DE2743881C2

DE2743881C2 - Schallwandler mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Meßspannung

Info

Publication number: DE2743881C2
Application number: DE19772743881
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl.-Ing. 8150 Holzkirchen Gies
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: GIES, JOHANNES, DIPL.-ING., 8150 HOLZKIRCHEN, DE
Priority date: 1977-09-29
Filing date: 1977-09-29
Publication date: 1979-08-16
Also published as: DE2743881B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schallwandler mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer von der Membranauslenkung abhängigen Meßspannung. bo

Eine derartige Anordnung ist bereits bekannt (Funkschau, 1975, Heft 22, S. 773 bis 776). Um einen Lautsprecher (Schallwandler) zur Verringerung seines Klirrfaktors in die Gegenkopplung des zugehörigen Signalverstärkers einzubeziehen, wird durch kapazitives tr> Abtasten der Membranbewegung eine elektrische Meßgröße gewonnen, die mit dem wiederzugebenden Tunfrequenzsignal (Sollwert) verglichen wird. Die Abweichungen zwischen der Meßgröße und dem Sollwert werden als Korrektursignal auf die Schwingspule gegengekoppelt Dies nach dem Prinzip eines Kondensatormikrosphons arbeitende Anordnung hat unter anderem den Nachteil, daß eine Hochspannung zum Aufbau des elektrischen Feldes erforderlich ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die ohne Spezialbauteile einen einfachen mechanischen Aufbau ermöglicht und nur einen geringen Aufwand erfordert Außerdem wird eine Hochspannung zur Felderzeugung wie bei der bekannten Anordnung nicht benötigt

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß auf den sich in linearer Richtung gegeneinander bewegenden Teilen (Chassis/Membran) des Schallwandlers eine Sende- und Empfangseinrichtung eines opto-elektronischen Weg/Spannungs-Wandlers angeordnet sind, derart, daß die als Lichtempfänger ausgebildete Empfangseinrichtung eine Meßspannung liefert die durch die Relativbewegung der in Richtung auf die Empfangseinrichtung Lichtwellen emittierenden Sendeeinrichtung (Lichtsender) beeinflußt ist

Mit dieser auf optischer Basis arbeitenden Anordnung wird die Bewegung der Lautsprechermembran in eine umgekehrt proportionale Spannung umgewandelt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung arbeitet die Anordnung mit einem bewegungsabhängig gesteuerten Lichtsender als Bestandteil der Membran derart, daß der Lichtstrom des Lichtsenders durch den Lichtempfänger proportional mit der Änderung des Abstandes von Lichtsender und Lichtempfänger gesteuert ist so daß der optoelektronische Weg/Spannungs-Wandler hyperbolische Weg-Spannungskennlinien aufweist Der Lichtstrom des Lichtsenders kann durch ein von der Ausgangsspannung des Lichtempfängers gespeistes Korrekturnetzwerk auch so gesteuert werden, daß insgesamt eine proportionale Weg-Spannungskennlinie entsteht.

Um eine lineare Weg-Spannungskennlinie zu erzielen, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein dem Weg/Spannungs-Wandler nachgeschalteter Korrekturvierpol mit hyperbolischer Kennlinie vorgesehen.

Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 6 näher erläutert. In

F i g. 1 ist ein Schnitt durch einen dynamischen Druckkolbenlautsprecher mit einem Weg/Spannungs-Wandler dargestellt; in

F i g. 2 veranschaulicht ein Blockschaltbild die Übertragungsfunktionen des Weg/Spannungs-Wandlers;

Fig.3 zeigt das Ausgangskennlinienfeld des Weg/ Spannungs-Wandlers;

Fig.4 zeigt den schaltungsmäßigen Aufbau eines Weg/Spannungs-Wandlers in Verbindung mit einem aktiven Lautsprechersystem; in

F i g. 5 ist ein Korrekturnetzwerk für den Weg/Spannungs-Wandler dargestellt; in

F i g. 6 ist die schaltungstechnische Realisation eines Weg/Spannungs-Wandlers nach F i g. 2 wiedergegeben.

