DE3146560A1

DE3146560A1 - Verfahren zur umwandlung elektrischer tonfrequenzsignale in akustische ausgangssignale sowie akustisches wandlersystem

Info

Publication number: DE3146560A1
Application number: DE19813146560
Authority: DE
Inventors: William F. 49095 Vandalia Mich. Bleeke; Joel R. 60048 Libertyville Ill. Joseph
Original assignee: CTS Corp
Current assignee: CTS Corp
Priority date: 1980-11-24
Filing date: 1981-11-24
Publication date: 1982-08-19
Also published as: CA1154690A; US4360707A; GB2089171B; GB2089171A

Description

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Patentanwälte ·:«· * «:*.:. Dipping. Curt Wallach Europäische Patentvertreter Dipl.-lng. Günther Koch

European Patent Attorneys Dipl.-PhyS. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 24. November 1981

Unser Zeichen: yj 312 - Fk/Vi

CTS CORPORATION

905 North West Boulevard

Elkhart, Indiana 46514,

U.S.A.

Verfahren zur Umwandlung elektrischer Tonfrequenzsignale in akustische Ausgangssignale sowie akustisches Wandlersystem

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung elektrischer Tonfrequenzsignale in akustische Ausgangssignale eines Schallwandlers sowie auf ein akustisches Wandlersystem zur Durchführung des Verfahrens .

Bei akustischen Schallwandlern, beispielsweise in Form von elektrodynamischen Lautsprechern war es bisher allgemein üblich, die Lautsprecherwicklung mit Hilfe eines verarbeiteten Signals anzusteuern, das verstärkt ist, jedoch immer ein Analogsignal ist.

Um einen großen Frequenzbereich zu erzielen, hat es sich hierbei als erforderlich herausgestellt, Lautsprecher mit überlappenden Frequenzgängen zu verwenden, nämlich einen Tieftonlautsprecher mit einem Frequenzbereich im Bereich der unteren Tonfrequenzen, einen Mitteltonlautsprecher für einen mittleren Tonfrequenzbereich und einen Hochtonlautsprecher mit einem hohen Tonfrequenz-Übertragungsbereich. Die Analogsignale wurden den einzelnen akustischen Wandlern über Frequenzweichen zugeführt, die die Signale entsprechend ihrer Frequenz an den einen oder anderen oder an alle der einzelnen Lautsprecher weiterleiten, um ein akustisches Ausgangssignal zu erzeugen, das soweit wie möglich dem Eingangssignal an das akustische Wandlersystem angepaßt ist.

Diese allgemeine Lösung wurde lange Zeit verwendet, wobei sich jedoch immer der Nachteil ergab, daß einige Lautsprecher einen zu geringen Frequenzbereich aufwiesen, so daß sie nicht auf den vollen Bereich von Tonfrequenzsignalen ansprechen konnten, wobei diese Lautsprecher weiterhin keinen

sehr großen dynamischen Bereich aufwiesen. Weiterhin ergibt sich bei bestimmten Systemen kein klarer Klang, weil diese Lautsprecher mechanische Rückstellkräfte erfordern, die charakteristische Verzerrungen in das System einführen. Es wurde bereits versucht, diese Nachteile dadurch zu beseitigen, daß mehr als eine Wicklung in Verbindung mit einer elektrodynamischen Zentriereinrichtung verwendet wurde (US-PS 3 686 446).

Weitere Lösungen unter Verwendung von Signalen zur Ansteuerung von mehr als einer Wicklung eines Lautsprechers sind aus den US-Patentschriften 4 130 725 und 3 055 991 bekannt. Zur Erzielung einer größeren Linearität des Ansprechverhaltens und zur Vergrößerung des dynamischen Bereiches wurden ebenfalls geteilte Wicklungen verwendet (US-PS 3 983 337).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren sowie ein Wandlersystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Erzielung eines weiten Frequenzbereiches und eines großen dynamischen Bereiches bei sehr geringen Verzerrungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 bzw. 6 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen akustischen Wandlersystem wird ein akustischer Wandler, beispielsweise ein Lautsprecher verwendet,

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der zwei getrennt ansteuerbare Wicklungen aufweist, wobei jede Wicklung durch Signale angesteuert wird, die aus einer Folge von Impulsen bestehen, die von einer Impulsbreitenmodulatoreinrichtung abgeleitet werden, so daß die Wicklungen durch Schwingungsformen mit im wesentlichen digitaler Charakteristik angesteuert werden, um das Sprungverhalten und den dynamischen Bereich des Systems, die Genauigkeit und die Klarheit des Schallsignals zu vergrößern.

Das Ansprechverhalten des Lautsprechers wird bei diesem System durch einen dynamischen Gleichgewichtszustand bestimmt, der durch die getrennte und gleichzeitige Ansteuerung der jeweiligen Wicklungen erzielt wird. Durch die digitale Ansteuerung beider Wicklungen ergibt sich eine vergrößerte Linearität und ein vergrößerter dynamischer Bereich mit niedrigen Verzerrungen, so daß das Schallsignal eine große Klarheit aufweist und eine getreue Wiedergabe des ursprünglichen Schalls oder Klanges darstellt, der reproduziert werden soll.

