isolierendem Material
und Elektrode 5.
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K1 = bmw b) K2 infolge Beschleunigung der mitschwingenden Luftmasse
m1.
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K2 = bm1 ; (Imaginärteil des Strahlungswiderstandes) c) E3 durch
Abstrahlung von Schalleistung (Realteil des Strahlungswiderstandes).
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K3 = v Re r5 ; v = Membrangeschwindigkeit r = Strahlungswiderstand
Alle drei Kräfte addieren sich zur resultierenden Gesamtkraft K, wobei beim Membranlautsprecher
K1 dominiert. Die Kraft K erzeugt eine Änderung des elektrischen Abstandes d zwischen
den beiden Elektroden 2 und 5.
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#d = Kc ; c = Federkonstante Befindet sich auf den Elektroden 2, 5
die Ladung Q, so beträgt die Spannung U in Abhängigkeit des elektrischen Abstandes
d: Um cd K wegen d # Kc ; und K # b ; folgt U # b; Der vom Schallsender erzeugte
Schalldruck p ist in dem Bereich, wo die Membranabmessung kleiner als die halbe
Schallwellenlänge ist, ebenfalls proportional der Beschleunigung, so daß das vom
Istwertfühler abgegebene Signal dem Schalldruck entspricht.
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Federkonstante c und wirksame Masse mw von isolierendem Material und
leitender Deckschicht bilden unter Berücksichtigung der mitschwingenden Luftmasse
m1 eine Eigenresonanz wO aus.
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Die Eigenresonanz wO muß mindestens eine Dekade über der höchsten
zu übertragenden Frequenz liegen, damit ein verzerrungsfreies Arbeiten des Fühlers
gewährleistet ist.
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Die Federkonstante c und Masse mw werden so gewählt, daß die Änderung
des elektrischen Abstandes d infolge von Krafteinwirkung durch Schwingungen der
Membrane wesentlich kleiner
bleibt als die Amplitude der Membranschwingungen.
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Unter Berücksichtigung dieser Forderungen werden im folgenden anhand
von Ausführungsbeispielen geeignete Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Fühleranordnung
aufgezeigt.
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Für den tragenden Teil 1 der Lautsprechermembrane kann jedes übliche
Material verwendet werden. Nichtleitende Membranen werden auf der abstrahlenden
Seite gemäß Abb. 1 durch Leitlack, aufgedampftes oder galvanisch aufgewachsenes
Metall, mit einer elektrisch leitenden Schicht 2 versehen. Auf die leitende Schicht
2 wird eine dünne kompressible Schicht 3 aus isolierendem Material aufgebracht.
Die Schichtdicke beträgt je nach Übertragungsbereich des Lautsprechers 1 - 0,001
mm. Als isolierendes Material verwendet man zweckmäßigerweise Schaumstoff, lockeres,
faserartiges Material auf Zellulose oder Kunststoffbasis, Gewebe oder Kunststoffolie.
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In den folgenden Ausführungsbeispielen werden geeignete Materialpaarungen
für den erfindungsgemäßen Fühler aufgezeigt.
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In Abb. 2 ist der Istwertfühler auf einer Metallmembrane 6 aufgebaut.
Ein gut geeignetes Membranmetall ist Aluminium-oder Berylliumlegierung. Als isolierende,
kompressible Schicht dient 1 mm dicker Schaumstoff 7. Die Schaumstoffoberfläche
ist mit einer einige tum dicken Metallschicht versehen, welche zweckmäßigerweise
aufgedampft wird 8.
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Abb. 3 zeigt eine Metallmembrane 9 auf welche eine 0,3 mm dicke Schicht
aus lockerem, saugfähigem Papier 10 aufgebracht ist. Auf der Papierschicht ist eine
metallisierte Kunststofffolie 11 aufgeklebt. Zum Verbinden der verschiedenen Schichten
ist Klebstoff auf Cyanbasis gut geeignet.
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Abb. 4 zeigt eine Metallmembrane 12 auf welche ein Netz 13 aus isolierendem
Material aufgebracht ist. Als Elektrode 14,
welche durch das Netz
in einem Abstand von etwa 0,4 mm gehalten wird, dient eine Metallfolie 15. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist es nicht notwendig, daß das isolierende Material 13 kompressibel
ist, da sich die Metallfolie bei Krafteinwirkung in die verbleibenden Hohlräume
biegt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt Abb. 5.