Der dynamische Druckkolbenlautsprecher nach F i g. 1 besteht in herkömmlicher Weise aus einem Lautsprechermagneten 1 mit einem Luftspalt 2, in dem die Schwingspule 3 frei beweglich angeordnet ist. Der Anschluß und die Zuleitungen für die Schwingspule sind mit 4 bezeichnet. Der zylindrische Träger der Schwingspule 3 (Schwingspulenhals) ist über die Membran 8 und einer Gummisicke 9 mit dem

Lautsprecherkorb 10 verbunden. Eine am Schwingspulenhals befestigte Zentrierspinne 11 gewährleistet den richtigen Abstand der Schwingspule 3 im Luftspalt Z Das Ende des Schwingspulenhalses, das mit der Membran 8 verbunden ist, ist durch eine stabile Epoxidharzplatte 7, welche den als Leuchtdiode 6 ausgebildeten Lichtsender aufnimmt, abgeschlossen. Die Zuleitungen für die Leuchtdiode 6 sind mit 5 bezeichnet In einer zentrischen Bohrung 15 des Magneten ist ein als Fototransistor mit Sammellinse 12 ausgebildeter Lichtempfänger angeordnet, dessen lichtempfindliche Fläche dem lichtemittierenden Teil der Leuchtdiode 6 auf einer optischen Achse w liegend zugekehrt ist Die elektrischen Anschlüsse 16 des Lichtempfängers 12 sowie die Anschlüsse 5 des Lichtsenders 6 sind mit einer elektrischen Schaltung 13 verbunden, an deren Ausgang 14 eine elektrische Meßspannung ein Maß für die Membranbewegung darstellt Der variable Abstand zwischen dem Lichtempfänger 12 und dem Lichtsender 6 ist mit R bezeichnet Die lichtundurchlässige Abdeckkappe 17 verhindert Einstreuen von Fremdlicht

Das Blockschaltbild nach F i g. 2 enthält den eigentlichen Weg/Spannungs-Wandler, bestehend aus einem Lichtsender SL und einem Lichtempfänger EL, einem nachgeschalteten Fotoverstärker FV und einer spannungsgesteuerten Stromquelle Sir. Eines der beiden Elemente (Lichtsender, Lichtempfänger) des eigentlichen Wandlers ist mit dem unbewegten Teil eines Lautsprechers verbunden, das andere ist auf dem bewegten Teil (Membran) befestigt, und zwar so, daß die optischen Achsen von Lichtsender und Lichtemnfänger zusammenfallen und die Bewegung des Lichtsenders oder des Lichtempfängers in Richtung der optischen Achse erfolgt Vorteilhafterweise verwendet man als Lichtsender SL eine Leuchtdiode, dessen Lichtstrom mit / bezeichnet ist Sie stellt eine nahezu punktförmige Lichtquelle dar, hat hohe Lebensdauer und kann auf Grund ihres geringen Gewichts in Verbindung mit großer Vibrationsfestigkeit auf dem bewegten Lautsprecherteil befestigt werden. Ein stark gegengekoppelter Fototransistor kann die Funktion als Lichtempfänger EL ausüben, wobei an der aktiven Empfängerfläche des Fototransistors eine Beleuchtungsstärke E angenommen wird. Der durch die Beleuchtungsstärke £ hervorgerufene Fotostrom Jp hat am Ausgang des Lichtempfängers EL eine vom Sender/Empfänger-Abstand abhängige Ausgangsspannung Ua zur Folge, die in einem Fotoverstärker FV verstärkt wird. Die Ausgangsspannung des Fotoverstärkers ist mit K₃ ■ U, bezeichnet. Soll der Lichtstrom /des Senders bewegungsabhängig gesteuert werden, dann wird der elektrische Strom / durch den Lichtsender in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung U_a über eine spannungsgesteuerte Stromquelle SfrbeeinfluEf.

Der Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke E am fotoempfindlichen Empfänger EL und dem Abstand R des Senders SL ist quadratisch und ergibt sich aus folgender Formel

(D

Wird eine Steuerung des Senderlichtstromes in Abhängigkeit des Abstandes R eingeführt, so daß bei zunehmendem Abstand der Lichtslrom linear zunimmt und bei abnehmendem Abstand linear abnimmt, so erhält man aus der Gleichung (1) und den nachfolgend genannten Übertragungsfunktionen (2) bis (5) folgenden Zusammenhang.

Für den Erregerstrom ist durch den Lichtsender gilt in einem weiten Bereich einer Leuchtdiode

ι = X₄- J-

Für die Übertragungsfunktion des Lichtempfängers EL ergibt sich

J₁,= K₁ E. (3)

Darin bedeutet J_p den durch die Beleuchtungsstärke E hervorgerufenen Fotostrom im Lichtempfänger.
Für die Ausgangsspannung U₁ des Weg/Spannungs-Wandlers ergibt sich die Übertragungsfunktion

U_a= K₂- J„.