Die beiden Wicklungen des Lautsprechers sind mit Abstand und hintereinander angeordnet, wobei jede Wicklung in der beschriebenen Weise durch ein verarbeitetes Signal angesteuert wird. Dieses verarbeitete Signal wird ursprünglich von einem Analogsignal abgeleitet, das in irgendeiner üblichen Weise vorverstärkt wird. Ein Dreieckschwingungsgenerator liefert seine Ausgangssignale über ein gegabeltes Netzwerk, bei dem ein Inverter in einem Zweig angeordnet ist, worauf diese Ausgangsschwingungen zwei Vergleichern zugeführt werden. Das vorverstärkte Analogsignal wird durch

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ein gegabeltes Netzwerk hindurchgeleitet, in dem ein Inverter in einem Zweig angeordnet ist. Die Analogsignale werden ebenfalls den Vergleichern zugeführt und in digitale Schwingungsformen umgewandelt, wobei die modulierten Schwingungsformen komplementär zueinander sind. Die beiden Schwingungen weisen dann ein Digitalformat auf und sind impulsbreitenmoduliert. Die Schwingungsformen werden dann einem Treiber zugeführt, der im wesentlichen aus zwei identischen Netzwerken besteht, die jeweils einen Hochgeschwindigkeits-Hochstrom-Halbleiterschalter einschließen.

Zwei stromabhängige Lautsprecherwicklungen werden dann durch die verstärkten digitalen Signale angesteuert, wobei die Ansteuerung jeder Wicklung getrennt und unabhängig erfolgt. Das Schallausgangssignal des Lautsprechers hängt von dem resultierenden Kraftausgang der beiden Wicklungen ab, die einander dynamisch entgegenwirken, so daß die Lautsprechermembran immer eine zwangsweise festgelegte Position einnimmt und keine mechanischen Rückführungseinrichtungen aufweist, die bei den bekannten Konstruktionen die Membran in eine Gleichgewichtsposition bringen.

Entsprechend weist der Schallausgang des Lautsprechers eine hohe Linearität und sehr geringe Verzerrungen, insbesondere bei großer Lautstärke auf, und der Frequenzgang des Lautsprechers ist derart, daß es nicht mehr erforderlich ist, Frequenzweichen vorzusehen. Weil die Membran genau in Abhängigkeit von der Ansteuerung der beiden getrennten Lautsprecherwicklungen in Schwingungen versetzt wird, ergibt sich eine hohe Reproduzierbarkeit des Klanges innerhalb des dynamischen Bereiches. Um diese neuartige Ansteuerung voll auszunutzen, ist keine mechanische Rückführ- oder Rückstell-

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kraft an dem Lautsprecher erforderlich. Der Lautsprecher kann mit einer weichen Einspannung aufgebaut werden,wobei die strukturellen Forderungen lediglich darin bestehen, daß die Lautsprecherwicklungen in Radialrichtung bezüglich des umgebenden Magnetfeldes zentriert werden, und daß die Membran der durch die Wicklungen hervorgerufenen Axialbewegung einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzt.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild, das die funktioneilen Schritte der Signalverarbeitung, der Umwandlung des Analogsignals in ein Digitalsignal und der folgenden Verstärkung und Zuführung der digitalen Signale an unabhängig und getrennt adressierbare Wicklungen auf dem Spulenkörper des Lautsprechers zeigt, um die Membran des Lautsprechers in Schwingungen zu versetzen; -

Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild einer Ausführungsform eines Impulsbreitenmodulators, eines Treibers,. eines Lautsprechers sowie der Schwingungsformen, die an den jeweiligen Stellen des vereinfachten Schaltbildes erzeugt werden;

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild einer Ausführungsform des Treibers,, der die digitalen Signale von dem Impulsbreitenmodulator nach Fig. 2 empfängt, wobei die Impulse erheblich verstärkt werden, um die Ansteuerung eines stromgesteuerten Satzes von Lautsprecherwicklungen zu bewirken;

Fig. 4 eine Darstellung des Verfahrens, mit dem die Lautsprecherwicklungen in ein Neutralstellung zurückgeführt werden, wenn ein angelegtes Signal von dem Tonfrequenz-Analogeingang vorhanden ist, wobei diese Rückführung durch Zuführung einer Impulsfolge mit einem Tastverhältnis von 1 an jede Wicklung erzielt wird, so daß der Strom in jeder Wicklung gleich ist und der Spulenkörper sich zu einer zentrierten Position bewegt;

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Fig. 5 eine Darstellung eines Tonfrequenz-Analogsignals und einer Dreieckschwingung, die in einem Vergleicher verglichen werden, um ein geschaltetes Signal zu erzeugen;

Fig. 6 eine Darstellung des Tastverhältnisses einer Reihe von Schwingungsformen, d.h. den Bruchteil der Frequenzperiode, die durch die Breite der Rechteckschwingung dargestellt ist;

Fig. 7 eine impulsbreitenmodulierte Rechteckschwingung mit einer Impulsbreite, die eine Funktion des Tonfrequenzeingangssignals des Systems ist;

Fig. 8 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des Lautsprechers mit Tonfrequenzspulen, die in der Öffnung oder einem Spalt in einem Permanentmagnetkreis angeordnet sind, wobei die Position des Spulenkörpers die wirksame Länge der Leiter in dem Spalt bestimmt.