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Die Elektrode 16 ist mit noppenartigen Vertiefungen ausgestattet,
welche einen gleichmäßigen Abstand zur Gegenelektrode 17 erzeugen. Das Dielektrikum
18 besteht entweder aus einer Lackschicht 18a auf der Elektrode 17a, wobei die Elektrode
16a aus Metallfolie besteht, oder ist auf der Elektrode 16b angebracht, wobei diese
aus einseitig metallisiertem Kunststoff 18b besteht.
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Abb. 6 zeigt eine nach der Erfindung behandelte Sandwichmembrane.
Sie setzt sich aus einem Schaumstoffkern 19 und beidseitig aufgeklebten Metallfolien
20 zusammen. Auf der Membranoberseite liegt eine dünnere Schaumstoffschicht 21 mit
weicherer Konsistenz, welche an der Oberfläche metallisiert 22 ist.
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Abb. 7 zeigt die Ausführungsform einer Schaumstoffmembrane, bei welcher
der tragende Teil 23 und das nichttragende kompressible Dielektrikum 24 aus dem
gleichen Material besteht.
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Die Unterseite der Membrane ist zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit
mit Metallfolie 25 belegt, während die Oberseite mit einem dünnen, dehnbaren Metallfilm
26 versehen ist.
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Zur Erzeugung der Polarisation kann anstelle einer an die leitenden
Flächen angelegten, elektrischen Spannung eine Elekretfolie 27 verwendet werden,
welche zwischen leitender Membranfläche 28 und Dielektrikum 29 liegt (Abb. 8).
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Der Istwertfühler kann durch Materialauswahl sowie Einstellung der
Schichtdicken dem jeweiligen Anwendungsfall optimal angepaßt werden.
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Abb. 9 zeigt die Anwendung auf einen Konuslautsprecher. Zweckmäßigerweise
dehnt man den Istwertfühler auf die gesamte Membranfläche aus. Die Erfindung betrifft
nicht nur aktive Schallstrahler, sondern auch Passivstrahler, welche in Verbindung
mit aktiven Strahlern betrieben werden. Dabei wird man zweckmäBigerweise die Beschichtungen
von aktivem und passivem Strahler identisch gestalten, so daß beide Istwertfühleranordnungen
direkt parallel geschaltet werden können. Das resultierende Istwertfühlersignal
ist dann unabhängig vom Membranflächenverhältnis proportional dem Schalldruck.
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Bei Kalottenlautsprechern erscheint es zweckmäßig, den Istwertfühler
auch über die Randeinspannung hin auszudehnen (Abb. 10 da diese Eigenresonanzen
ausbildet und auch zur Schallabstrahlung beiträgt.
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Sehr vorteilhaft tt die Anwendung der Erfindung auf Druckkammer-Hornlautsprecher.
Damit ist es möglich, auch die nichtlinearen Verzerrungen solcher Lautsprecher,
die dadurch entstehen, daß die Luft in der Kammer einen Wärmeaustausch mit der Umgebung
durchführt, also nicht mehr adiabatisch verdichtet wird, wirksam zu erfassen und
auszuregeln. Die Krafteinwirkung des Strahlungswiderstandes auf die Elektroden 31
ist durch die akustische Transformation durch das Horn wesentlich größer als beim
freistrahlenden Membranlautsprecher. Macht man die wirksame Masse von Dielektrikum
30 und Elektrode 31 in Abb. 11 hinreichend klein, so überwiegt die Krafteinwirkung
durch den Kammerdruck der Krafteinwirkung durch die Beschleunigung auf das Dielektrikum
30, so daß der Istwertfühler ein Signal proportional dem Kammerdruck abgibt.
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Wesentlich für die richtige Funktionsweise der Regelung ist die Beschaltung
des Fühlers und Dimensionierung des Regelkreises. Die Stabilität ist ohne zusätzliche
Maßnahmen nicht gewährlettet, da eine prinzipielle Schwingneigung unterhalb der
Resonanzfrequenz
des elektrodynamischen Schallsenders vorhanden ist. Wie das Bohde Diagramm in Abb.
12 zeigt, fällt die Beschleunigung des freischwingenden elektrodynamischen Schallsenders
unterhalb seiner Resonanzfrequenz mit 12 dB pro Oktave ab, wobei gleichzeitig ein
Phasengang von 180 Grad auftritt. Die Phase wird zweckmäßigerweise mit einem integrierenden
Übertragungsglied im Regelkreis korrigiert, welches so beschaffen ist, daß seine
obere Eckfrequenz mit der Resonanzfrequenz des Schallsenderszusammenfällt und die
untere Eckfrequenz so weit abgesenkt ist, daß sie außerhalb des Bereiches liegt,
wo die Schleifenverstärkung größer als Eins ist. Dies ist im allgemeinen eine Dekade
unterhalb der oberen Eckfrequenz der Fall.