Für den elektrischen Strom / durch den Lichtsender (Erregerstrom) ergibt sich in Verbindung mit der spannungsgesteuerten Stromquelle Str

C₃ · (Λ '

In den Gleichungen (1) bis (4) bedeuten K₀ bis K* Konstante. Für die Ausgangsspannung U₁ des Weg/ Spannungs-Wandlers ergibt sich unter Berücksichtigung dieser Gleichungen

Darin bedeutet

IS

K\ -

Die durch diese Gleichung gegebene Hyperbelfunktion ist in Fig.3 dargestellt. Der in dieser Figur gestrichelte Bereich der Hyperbelschar kann nicht verwendet werden. Benutzt man nur die beiden gekennzeichneten Teilstücke der Kurve, so erhält man eine angenähert umgekehrt proportionale Funktion von

U, und R. Vor allem bei nicht zu großer Änderung des Abstandes R, wie sie durch die geringe Auslenkung der Membran bei Lautsprechern üblich ist, reicht die Linearität aus, um die Ausgangsspannung U₈ des Weg/Spannungswandlers direkt als Rückkoppelspannung für ein aktives Lautsprechersystem zu verwenden. Eine derartige Schaltung mit einem Leistungsverstärkers L Vist in F i g. 4 im Prinzip dargestellt

Wird ein exakt linearer Zusammenhang zwischen Abstand R und der Ausgangsspannung U, gewünscht, so kann an den Ausgang des Weg/Spannungs-Wandlers ein Vierpol mit ebenfalls hyperbolischer Kennlinie angeschaltet werden. In den F i g. 2 und 4 ist ein Korrekturnetzwerk A/dieser Art angedeutet

Die Fig.5 zeigt einen als Korrekturnetzwerk

bo arbeitenden Vierpol, bestehend aus einem Analogmultipliziererbaustein M und einem Operationsverstärker O. Am Eingang des Vierpols liegt die Ausgangsspannung U, des Weg/Spannungs-Wandlers mit hyperbolischer Kennlinie. Seine Ausgangsspannung U_?· ist durch die

b5 folgende Übertragungsfunktion gegeben

Ua

6

Daraus ergibt sich mil Gleichung (6) In Fig. 6 ist eine Schaltungsausführung eines

Weg/Spa.';r.ungs-Wand!ers nach dem Blockschaltbild ir.

a F i g. 2 dargestellt. Darin übernimmt eine Leuchtdiode

~ K '**' LD \ d'^e Aufgabe als Lichtsender, während ein

■ϊ Fototransistor Ts 1 als lichtempfindliches Element in der Empfängerschaltung wirksam ist. Um eine hohe

Darin bedeutet a eine Konstante, die proportional zu Stabilität der Empfängerkenndaten zu erreichen, ist die einer dem Operationsverstärker O zugeführten Refe- Ernplängerschaltung mit detn Fototransistor TSl stark renzspannung Urci- gegengekoppelt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schallwandler mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer von der Membranauslenkung abhängigen Meßspannung, dadurch gekennzeichnet, daß auf den sich in linearer Richtung gegeneinander bewegenden Teilen (Chassis/Membran) (10, 8) des Schallwandlers eine Sende- und Empfangseinrichtung (6,12; SL, EL) eines opto-elek- ι ο tronischen Weg/Spannungs-Wandlers angeordnet sind, derart, daß die als Lichtempfänger ausgebildete Empfangseinrichtung (12; EL) eine Meßspannung liefert, die durch die Relativbewegung der in Richtung auf die Empfangseinrichtung (12; EL) Lichtwellen emittierenden Sendeeinrichtung (6; SL) (Lichtsender) beeinflußt ist

2. Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrom (J) des Lichtsenders (SL) durch den Lichtempfänger (EL) proportional mit der Änderung des Abstandes (R) von Lichtsender (SL) und Lichtempfänger (EL) gesteuert ist, so daß der opto-elektronische Weg/Spannungs-Wandler hyperbolische Weg-Spannungskennlinien aufweist

3. Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrom des Lichtsenders (SL) durch ein von der Ausgangsspannung des Lichtempfängers (EL) gespeistes Korrekturnetzwerk so gesteuert ist, daß insgesamt eine proportionale Weg-Spannungskennlinie entsteht.

4. Schallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer linearen Weg-Spannungskennlinie ein dem Weg/Spannungs-Wandler nachgeschalteter Korrekturvierpol (N) mit hyperbolischer Kennlinie vorgesehen ist.

5. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrom des Lichtsenders (SL), z. B. durch Dunkeltasten, codiert ist.

6. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer Leuchtdiode (6; LD i) bestehender Lichtsender (SL) auf dem bewegten Teil (8) (Membran) und der Lichtempfänger auf dem unbewegten Teil (1) (z. B. Magnetkern) so zueinander angeordnet sind, daß die Bewegungsrichtung mit der gemeinsamen optischen Achse (W) von Lichtsender (SL) und Lichtempfänger (EL) zusammenfällt.

7. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtempfänger (EL) ein vorzugsweise stark gegengekoppelter Fototransistor (Ts 1) verwendet wird.