In Fig. 1 sind die drei grundlegenden Bauteile eines digitalen Lautsprechersystems gezeigt, nämlich ein Impulsbreitenmodulator 12, ein Leistungsverstärker 60 und ein zwei Wicklungen aufweisender Lautsprecher 54.

Wie dies aus den Figuren 1 bis 3 zu erkennen ist wird ein allgemein mit 10 bezeichnetes Tonfrequenz-Analogsignal durch irgendwelche üblichen Einrichtungen vorverstärkt. Das vorverstärkte Tonfrequenzsignal 10 wird dann am Anschluß 14 einem Impulsbreitenmodulator zugeführt, der allgemein mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet ist.

Ein Einstellwiderstand 15 modifiziert das Signal, das dann in zwei Zweige aufgeteilt wird^worauf ein Spannungsteilernetzwerk

einen Gleichspannungs-Vorspannungspegel auf das Analogsignal in einem Zweig aufprägt, typischerweise einen Vorspannungspegel von 7,5 Volt Gleichspannung, während das Signal in dem anderen Zweig durch einen Inverter 18 invertiert wird. Der Einstellwiderstand 15 stellt die Amplitude des Analog-Eingangssignals ein, wodurch entsprechend das Ausmaß der Impulsbreitenmodulation geändert wird, die in dem Modulator 12 erfolgt. Ein Einstellwiderstand 17 stellt den Gleichspannungs-Vorspannungspegel einer invertierten Dreieckschwingung und der invertierten Analogschwingung ein und bestimmt damit das Tastverhältnis des Modulators 12. Wie dies in Figur 1 gezeigt ist, ist eine mechanische Kopplung zwischen den Einstellwiderständen 15 und 17 vorgesehen, so daß die Amplitude des Analog-Eingangssignals 10 und der Vorspannungspegel der Ausgänge der Inverter 18 und 19 gleichzeitig modifiziert wird, um das Tastverhältnis in Abhängigkeit von den Einstellungen des Lautstärkeausgangs des Systems entsprechend einzustellen. Das vorgespannte invertierte Analogsignal 44 wird über einen Zweig 22 einem Vergleicher 24 zugeführt, während das Signal 42 in dem Zweig 20 dem Vergleicher 26 zugeführt wird.

Ein Funktionsgenerator 32 liefert eine 100 kHz-Dreieckschwingung 40 über ein Spannungsteilernetzwerk 21 an den Vergleicher 24.

Dem Vergleicher 26 wird weiterhin eine invertierte 100 kHz-Dreieckschwingung 38 zugeführt, die durch das Netzwerk 17 vorgespannt ist, wobei die Dreieckschwingungen 38 und 40 ursprünglich von dem Funktionsgenerator 32 als Dreieckschwingung 30 erzeugt wurden.

In Figur 2 sind die Dreieckschwingungsformen allgemein durch die Bezugsziffern 38 und 40 bezeichnet, während die Tonfrequenz-Analogsignale allgemein mit den Bezugsziffern 42, 44 bezeichnet sind.

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Es wurde festgestellt, daß wenn die beiden Vergleicher 24, 26 zum gleichen Zeitpunkt oder nahezu zum gleichen Zeitpunkt schalten, Störspitzen von einem Vergleicher zum anderen Vergleicher übertragen werden können, so daß der Ausgang des anderen Vergleichers beeinflußt wird und Verzerrungen hervorgerufen werden. Um diese Verzerrungen so klein wie möglich zu halten^schalten die Vergleicher auf Grund der Verwendung einer invertierten Dreieckschwingung und einer invertierten Analogschwingung betriebsmäßig an um 180 phasenverschobenen Eingangssignalen, so daß ein Übersprechen und ein sich daraus ergebendes Störspitzenproblem beseitigt wird.

Wie dies aus Fig. 5 zu erkennen ist, wirkt jeder Vergleicher als Schaltnetzwerk, so daß, wenn die Dreieckschwingung größer als die Tonfrequenzschwingung ist, ein Ausgangssignal von Null erzeugt wird, während, wenn die Spannung des Tonfrequenzsignals größer als die Dreieckschwingungsform ist, ein Eins—Ausgangssignal erzeugt wird. Entsprechend wird von jedem Vergleicher ein Rechteckschwingungs-Ausgangssignal erzeugt, und diese Schwingungen sind allgemein mit den Bezugsziffern 46 und 48,in den Figuren 1 und 2 bezeichnet.