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Die Abb. 13 bis 20 zeigen zweckmäBige Ausstaltungen des Regelkreises.
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In Abb. 13 ist ein Blockschaltbild für Mittel- und Hochtonlautsprecher
dargestellt, welche nicht unterhalb ihrer Resonanzfrequenz betrieben werden. Die
Elektrode 32 liegt über einen Widerstand 33 auf hohem Potential. Der Kondensator
34 schließt kapazitive Einstreuungen der Schwingspule kurz. Die Elektrode 35 ist
mit dem Eingang des Vorverstärkers 36 verbunden. Der Eingangswiderstand ist so hochohmig,
daß die Eckfrequenz des Istwertfühlersin dem unteren Frequenzbereich liegt, wo die
Schleifenverstärkung im Regelkreis kleiner Eins geworden ist. Die Rückführung des
Regelkreises geht vom Ausgang des Vorverstärkers 36 über das Integrationied 37 zum
nichtinvertierenden Eingang des Endverstärkers 38.
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Das Steuersignal gelangt über den Blockkondensator 39 zum nichtinvertierenden
Eingang des Endverstärkers 38. Diese Einspeisung hat den Vorteil, daß für das Steuersignal
das Integrationsglied 37 nicht wirksam iS, wohl aber für die Rückführung, so daß
tiefe Frequenzen außerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches abgeschwächt werden, Um
Brummeinstreuungen zu vermeiden, wird das Chassis 40a mit Masse verbunden und dieELektrode
35 auf der Membrane abgeschirmt.
Die Abschirmung wird unnötig,
wenn man die Streukapazität von der Schwingspule zur leitenden Membranfläche klein
hält und die Elektrode 42 mit dem Vorverstärker 43 verbindet (Abb. 16). Die leitende
Deckfläche 44 wird auf hohes Potential gelegt und dient zugleich als Abschirmung.
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Abb. 14 zeigt eine zweckmäßige Ausführungsform des Vorverstärkers
mit Integrationsglied. Das Istwertfihlersignal gelangt über einst -Glied mit zwei
Parallelwiderständen und einem Serienkondensator zum Gate eines Feldeffekttransistors
45. Der Längskondensator am Eingang verhindert, daß der Arbeitspunkt des Feldeffekttransistors
durch einen Kriechstrom im INwertfUhler verschoben wird. Der eigentliche Verstärker
besteht aus zwei gegengekoppelten Transistorverstärkerstufen 45, 46. In der Gegenkopplung
befindet sich das Integrationsglied mit dem Widerstand 47 und dem Kondensator 48.
Das Signal wird am Ausgang über ein Potentiometer 49 abgenommen.
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Durch den komplementären Aufbau ist der Vorverstärker unempfindlich
gegen Versorgungsspannungsbruum.
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Will man den Schallsender auch unterhalb seiner Resonanzfrequenz betreiben,
so wird der Regelkreis gemäß Abb. 15 beschaltet. Die Rückführung bleibt starr, damit
unterhalb der Resonanzfrequenz keine Frequenzabhängigkeit der Ausgangsgröße entsteht.
Die zur Unterdrückung der Schwingneigung notwendige integrierende Charakteristik
unterhalb der Resonanzfrequenz in der Regelschleife wird durch ein differenzierendes
Ubertragungsglied im Gegenkopplungszweig des Endverstärkers 50 erzeugt. Es besteht
aus den Widerständen 51, 52 und dem Kondensator 53 und ist so beschaffen, daß die
obere Eckfrequenz mit der Resonanzfrequenz des Schallsenders zusammenfällt und die
untere Eckfrequenz in dem Bereich liegt, wo die Schleifenverstärkung im Regelkreis
kleiner Eins geworden ist, also etwa eine Dekade unterhalb der Resonanzfrequenz.
Das Steuersignal wird in den invertierenden Eingang des Hauptverstärkers eingespeist.
Der Istwertfühler kann so empfindlich gestaltet werden,
daß kein
Vorverstärker nötig ist. Dann kanner über ein abgeschirmtes Kabel direkt mit dem
nichtinvertierenden Eingang des Hauptverstärkers verbunden werden. Die Kapazität
des Kabels hat keinen Einfluß auf die Linearität des Istwertfühlers und darf bis
zu 100pF betragen, ohne dämpfend in Erscheinung zu treten.
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Eine rückwirkungsfreie Möglichkeit der Einspeisung des Steuersignales
geht aus Abb. 17 hervor. Das Steuersignal wird über den Kondensator 54 an die Elektrode
55 gelegt.
