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Istwertgeber für einen elektrodynamischen
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Lautsprecher.
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Es ist bekannt, zur Verbesserung der Klangwiedergabe elektrodynamischer
Lautsprecher eine Gegenkopplungsanordnung zu verwenden, bei der eine aus der Bewegung
der Membran hergeleitete elektrische Spannung als Gegenkopplungsspannung in den
den Lautsprecher speisenden Verstärker eingekoppelt wird. Dabei soll als Gegenkopplungsspannung
eine der Beschleunigung der Membranbewegung proportionale Spannung benutzt werden.
(DT-PS 967 169) Es ist bekannt, als Istwertgeber eine kapazitive Abtastung zu verwenden,
bei der der leitend gemachten Membran eine feste Gegenelektrode gegenübersteht.
Hält man die Spannung dieses Kondensators konstant, so erhält man eine der Schnelle
der Membranbewegung proportionale Spannung. Dabei ist der Klirrgrad des Istwertes
nur dann zu vernachlässigen, wenn der Membranausschlag klein gegen den Elektrodenabstand
des Kondensators ist. Es ist auch bekannt, als Istwertgeber eine auf dem Schwingspulenträger
des elektrodynamischen Lautsprechers zusätzlich aufgebrachte Spule zu verwenden.
Daß gewonnene Signal it der Schnelle der Menbranbewegung proportional, dabei bilden
aber die Schwingspule des Lautsprechers und die zusätzliche Spule einen Transformator
und dies hat zur Folge, daß das Eingangssignal des Lautsprechers in die Gegenkopplungsspannung
mit eingeht und aus dieser nicht völlig eliminiert werden kann.
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Es ist ferner bekannt, als Istwertgeber einen piezoelektrischen Beschleunigungsempfänger
zu verwenden, oder eine zusätzliche Schwingspule, die sich in einem Magnetfeld bewegt,
das gleichzeitig das für den Lautsprecher erforderliche Magnetfeld ist. Auch in.
diesen Fall besteht aber eine Kopplung zwischen der Lautsprecher spule und der Abtastspule.
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Bei allen bekannten Systemen, bei denen zur Ermittlung des Istwertes
der Membranschnelle eine weitere Spule verwendet wird, und ebenso bei Verwendung
eines piezoelektrischen Beschleunigungse pfängers wird die Masse des schwingenden
Systems erhöht. Die kapazitive Abtastung mit konstanter Ladung, bei der die Auslenkung
der Membran gemessen wird, ist mit einer großen Dynamik behaftet, da die Auslenkung
mit 1/w bei konstante Schalldruck abfällt.
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Um diese Mängel der bekannten Istwertgeber zu vermeiden, ist gemäß
der Erfindung vorgesehen, als Istwertgeber für einen elektrodynaaischen Lautsprecher
mit Gegenkopplung durch die dem Lautsprechereingang eine der Schnelle der Lautsprechermembran
proportionale Spannung zugeführt wird, ein System zu verwenden, das aus einer Spule
und einem oder mehreren Permanentmagneten besteht, wobei der eine Teil, und zwar
zweckmäßig jeweils der Teil mit der geringsten Masse, mit der Membran verbunden,
der andere Teil fest angeordnet ist.
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Da in diesem Fall der Istwertgeber von der Antriebsvorrichtung für
den elektrodynamischen Lautsprecher völlig unabhängig ist, kann gesäß der weiteren
Erfindung zwischen dem elektrodynamischen Antriebssystem des Lautsprechers und dem
Istwertgeber eine Abschirmung für Magnetfelder vorgesehen sein.
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Als Abschirmung kann die Lautsprechermembran selbst dienen, indem
sie aus elektrisch leitendem Material oder aus weichmagnetischem Material besteht,
oder mit solchem Material beschichtet ist.
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Um Störungen durch äußere Magnetfelder, beispielsweise durch ein von
einem Transformator ausgehendes Streufeld, zu vermeiden, kann in der Nähe der Spule
des Istwertgebers eine zweite gleiche, aber gegensinnig gewickelte Spule angeordnet
und zu dieser parallel geschaltet sein. In diesem Fall sind alle durch äußere Magnetfelder
induzierten Spannungen in den beiden Spulen entgegengesetzt gleich und heben sich
auf, so daß nur die durch die Membranbewegung in der Spule des Istwertgebers
induzierten
Spannungen übrigbleiben.