Die Zeit vom·Impulsmittelpunkt zu einem nachfolgenden Impulsmittelpunkt ist als Zeitperiode für die sich wiederholenden Rechteckimpulse bekannt, und das Verhältnis der Impulsbreite des Rechteckimpulses zu dieser Zeitperiode ist das Tastverhältnis. Die Größe des Tonfrequenz-Ausgangssignals, das die Wicklungen 50,52 auf einem Spulenkörper 51 (Figuren 4 und 8) ansteuert, ist durch das prozentuale Ausmaß der Tastverhältnismodulation bestimmt. Die maximale Größe des Tonfrequenz-Ausganges, der von dem System erzeugt werden kann, würde sich aus einer 100 %-Modulation auf einer Rechteckschwingung mit einem Tastverhältnis von 50 % ergeben. Die mechanische Kopplung nach Figur 1 ändert sowohl die Amplitude des analogen Eingangs-

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signals als auch das Tastverhältnis, so daß das eingestellte Tastverhältnis niemals übermoduliert ist. Die Beziehung kann weiterhin unter Bezugnahme auf Figur 6 ausgedrückt werden, in der die schmaleren Rechteckschwingungsformen einer niedrigen Ausgangsleistung entsprechen, und, wenn die Lautstärke vergrößert wird, so wird das Tastverhältnis der Rechteckschwingung proportional vergrößert.

Eine weitere Möglichkeit zur Erläuterung dieses Sachverhalts ergibt sich aus einer Bezugnahme auf Figur 5, aus der zu erkennen ist, daß die Amplitude des analogen Eingangasignals die Ausgangsleistung des Lautsprechers vergrößert. Wenn das analoge Eingangssignal die Dreieckschwingung an hochliegenden Punkten auf der Dreieckschwingung schneidet, so ergibt sich ein breiterer Impuls. Wenn andererseits das analoge Eingangssignal niedrig liegendere Punkte auf der Dreieckschwingung schneidet, so ergibt sich ein schmalerer Impuls. Die Änderung von dem breitesten zum schmälsten Impuls ist das Ausmaß der Modulation. Wenn die Amplitude des analogen Eingangssignals durch Einstellung des Einstellwiderstandes 15 (siehe Figur 1) geändert wird, so werden die Breiten der Impulse proportional geändert. Eine Änderung des Gleichspannungs-Vorspannungspegels der invertierten Dreieckschwingung und des invertierten Analogsignals durch Einstellung des Einstellwiderstandes 17 ändert entsprechend das Tastverhältnis. Daher wird durch die mechanische Kopplung nach Figur 1 gleichzeitig die Abschwächung des analogen Eingangssignals und der Gleichspannungs-Vorspannungspegel der invertierten Dreieckschwingung und der invertierten Analogschwingung geändert, so daß sich eine Änderung des Ausmaßes der Modulation und eine entsprechende Änderung des Tastverhältnisses ergibt. Dies dient dazu, daß lediglich die Leistung verwendet wird, die erforderlich ist, um die Wicklungen für die gewünschte Ausgangsleistung anzusteuern, so daß der Wirkungsgrad des Systems beträchtlich vergrößert wird.

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Wie dies aus Figur 7 zu erkennen ist, ist die Impulsfolge impulsbreitenmoduliert, weil auf diese Impulsfolge eine Breitenänderung als eine Funktion der Charakteristika der Analogschwingung aufgeprägt ist. Wenn sich entsprechend die Amplitude der Analogschwingung ändert, so ergibt sich eine entsprechende Änderung der Breite der Impulse.

Wie dies aus Figur 3 zu erkennen ist,wird jede Rechteckschwingungsfolge einer jeweiligen der Wicklungen 50, 52 nach Durchlaufen eines Treibers zugeführt, der allgemein mit der Bezugsziffer 60 bezeichnet ist.

Der Treiber 60 besteht aus zwei Treiberschaltungen, jeweils eine für eine der jeweiligen Rechteckimpulsfolgen, die von dem Impulsbreitenmodulator 12 erzeugt werden. Wie dies in Figur 2 gezeigt istjwird jedes digitale. Ausgangssignal 46, 48 über Leitungen 64, 66 und Widerstände 68, 70 den Zweigabschnitten des Treibers 60 zugeführt. Der Treiber weist Widerstände 76 und 78 und VMOS-Transistoren 80, 82 auf , die eine hohe charakteristische Eingangsimpedanz und Schaltzeiten im Nanosekundenbereich aufweisen, so daß die über die Leitungen 84, 86 weitergeleiteten Signale die gleiche Schwingungscharakteristik aufweisen, wie die Rechteckschwingungsformen, die über die Eingangsleitungen 64, 66 zugeführt werden. Die verstärkten digitalen Signale werden den Wicklungen 50, 52 des Lautsprechers zugeführt, wobei diese beiden Wicklungen 50, 52 stromgesteuert sind. Tonfrequenz-Schaltungsanwendungen von VMOS-Transistoren sind im Abschnitt 5 der Literaturstelle "Design of VMOS Circuits with Experiments" , Rober T. Stone und Howard M. Berlin, Verlag Howard W. Sams & Co., Inc., als Teil der "The Blacksburg Continuing Education"-Serie beschrieben.

