DE2922112A1

DE2922112A1 - Regelungsverfahren fuer lautsprecher

Info

Publication number: DE2922112A1
Application number: DE19792922112
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Scholl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-05-31
Filing date: 1979-05-31
Publication date: 1980-12-04

Description

Regelungsverfahren für Lautsprecher
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von Lautsprechern,das mit minimalem Aufwand eine möglichst exakte Umwandlung von elektrischen in akustische Signale leistet.
Es sind Verfahren bekannt,bei denen eine der Membrangeschindigkeit proportionale Spannung- im folgenden als Bewegungsspannung genannt - als Istwert mit einer aus der Tonsignalspannung durch Integration gewonnenen Steuerspannung als Sollwert verglichen wird und eine Abweichung zwischen Ist-und Sollwert zur Nachregelung dient. Bei diesen Verfahren ist es bisher nicht befriedigend gelungen,einen Lautsprecher über einen größeren Frequenzbereich zu betreiben.Grenzen ergeben sich durch die hohen Anforderungen an den Dynamikbereich des Regelverstärkers und an dessen Rauscharmut sowie durch die bei höheren Frequenzen zunehmend schlechtere Übereinstimmung zwischen der den Schalldruck bestimmenden mittleren Membranbewegung und der Bewegungsspannung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde,diese Schwierigkeiten zu umgehen und ein Verfahren bereitzustellen,das durch Regelung ein möglichst exaktes Übertragungsverhalten bezüglich Amplitude und Phase gewährleistet und gleichzeitig ermöglicht, den Lautsprecher über mindestens den gesamten Frequenzbereich zu betreiben, für den er bei passivem Betrieb geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,daß die Regelung nur bei relativ niedrigen Frequenzen arbeitet und ihre Wirksamkeit mit steigender Frequenz verliert. Bei höheren Frequenzen wird der Lautsprecher einfach mit kon er Spannung angesteuert,also wie gewöhnlich passiv betrieben.
Dieser Gedanke erscheint um so sinnvoller,als handelsübliche Lautsprecher oberhalb ihrer Resonanzfrequenz recht gute Eigenschaften besitzen und die Verfälschungen bei Ein- und Ausschwingvorgängen hauptsächlich durch die nicht genügend unterdrückte Resonanz entstehen.Außerdem kann man die Membran bei höheren Frequenzen nicht mehr als starren Kolben ansehen, so daß der Bewegungsaufnehmer im allgemeinen ganz andere Bewegungen ausführt als die Membran; in diesem Fall ist es natürlich sinnlos,dem Bewegungsaufnehmer die von der Membran geforderten Schwingungen durch die Regelung aufzuzwingen.
Anhand Abb. 1 soll die Erfindung näher erläutert werden.
In dieser an sich formal ( das heißt hier: hinsichtlich des Aufbaus,nicht der Funktiondweise ) bekannten Schaltung stellt sich das erfindungsgemäße Verhalten genau dann ein,wenn die Verstärkung des Regelverstärkers 1 auf einen durch die ignschaften des Lautsprechers 2 und des Bewegungsaufnehmers 3 bestimmten Wert eingestellt und ein Netzwerk mit passender Übertragungscharakteristik vorgeschaltet wird,das aus der Tonsignalspannung eine geeignete Steuerspannung herstellt Die mathematische Behandlung ist übersichtlicher,wenn man für den Regelverstärker 1 eine sehr große Leerlaufverstärkung ( V + m ) annimmt und seine Betriebsverstärkung durch eine Rückführung von seinem Ausgang über eine Addierschaltung 4 auf den invertierenden Eingang einstellt,wie in Abb.2 dargestellt. Es gelten folgende Zusammenhänge: U1 = c( U5 + kUL ) (1) oder, mit c,k = Konstanten Bei den heute üblichen Lautsprechern mit einer gegen die Wellenlänge der abzustrahlenden Schallschwingungen kleinen Membran muß cUs unabhängig von der Frequenz und gleich Ue sein. Also Us = (1/c)*Ue Dies wird erreicht,wenn man U1 wählt zu Da alle handelsüblichen Lautsprecher bei konstanter ( das heißt von der Frequenz f unabhängiger ) Spannung UL annnähernd konstanten Schalldruck liefern solange f'fres (fres = Resonanzfrequenz des Lautsprechers ) , kann man in 1. Näherung setzen wobei b = Konstante , Eigenschaft von Lautsprecher und Bewegungsaufnehmer.