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Ein Istwerttgeber gemäß der Erfindung kann insbesondere aus einer
fest angeordneten Zylinderspule bestehen und einem Permanentmagnetstäbchen, das
in die Zylinderspule hineinragt. Ein solches Permanentmagnetstäbchen kann eine sehr
geringe Masse besitzen, so daß die Masse des schwingenden Systems nicht merklich
erhöht wird. Zweckmäßig wird das Magnetstäbchen mit der Mitte der Lautsprechermembran
verbunden. Wird dabei der Istwertgeber auf der der Antxiebsspule des Lautsprechers
entgegengesetzten Seite der Lautsprechermembran angeordnet, so kann die metallisierte
Lautsprechermembran selbst als Abschirmung zwischen Antriebssystem und Istwertgeber
dienen.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung können mehrere Permanentmagnete
so fest angeordnet sein, daß die magnetischen Feldlinien zur Membran annähernd parallel
verlaufen und als Spule kann ein mäanderförmig verlaufend an der Lautsprechermembran
angeordneter Leiter dienen.
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Dieser Leiter kann nach Art der Herstellung gedruckter Schaltungen
dadurch erhalten werden, daß die Lautsprechermembran mit einer Metallbeschichtung
versehen und diese teilweise durch Ätzen oder durch andere Weise entfernt wird.
Auch bei dieser Anordnung wird die Masse des schwingenden Systems nicht verändert.
Der Leiter kann in diesem Fall in der Mitte oder nahe der Mitte der Lautsprechermembran
angeordnet sein, er kann aber auch, wenn eine Abtastung weiterer Zonen der Lautsprechermembran
erwünscht ist, sich weiter nach außen bis zum Rand der Lautsprechermembran erstrecken.
Zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen magnetische Feldlinien zur Mebran mindestens
annähernd parallel laufen, können die Permanentaagnete in Reihen beiderseits der
Membran mit wechselnder Polarität so angeordnet sein, daß sich gleichnamige Pole
beider Reihen gegenüberstehen.
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Es wurde bereits vorgeschlagen ( P 25 38 073.8), bei einer Anordnung
zum Betrieb von Schallsendern, bei der ein aus der Bewegung der Membran gewonnenes
Signal in den Eingangskreis rückgekoppelt wird, das von einem Istwertfühler erzeugt
der Beschleunigung der Membran proportionaley Signal an einer Vergleichsstelle mit
dem Eingangs signal des Schallsenders zu vergleichen, und ein Differenzsignal zu
bilden, das dem Eingang eines PID-Reglers zugeführt wird und das aufbereitete Signal
in den Eingangskreis des Schallsenders rückzukoppeln. Beim Gegenstand der vorliegenden
Erfindung wird in der Spule des Istwertgebers eine Spannung erzeugt, die der Schnelle
der Membranauslenkung proportional ist nach der Formel:
1 = Eintauchtiefe des Magnetstabes in die Spule.
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Wie bei dem früheren Vorschlag, kann auch hier das vom Istwertgeber
erhaltene Istwertsignal mit dem Eingangssignal des Schall senders verglichen und
ein Differenzsignal gebildet werden; soll das zur Gegenkopplung verwendete Signal
der Beschleunigung der Membran proportional sein, so kann das aus dem Istwertgeber
erhaltene, der Schnelle proportionale Signal einmal elektrisch differenziert werden.
Das erhaltene Korrektursignal kann auch, wie schon früher vorgeschlagen, in einem
PID-Regler aufbereitet werden. Zur Erzielung großer Gegenkopplungsgrade kann das
Signal auch eine Schaltung anordnung durchlaufen, die eine Phasenkorrektur bewirkte
derart, daß das Signal bei Frequenzen unterhalb der Eigenresonanz des Lautsprechers
gegenüber dem Eingangssignal bis maximal 900 verzögert wird, dagegen im Gebiet der
Eigenresonanz ohne Beeinflussung übertragen wird und oberhalb der Eigenresonanz
eine Voreilung von maximal 900 gegenüber dem Eingangs signal erhält.
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Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung und von Schaltungen
unter Benutzung eines Istwertgebers nach der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt.
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Abb. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Istwertgebers nach der
Erfindung.