Die Wirkung der Ströme in den Wicklungen des Lautsprechers wird am besten unter Bezugnahme auf die vergrößerten Teilansichten (Figuren 4 und 8) der Lautsprecherwicklungen in

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dem Magnetfeld des Permanentmagnetkreises verständlich. Die Beziehung der Bewegung der Lautsprecherwicklungen und der Lautsprechermembran 97 entspricht einem Kraft-Ausgleichssystem. Das System verwendet einen Permanentmagneten in Verbindung mit Polstücken 89, um ein Magnetfeld in einem kreisringförmigen Spalt 29 zu erzeugen. Die Magnetflußdichte in dem Spalt ist im wesentlichen konstant, während der Strom in jeder Wicklung veränderlich ist. Wenn beispielsweise die Impulsbreitenmodulation für die Wicklung 50 einen größeren mittleren Strom in dieser Wicklung als in der Wicklung 52 hervorruft, so erfolgt die Bewegung der Lautsprecherwicklung entsprechend der Gleichung BL₁I₁ = BLpIp. In dieser Gleichung ist B der Wert der konstanten Magnetflußdichte, I. der Strom in der Wicklung 50, Ip der Strom in der Wicklung 52, L₁ die wirksame Leiterlänge der Wicklung 50 in dem Spalt 92 und Lp die wirksame Leiterlänge der Wicklung 52 in dem Spalt 92. Wenn der Strom in einer Wicklung vergrößert wird, während der Strom in der anderen Wicklung verringert wird, so ist die Kraftsymetrie verschoben, weil BL₁I₁ nicht gleich BLpIp ist, so daß eine Bewegung in Richtung der Wicklung erfolgt, die den größeren Strom aufnimmt. Die Wicklungen sind so angeordnet, daß, wenn eine axiale Bewegung auftritt, einige der den größeren Strom aufnehmenden Leiter den Bereich des kreisringförmigen Spaltes 92 verlassen. Der Strom in den in der Gleichgewichtsposition in dem Feld verbleibenden Leiter erzeugt dann eine Kraft, die gleich der Kraft ist, die durch die vergrößerte Anzahl von Leitern in der anderen Lautsprecherwicklung erzeugt wird, die in das Magnetfeld hineingezogen werden, durch die jedoch ein geringerer Strom hindurchfließt. Wie dies in Figur 8 gezeigt ist, wird eine Gleichgewichtsposition erreicht, in der BL₁I₁ = BLpIp ist, weil L₁ ausreichend weit im Bezug auf I₁ verringert wird, damit das Produkt BL₁I₁ = BLpIp ist. Weil sich die Länge der Leiter Lp gegenüber

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L₁ vergrößert, wird bei dem niedrigeren Strom Ip ein Gleichgewichtszustand durch eine proportionale Bewegung erreicht, bei der die wirksame Leiterlänge L₁ in dem Magnetfeld verringert und die wirksame Leiterlänge Lp in diesem Magnetfeld vergrößert wird, so daß die BLI-Produkte durch eine proportionale Änderung der wirksamen Leiterlänge ausgeglichen werden.

Wenn der mittlere Strom in einer Wicklung sich von dem Strom in der anderen Wicklung unterscheidet, so erfolgt immer eine Bewegung in Richtung auf einen Gleichgewichtspunkt, und-die Bewegung wird fortgesetzt, bis an der neuen Position BL₁I₁ = BLpIp wird, so daß eine Kräftesymmetrie erzielt ist.

Selbstverständlich können diese Änderungen sehr schnell erfolgen, und die Lautsprecherwicklungen werden immer als Funktion der Impulsbreitenmodulation vor und zurück bewegt. Weil jedoch die Lautsprecherwicklungen zwangsweise in beiden Richtungen bewegt werden und weil die Membran 97 eine "weiche Einspannung" aufweist, hat der sich ergebende Klang einen wesentlich größeren Frequenzgang und die Ansprechgeschwindigkeit bewirkt, daß der Lautsprecher einen klareren Ton über einen großen Frequenzbereich abgibt. Weil die Wicklungen die Einstellkräfte liefern und nicht von axialen mechanischen Rückstellkräften abhängen (radiale Federanordnungen, steife Einspannungen usw.), wie dies bei üblichen Lautsprechern der Fall ist, können die von den Wicklungen erzeugten Kräfte besser zur Vergrößerung des dynamischen Bereiches und des Frequenzganges ausgenutzt werden, wobei gleichzeitig die Verzerrungen beseitigt werden, die durch die mechanischen Rückstellkräfte hervorgerufen werden. Durch Nichtlinearitäten in der Treiberstufe hervorgerufene Verzerrungen werden in diesem System stark verringert.