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Dies hat bei Verwendung eines Vorverstärkers noch die Vorteile, daß
das Steuersignal nur einen geringen Pegel haben muß, da es vom Vorverstärker mitverstärkt
wird, und daß nur die Abweichungen vom Istwert an den Vorverstärker gelangen, dieser
also keine große Dynamik verarbeiten muß.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Ausgangssignale
mehrerer Istwertfühler addiert werden.
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Betreibt man einen Baßlautsprecher in Verbindung mit einer Passivmembrane
so können beide Membranen mit Istwertfühlern versehen und deren Ausgänge parallel
geschaltet werden (eiehe Abb. 18). Desgleichen kann verfahren werden, wenn man mehrere
Lautsprecher parallel aus einem Endverstärker betreibt, wie in Abb. 19 gezeigt.
Die Lautsprecher müssen nicht baugleich sein, wohl aber ist es notwendig, die Istwertfühler
mit gleicher Empfindlichkeit auszustatten.
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Eine weitergehende Ausgestaltung einer Mehrlautsprecheranordnung,
welche mit einem Endverstärker betrieben wird, zeigt Abb. 20. Hier wird ein Tieftonlautsprecher
56, Mitteltöner 57 und Hochtöner 58 mit einer konventionellen Frequenzweiche 59
an einem Endverstärker 60 betrieben. Die Verzerrungen des Frequenz- und Phasenganges,
welche die Frequenzweiche in Verbindung mit den angeschlossenen Lautsprechern macht,
werden dadurch korrigiert, daß das Gegenkopplungsnetzwerk des Endverstärkers
60
in drei Zweige aufgeteilt wird, derart, daß von jedem Lautsprechereingang ein Widerstand
61, 62, 63 zum invertierenden Eingang des Endverstärkers 60 führt. Durch Variieren
dieser Widerstände kann der Pegel an jedem Lautsprecher 56, 57, 58 individuell eingestellt
werden, Jeder Lautsprecher 56, 57, 58 ist mit einer Istwertfühleranordnung 64, 65,
66 versehen, de jeweils an einen separaten Vorverstärker mit Pegelregler angeschlossen
ist. Die Ausgangssignale aller Vorverstärker werden addiert und auf den nichtinvertierenden
Eingang des Endverstärkers 60 geschaltet. Maßnahmen zur Unterdrückung von Instabilität
müssen nur beim Tieftonlautsprecher 56 getroffen werden. Dazu wird in die Rückführung
vom Lautsprechereingang zum nichtinvertierenden Eingang des Endverstärkers 60 ein
differenzierendes Übertragungsglied 67, welches unter der Resonanzfrequenz des Lautsprechers
56 wirksam wird, geschaltet. Die Anordnung ist nicht auf Dreiwegsystem begrenzt,
sondern gilt prinzipgemäß auch für Zwei- und Vierwegsysteme.
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Bei der Regelung von Mehrwegsystemen sollen die Membranen der einzelnen
Lautsprecher möglichst dicht beieinanderliegen, damit bei den übergangsfrequenzen
keine Interferenzen durch Laufzeitunterschiede auftreten. Dies wird bei Mittels
und Hochtonkalottenlautsprechern nach Abb. 21 dadurch erreicht, daß beide Membranen
70, 71 mit dem gleichen Magnetsystem angetrieben werden, welches mit zwei Luftspalten
ausgestaltet ist, derart, daß die Membranen 70, 71 nebeneinander auf einer Fläche
montiert sind.
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In manchen Anwendungen werden Lautsprecher über Kabel von einem entfernten
Endverstärker betrieben. Hier ist es vorteilhaft, den Vorverstärker 72 direkt am
Lautsprecher möglichst nahe an der Membrane anzubringen. Der Vorverstärker liegt
zweckmäßigerweise innerhalb der Abschirmung 73, welche vor der abstrahlenden Membranseite
angebracht ist (Abb. 22).
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Nicht nur der Vorverstärker 74, sondern auch der Endverstärker 75
kann an das Lautsprecherchassis 76 angebaut werden (Abb. 23). Dann dient das Chassis
76 zugleich als Kühlfläche und die Verbindungsleitungen bleiben kurz.
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Die Regelung nach der Erfindung von Lautsprechern arbeitet im gesamten
Höhrfrequenzbereich. Der Istwertfühler hat keine systematische Nichtlinearität im
Amplituden- und Frequenzbereich. Seine Quellkapazität liegt zwischen 1OOpF und 100nF.
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Er liefert Ausgangsspannungen bis zu 1 V bei Vollaussteuerung und
einer Polarisationsspannung von 100 V.