Der Fehler dieser Näherung,insbesondere für f# fres ,braucht hier nicht berücksichtigt zu werden,da die Schaltung gerade diesen Fehler erst ausregeln soll.
Damit ergibt sich oder mit t= b#k Dies ist die Übertragungsfunktion des vorzuschaltenden Netzwerks 5 . Der Wert k muß nun so gewählt werden,daß folgende Interpretation der Schaltung zutrifft: für niedrige Frequenzen «k gilt in Gleichung (1) wegen U I 1/f : U5»kUt; 5 der Lautsprecher arbeitet also im geregelten Betrieb'der durch die kleine Spannung kUL nur unwesentlich beeinträchtigt wird.
Für hohe Frequenzen f» fk wird U5< <kUL ; der Lautsprecher arbeitet im passiven Betrieb,da die jetzt gegen kUL kleine Spannung U5 die nahezu 1/k entsprechende Verstärkung der Schaltung wenig beeinflußt. Bei der Frequenz fk erfolgt der Übergang zwischen geregeltem und passivem Betrieb. Dieser Übergang ist einwandfrei'und zwar derart , daß mit fallender-Frequenz die Regelung allmählich an Wirksamkeit zunimmt.
Die Darstellung der Erfindung mit einem Regelverstärker hoher Leerlaufverstärkung und Einstellung der Betriebsverstärkung durch Rückführung eines Teils der Ausgangs spannung auf den invertierenden Eingang läßt also eine sehr anschauliche Deutung der Funktionsweise zu: die Bewegungsspannung wird als Regelgröße mit steigender Frequenz zunehmend von der Ausgangsspannung UL des Regelverstärkers abgelöst,indem die Bewegungsspannung wegen ihrer Frequenzabhängigkeit ihren Anteil an der Regelspannung mit steigender Frequenz verliert.
Da bezüglich der Ein- und Ausgangsspannungen keine einschränkenden Voraussetzungen gemacht wurden,gelten die Gleichungen (1) bis (6) für beliebige Funktionen Ue (t) ( t= Zeit). Das vorgeschlagene Verfahren ist deshalb prinzipiell frei von Amplituden- und auch Phasenfehlern.
Sollte bei höheren Frequenzen die Spannung U5 nicht klein genug werden ,wie dies bee durch Mängel bei der Gewinnung von U5 gegeben sein kann,sieht die Erfindung eine zusätzliche Absenkung von U5 bei höheren Frequenzen durch einen Tiefpaß 7 vor.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens gestattet sogar über eine Frequenzweiche den Anschluß einer Lautsprecherkombination,wobei der für den Tieftonbereich zuständige Lautsprecher geregelt wird. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen also in einer erheblichen Reduzierung des Aufwandes für die Realisierung einer hochwertigen Übertragungsqualität durch Anwendung der Regelung handelsüblicher Laut sprecher.Dies gilt in überragendem Maße für ein Ausführungsbeispielder Erfindung gemäß Abb.4 ,bei dem die Bewegungsspannung nicht mit Hilfe eines Bewegungsaufnehmers entsteht,sondern die in die Schwingspule eines dynamischen Lautsprechers induzierte Bewegungsspannung nach an sich bekanntem Verfahren (Deutsche Patentschrift Nr. 719499) durch Subtraktion einer Kompensationsspannung von der Spannung UL gewonnen wird.Die Kompesationsspannung fällt an einer Nachbildung 6 der Impedanz der festgehaltenen Schwingspule ab.Diese Nachbildung kann in einfachen Fällen die Kombination einer Spule mit einem oder mehreren Widerständen sein;dann ist allerdings der Fehler von Us bei höheren Frequenzen groß,und nur Abb.4 mit Tiefpaß 7 zu brauchbaren Resultaten.Verwendet man dagegen als Nachbildung 6 eine auf einen Vollkern aus Weicheisen gewickelte Spule, die in ihren elektrischen Eigenschaften der Schwingspule im physikalischen Sinne ähnlich ist,so erhält man mit allen vorgeschlagenen Schaltungen hervorragende Ergebnisse;und das mit gewöhnlichen dynamischen Lautsprechern ohne zusätzliche Spezialvorrichtungen.
Wird in Abb.4 der Tiefpaß 7 nicht benötigt,so vereinfacht sich die Schaltung zu der nach Abb. 5 ,wo die Differenzbildung zwischen UL und der Kompensationsspannung U, Uz im Regelverstärker stattfindet;man spart die Subtrahierschaltung 8. Die Verstärkung wird dann mit dem Abschwächer 9 eingestellt.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Verwendung schwachgedämpfter Lautsprecherchassis mit hohem Wirkungsgrad,die nur Bruchteile der heutzutage für HiFi-Anlagen üblichen hohen Verstärkerleistungen erfordern.
L e e r s e i t e