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Wenn kein Analog-Eingangssignal vorhanden ist, so sind die Tastverhältnisse der Ströme in den Wicklungen gleich, und es ergibt sich keine Impulsbreitenmodulation. Daher ist der mittlere Strom durch beide Wicklungen der gleiche und die Lautsprecherwicklungen bewegen sich in eine Position, in der die Lautsprecherwicklungen gleichförmig in Längsrichtung in dem Spalt angeordnet sind, so daß L- = L₂ ist (Figur 4).

Irgendeine Form einer digitalen Modulation, die ein Änderung des mittleren Stroms durch die Wicklungen bewirkt, würde zur Ansteuerung dieses Systems geeignet sein, beispielsweise könnten Systeme, die eine Impulsamplitudenmodulation oder eine Impulsratenmodulation verwenden, den Strom für eine Zweiwicklungs-Lautsprecherkonstruktion ändern.

Das Ergebnis dieses Kraftsymmetrier- oder Ausgleichssystems besteht darin, daß im Gegensatz zu bekannten Lautsprechern, die mechanische Filterelemente erfordern, eine Einspannung mit hoher Nachgiebigkeit am äußeren Umfang der Membran verwendet werden kann. Es ist lediglich eine Anordnung der Lautsprecherwicklungen in Radialrichtung relativ zum Spalt erforderlich, und eine stirnförmige Halterung mit hoher Nachgiebigkeit kann zu diesem Zweck verwendet werden.

Weil die Ansprecheigenschaften des Lautsprechers den Rechteckschwingungsimpulsen entsprechen und weil der Bewegung der Membran nur sehr wenig Widerstand entgegengesetzt wird, ergibt der Lautsprecher eine Vielzahl von funktionellen Verbesserungen. Der Lautsprecher erzeugt weniger Verzerrungen, er weist eine wesentlich schnellere Ansprechzeit auf und der Frequenzbereich wird erweitert. Als Ergebnis werden die Klarheit des Klanges und die "Sauberkeit" des Klanges über einen großen Frequenzbereich wesentlich verbessert.

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Weil weiterhin die Impulsbreitenmodulation in digitaler Form erfolgt und die Lautsprecherwicklungen direkt über einen Treiber ansteuert, ergibt sich ein vergrößerter dynamischer Bereich ohne die Einführung von Verzerrungen.

Dies heißt mit anderen Worten, daß die impulsbreitenmodulierten Signale die beiden Wicklungen zwangsweise und mit größerer Genauigkeit und größerem Wirkungsgrad und mit weniger Verzerrung antreiben, als dies bei üblichen Einrichtung unter Verwendung eines Analogsignals als Leistungsquelle zur Bewegung der Membran mit Hilfe der Lautsprecherwicklungen der Fall ist, weil derartige übliche Anordnungen nichtlineare mechanische Federn für die Bewegung der Lautsprecherwicklung oder der Lautsprecherwicklungen aufweisen.

BETRIEBSWEISE

Es existiert ein dynamisches Kraftsymmetrier- oder Ausgleichssystem in dem Lautsprecher 54, wobei dieses Gleichgewicht durch die beiden Wicklungen 50 und 52 erzeugt wird, die auf den Spulenkörper 51 aufgewickelt sind. Ein Kraftungleichgewicht der Wicklungen wird durch die impulsbreitenmodulierten Impulsfolgen der Rechteckschwingungen 46, 48 hervorgerufen, die die beiden Wicklungen ansteuern und den Analogsignalen entsprechen, die den Analogeingang an das System darstellen. Das dynamische Kraftgleichgewichtssystem ist derart, daß der Strom (I₁) und die wirksame Leiterlänge (L.) der Wicklung 50 in dem Magnetfeld mit dem Strom (Ip) ^{und der} wirksamen Leiterlänge (Lp) der Wicklung 52 im Gleichgewicht steht, so daß die Beziehung (BL.I.=BLpIp) gegeben ist.

Wie dies in Figur 8 gezeigt ist, wird, wenn die den Wicklungen 50, 52 zugeführten Ströme ungleich sind, eine Bewegung hervorgerufen, bis die Beziehung BL..I.. = BLpIp erfüllt ist. Diese konstante Änderung entsprechend der Impulsbreitenmodulation

führt zu einer zwangsweisen Ansteuerung und zu einem zwangsweisen Antrieb der Membran des Lautsprechers in axialen Richtungen, wobei ein Schallausgangssignal· erzeugt wird, das dem Klang entspricht, der durch das Analogeingangssignal 10 dargestellt ist, das dem Modulator 12 zugeführt wird.