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Abb. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Istwertgebers nach
der Erfindung.
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Abb. 3 zeigt im vergrößerten Maßstab einen Schnitt durch den Istwertgeber
nach Abb. 2 und Abb. 4 zeigt den Istwertgeber nach Abb. 3 in Aufsicht.
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Abb. 5 und Abb. 6 zeigen Beispiele für Schaltungen unter Benutzung
eines Istwertgebers nach der Erfindung.
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Abb. 7 zeigt eine weitere Schaltung, bei der der Einfluß äußerer Magnetfelder
durch eine Kompensationsspule kompensiert ist.
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Abb. 8 zeigt eine Schaltung mit PID-Regler.
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Abb. 1 zeigt einen Lautsprecher mit einer Lautsprechermembran 1, die
in bekannter Weise durch ein elektrodynamisches Antriebssystem 2 in Schwingung versetzt
wird. Mit der Konusspitze der Lautsprechermembran 1 ist starr ein magnetischer Dipol
in Form eines Stäbchens 3 aus permanentmagnetisiertem Material verbunden. Dieser
magnetische Dipol ragt mit einem Pol in die lange feststehende Induktionsspule 4
hinein. Um den EinfluB der rückläufigen Feldlinien klein zu halten, soll der Kraftfluß
möglichst auf das Ende des Dipols beschränkt sein. Die Lautsprechermembran 1 befindet
sich hier zwischen dem Antriebssystem 2 und dem aus Permanentmagnet 3 und Spule
4 bestehenden Istwertgeber. Um die den Istwertgeber störenden vom Antriebssystem
2 ausgehenden Magnetfelder vom Istwertgeber fernzuhalten, kann die Membran 1 aus
Metall bestehen oder metallisiert sein, so daß die ganze Membran bezüglich der magnetischen
Wechselfelder als eine Kurzschlußwindung wirkt. Die Membran kann aber stattdessen
oder zusätzlich auch aus weichmagnetischem Material bestehen oder mit solchem Material
beschichtet sein, so daß die vom
Antriebs system 2 ausgehenden
magnetischen Feldlinien innerhalb der Membran verlaufen und nicht durch diese hindurchtreten
können.
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Abb. 2 zeigt ebenfalls einen Lautsprecher mit einem elektrodynamischen
Antriebssystem 2. Der Istwertgeber besteht dabei aus den beiderseits der Lautsprechermembran
6 angeordneten Permanentmagneten 7 und der Spule , die hier durch auf der Lautsprechermembran
befindliche Leiter 8 gebildet wird, die mit sehr geringer Masse dadurch gebildet
werden können, daß eine auf der Lautsprechermembran 6 befindliche Metallschicht
teilweise abgeätzt wird. Wie aus Abb. 3 ersichtlich, sind die Permanentmagnete 7
in zwei Reihen auf beiden Seiten der Membran 6 angeordnet, wobei die Magnete 7a
sich oberhalb, die Magnete 7b unterhalb der Membran befinden. Die sich jeweils gegenüberliegenden
Magnete 7a und 7b der beiden Reihen besitzen gleiche Polarität, d.h. ihre gleichnamigen
Pole sind einander zugewandt. Wie in Abb. 3 dargestellt, verlaufen in diesem Fall
die magnetischen Kraftlinien 9 von den zwei einander gegenüberliegenden Nordpolen
eines Magnetpaares zu den beiden einander gegenüberliegenden Südpolen des nächsten
Magnetpaares annähernd parallel zur Membran.
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Beim nächsten Magnetpaar verlaufen die magnetischen Kraftlinien wieder
annähernd parallel zur Membran, aber in entgegengesetzter Richtung. Schwingt die
Membran in Richtung des Doppelpfeiles 10, so bewegen sich die Leiter 8 quer zu den
magnetischen Kraftlinien und es werden in den Leitern 8 elektrische Spannungen induziert;
damit diese Spannungen im gesamten Leiter gleichgerichtet sind, müssen, wie in Abb.