Claims

pe te ntansprüche: 1. Regelungsverfahren für Lautsprecher,bei dem eine der Membranbewegung proportionale Bewegungsspannung als Regelgröße benutzt wird, dadurch gekennzeichnet,daß eine echte Regelung nur unterhalb einer ;tbergangsfrequenz erfolgt, irn darüberliegenden Frequenzbereich jedoch passiver Betrieb des Lautsprechers vorliegt.
2. Regelungsverfahren nach aspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sewegung.sspannung als egelgröße mit steigender Frequenz zunehmend von der 'us-Oangsspannung des Regelverstärkers abgelöst wird,weil die Bewegungsspannung mit steigender Frequenz abfällt, und dadurch,daß ein passendes Netzwerk voreschaltet wird, welches unterhalb der ;ibergangsfrequenz die Tonsignalspannung integriert und oberhalb der Übergangsfrequenz dieses mit einem konstanten faktor multipliziert.
3. Regelungsverfahren nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, daß die Peweguhgsspannung durch eine zweite Schwingspule in lautaprechereigenen oder im -fremden Magnetfeld, durch einen opto-elektronischen Bewegungsaufnehmer, durch ein kapazitives Verfahren(nieder-oder hochfrequent) , durch Integration der Spannung eines Beschleunigungsaufnehmers oder durch Differentiation der Spannung eines Wegaufnehmers gewonnen wird.
4. Pegelungsverfahren nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet,daß die in der Antriebs-Schwingspule eines dynamischen Lautsprechers induzierte fewegungsspannung aus der Klemmenspannung des Lautsprechers durch Subtraktion einer Kompensationsspannung gewonnen wird,wobei die Kompansationsspannung oder ein Teil von ihr an einer Nachbildung der Impedanz der festgehaltenen Schwingspule abfällt.
5. Regelungsverfahren nach anspruch 4., dadurch gekennzeichnet,daß die Nachbildung der Impedanz der festgehaltenen Schwingspule aus der geeigneten Kombination einer oder mehrerer tulen mit einem oder mehreren Widerständen oder einer im physikalischen Sinne der ch;ingspule ähnlichen,auf Volleisen gewickelten Spule besteht, wobei das eisen unmagnetisiert oder -zur exakteren Nachbildung - vormaDnetisiert sein kann.
6. Pegelungsverfahren nach Anspruch 4., dadurch gekennzeichnet,daß die in anspruch 4. genannte Kompensationsapannung über ein passives oder aktives Netzwerk aus der Spannung gewonnen wird,die an einem die Fiacnbildung 6 ersetzenden ohmschen Widersstand abfnllt.
7. Regelungsverfahren nch Anspruch 4. , dadurch gekennzeichnet, daß,wie in Abb.5 gezeigt,die Kompensationsspannung im geeigneten Verhältnis auf den nichtinvertierenden Eingang des Regelverstärkers geführt wird,um die Differenzbildung zwischen Klemmenspannung des Lautsprechers und Kompenoationsspannung im Regelverstärker durchzuführen.
8. Regelungsverfahren nach Ansprucn 2., dadurch gekennzeichnet,daS die w;ewegungsspannung einen Tiefpaß wie in 4bb.3 durchläuft'um bei höheren Frequenzen abgeschwächt zu werden,wenn sie,was oft der Fall sein wird, fehlerbehaftet ist.
9. Regelungsverfahren nach Anspruch 2.,4.oder 8., dadurch gekennzeichnet,daß anstelle des Lautsprechers über eine Frequebzweiche eine tautsprecherkomoination angeschlossen wird , wobei der dem unteren Frequenzbereich zugeordnete Lautsprecher geregelt wird und der Bewegungsaufnehmer an diesem angebracht ist,bzw. im Fall der wealisierung nach Anspruch 4. die Impedanz-Nachbildung nur In der Zuleitung zum Tiefton-Lautsprecher liegt.