Die Wicklungskonstruktion ist derart, daß sich ein gewisser geringer "Überhang" der Wicklungen ergibt, was bedeutet, daß sich diese über den Spalt 92 hinaus erstrecken, und zwar unabhängig vom Ausschlag der Lautsprecherwicklungen 50, 52, so daß die Bewegung der Wicklungen immer eine Funktion des Differentialstromes in den jeweiligen Wicklungen ist.

Jede Wicklung wird unabhängig durch ein Digitalsignal angesteuert, das impulsbreitenmoduliert ist. Dies wird dadurch erreicht, daß zunächst ein Analog-Tonfrequenzsignal 10 (Fig. 1 und 2) erzeugt wird, das durch einen Impulsbreitenmodulator 12 verarbeitet wird. Das Tonfrequenz-Analogeingangssignal 10 wird in einem Zweig mit einer festen Gleichspannungsvorspannung in einem Spannungsteilernetzwerk 16 vorgespannt, während das Signal in dem anderen Zweig in einem Inverter 18 invertiert, in einem Netzwerk 17 in veränderlicher Weise vorgespannt und in invertierter Form 44 einem Vergleicher 24 zugeführt wird. Das nicht invertierte Analogsignal wird in Form der Schwingungsform 42 einem Vergleicher 26 zugeführt.

An den beiden Vergleichern 24, 26 werden die Tonfrequenz-Analogsignale in eine Folge von digitalen Impulsen umgewandelt, deren Periode gleich der der Dreieckschwingungen ist. Die Breite jedes Impulses wird durch die Amplitude der den Vergleichern 24, 26 zugeführten Analogsignale moduliert. Die impulsbreitenmodulierten Signale werden dann in der Treiberschaltung 60 verstärkt. Die impulsbreitenmodulierten Signale werden getrennt über Eingangsleitungen 64, 66 weitergeleitet und jedes Signal wird in der jeweiligen Schaltung verstärkt, die aus einer der

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Impedanzen 76, 78 und d«n VMOS-Transirstoren 80, 82 bestehen. Die über die Anschlüsse 91, 93 übertragene Leistung wird
durch den jeweiligen VMOS-Transistor geschaltet, so daß
die stromabhängigen Spulen 50, 52 jeweils durch oi.n verstärktes Signal angesteuert werden, das den impulsbreitenmodulierten Signalen von dem Modulator 12 entspricht.

Im Betrieb werden die Lautsprecherwicklungen 50, 52 immer
zwangsweise angetrieben und es werden keine Federn oder
andere mechanische Rückstelleinrichtungen verwendet. Die
Gleichgewichtsposition für die Lautsprecherwicklungen ist
die Position, in der die Beziehung BL₁I₁ = BLpIp erfüllt ist, wobei der Parameter L die wirksame Leiterlänge jeder Wicklung in dem Magnetfeld ist, während I der mittlere Strom in jeder Wicklung ist, der durch die impulsbreitenmodulierte Schwingungsfolge bestimmt ist.

Es ist die prozentuale Modulation des Tastverhältnisses, die die Lautstärke-Ausgangsleistung des Lautsprechers bestimmt . Der Relativwert der mittleren Ströme , die den beiden Wicklungen zugeführt werden, stellt die Größe der Antriebskraft dar, die auf die Lautsprecherwicklungen wirkt. Das Ausmaß des Ungleichgewichts in den mittleren Strömen in den Lautsprecherwicklungen, das durch das Eingangs-Analog-Signal hervorgerufen wird, bestimmt die Lautstärke des Lautsprechers.

Die Impulsbreitenmodulation ruft die auf die Membran 97 des
Lautsprechers 54 aufgeprägten Schwingung hervor, wobei diese Schwingungen das umgewandelte Signal darstellen, das in direkter Beziehung zu dem Analog-Eingangssignal 10 am Anschluß 14 steht.

Obwohl die Erfindung im vorstehenden anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist es verständlich, daß dieses Ausführungsbeispiel nur zu Erläuterungszwecken ge-

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zeigt und beschrieben wurde. Es sind selbstverständlich vielfältige Abänderungen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung möglich.

Claims

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D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum:

Unser Zeichen: 17 312 - Fk/Vi

PATENTANSPRÜCHE:

Q/ Verfahren zur Umwandlung elektrischer Tonfrequenzsignale in akustische Ausgangssignale eines Schallwandlers, gekennzeichnet durch die Schritte der Zuführung eines vorverstärkten Analogsignals an eine geschaltete Konvertereinrichtung, der Umwandlung des vorverstärkten Analog-Eingangssignals in der geschalteten Konvertereinrichtung zur'Umwandlung des Analogsignals in impulsbreitenmodulierte geschaltete Signale, der Verstärkung des Ausganges der Konvertereinrichtung und der Zuführung der verstärkten geschalteten Signale an ausgewählte von getrennt ansteuerbaren Wicklungen des Schallwandlers derart, daß die geschalteten Signale eine Antriebskraft erzeugen, die die akustischen Ausgangssignale hervorruft.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch die Schritte der Erzeugung eines Analogsignals, der Zuführung dieses Analogsignals an Umwandlungseinrichtungen zur Erzeugung eines impulsbreitenmodulierten Signals, der Zuführung der Ausgangssignale der Umwandlungseinrichtung in verstärkter Form an einen elektrodynamischen akustischen Wandler, und der getrennten Ansteuerung jeder von zwei Wicklungen des Wandlers mit dem verstärkten Ausgangssignal zur Erzeugung des akustischen Ausgangssignals.