4 dargestellt, die Leiter 8 so mäanderförmig geführt sein, daß sie in den Zwischenräumen
zwischen den Magnetpaaren im entgegengesetzten Richtungssinn liegen. Wie Abb. 4
zeigt, verläuft der Leiter 8, vom Spulenanfang 11 beginnend, in dem ersten Feld
zwischen Nord- und Südpol von oben nach unten, im zweiten Feld zwischen Süd- und
Nordpol von unten nach oben und sofort. Der Einfachheit halber sind in Abb. 4
in
jedem Abschnitt nur drei Leiter gezeichnet, bei der praktischen Ausführung kann
selbstverständlich eine wesentlichp höhere Anzahl von Leitern angeordnet werden,
um genügend hohe induzierte Spannungen zu erhalten. Je nachdem, ob alle Zonen der
Lautsprechermembran vom Istwertgeber abgetastet werden sollen, oder ob nur die Bewegung
in der Nähe der Mitte der Lautsprechermembran abgetastet werden soll, kann ein derartiger
Istwertgeber sich, wie in Abb. 2 dargestellt, von der Mitte bis zum Rand des Lautsprechers
erstrecken, er kann aber auch auf die Mitte oder die Nähe der Mitte der Lautsprechermembran
beschränkt sein. Da in diesem Fall die Lautsprechermembran selbst die Spule des
Istwertgebers trägt, kann sie nicht zur Abschirmung äußerer Magnetfelder verwendet
werden. Zur Abschirmung äußerer Magnetfelder kann in diesem Fall die äußere Wand
12 des Lautsprechers herangezogen werden, die dann aus elektrisch leitendem oder
magnetisch weichem Material besteht, oder mit solchem Material beschichtet ist.
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Abb. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung unter Verwendung eines Istwertgebers
nach Abb. 1 oder 2. Mit der Membran des Lautsprechers 14 ist der schematisch angedeutete
Istwertgeber 15 gekoppelt. Die vom Istwertgeber geliejferte, der Schnelle der schwingenden
Membran proportionale Spannung wird in einem Verstärker 16 verstärkt und an der
Stelle 17 mit den Eingangssignalen des Schallsenders vereinigt und von diesem substrahiert.
Das Differenzsignal wird nach Verstärkung in einem weiteren Verstärker 18 dem Eingang
des Lautsprechers 14 zugeführt.
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Abb. 6 zeigt eine Anordnung, bei der das vom Istwertgeber 15 ausgehende
Signal in einer Vergleichsschaltung für Spannungsvergleich mit dem Eingangssignal
des Lautsprechers verglichen wird. In dieser Vergleichsschaltung sind die Widerstände
R1, R2 und R 3 gleich groß. Diese Schaltung hat den Vorteil, daß das Korrektursignal
nicht nehr mit der Dynamik der Schnelle der Membranbewegung behaftet ist.
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Abb. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die Störwirkung äußerer
Magnetfelder beseitigt ist. Hier ist parallel zur Spule des Istwertgebers 15 eine
gleichartige, aber entgegengesetzt gewickelte Spule 20 geschaltet. Über die Widerstände
R1 und R4 werden die beiden erhaltenen Spannungen verglichen und auf diese Weise
ein Signal erhalten, das allein den durch die Membranbewegung induzierten Spannungen
proportional ist, aber keine Spannungskomponente mehr enthält, die Spannungen proportional
ist, die durch die Änderung irgendwelcher äußeren Magnetfelder induziert werden.
Im übrigen entspricht die Schaltung nach Abb. 7 der Schaltung nach Abb. 6.
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Abb. 8 zeigt ebenfalls eine Schaltung, bei der die Störwirtung äußerer
Magnetfelder durch eine Kompensationsspule 20 beseitigt ist. Bei dieser Schaltungsanordnung
wird das aus dem Vergleich des Eingangssignals des Lautsprechers mit dem Signal
des Istwertgebers erhaltene Differenzsignal einem PID-Regler 21 (proportional integral
wirkender Regler mit Vorhalt) zugeführt. Durch den PID-Regler kann das Signal eine
Phasenkorrektur erhalten, derart, daß Frequenzen unterhalb der Eigenresonanz des
Lautsprechers gegenüber dem Eingangssignal um Werte bis 90° verzögert werden, während
Frequenzen oberhalb der Eigenresonanz eine Voreilung bis zu 900 gegenüber dem Eingangssignal
erhalten und im Gebiet der Eigenresonanz keine Phasenverschiebung eintritt. Das
so modifizierte Signal wird dann über einen Regelwiderstand 22 und einen Verstärker
23 dem Eingang des Lautsprechers 14 zugeführt.
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