3- Verfahren nach Anspruch 2,

gekennzeichnet durch die Schritte des Vergleichs von Invertierten Analogsignalen mit jeweiligen Dreieckschwingungen zur Umwandlung des Analogsignals in ein geschaltetes Ausgangssignal, das im wesentlichen aus einer impulsbreitenmodulierten

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Schwingungsform besteht, und der Zuführung der impulsbreitenmodulierten Ausgangssignale in verstärkter Form an die jeweiligen Wicklungen zur Erzielung einer Bewegung der Wicklungen in vorgegebener Beziehung zu dem verstärkten Ausgangssignal.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis' 3, gekennzeichnet durch den Schritt der Begrenzung der Auslenkung der Wicklungen zur Erzielung eines verbesserten dynamischen Bereichs.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch den Schritt der Ansteuerung des akustischen Wandlers über die Wicklungen durch Ansteuerung der jeweiligen Wicklungen über einen Treiber, der Transistorelemente mit hoher Eingangsimpedanz und hohem Ausgangsstrom sowie" mit kurzen Schaltzeiten einschließt.

6. Akustisches Wandlersystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit. einem akustischen Wandler,

dadurch gekennzeichnet,

daß der akustische Wandler (54) zumindestens zwei unabhängig ansteuerbare Wicklungen (50, 52) aufweist, und daß ein Modulator (12) und ein Verstärker (60) vorgesehen sind, die" Einrichtungen zur Umwandlung eines Analog-Eingangssignals (10) in impulsbreitenmodulierte Signale (46, 48) sowie zur Lieferung verstärkter Ausgangssignale zur Ansteuerung einer jeweiligen der Wicklungen (50, 52) des akustischen Wandlers (54) einschließen.

7- Akustisches Wandlersystem nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Vorverstärkereinrichtungen zur Lieferung eines Analog-Eingangssignals an die Einrichtungen zur Umwandlung des Analog-Eingangssignals.

8. Akustisches Wandlersystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Verstärkereinrichtungen (60) Treibereinrichtungen (80, 82) zwischen den Einrichtungen zur Umwandlung des Analog-Eingangssignals in ein impulsbreitenmoduliertes Signal und einer jeweiligen der Wicklungen (50, 52) einschließen, und daß die Treibereinrichtungen Transistorelemente (80, 82) mit einer hohen Eingangsimpedanz und hohen Ausgangsströmen einschließen, die sehr kurze Schaltzeiten aufweisen und die Wicklungen (50, 52) ansteuern.

9- Akustisches Wandlersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß das Ansprechverhalten des akustischen Wandlers (54) .einen breiteren dynamischen Bereich aufweist.

10. Akustisches Wandlersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die Amplitude des akustischen Wandler-Ausgangssignals eine Funktion der Impulsbreitenmodulation ist,.daß das mittlere Tastverhältnis in einem Bereich von 50 % oder weniger liegt und daß jede Wicklung (50, 52) unabhängig angesteuert ist.

11. Akustisches Wandlersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

daß der akustische Wandler (54) eine höhere Schallleistung bei geringerer Verzerrung aufweist, und daß eine direkte Ansteuerung zwischen den Einrichtungen zur Umwandlung des Analog-Eingangssignals in impulsbreitenmodulierte Signale, den Verstärkereinrichtungen (60) und den jeweiligen Wicklungen (50, 52) des akustischen Wandlers (54) vorgesehen ist.

12. Akustisches Wandlersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch Kopplungseinrichtungen zur gleichzeitigen Einstellung des Analog-Eingangssignals an den Modulator (12) und des mittleren Tastverhältnisses des Ausgangssignals des Modulators.

13- Akustisches Wandlersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch einen Modulator (12) zur Umwandlung vorverstärkter Analog-Eingangssignale in modulierte geschaltete Signale, Einrichtungen (60) zur Verstärkung des Ausgangssignals der Modulatoreinrichtungen (12), und einen zwei Wicklungen (50, 52) aufweisenden akustischen Wandler (54), dessen Wicklungen unabhängig voneinander ansteuerbar sind und jeweilige Signale der Verstärkereinrichtung (60) empfangen.

14. Akustisches Wandlersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet,

daß die Verstärkereinrichtung zwei Treibertransistoren -(80, 82) mit hoher Eingangsimpedanz und hohem Ausgangsstrom und kurzen Schaltzeiten einschließt, deren Ausgangsstrom den Wicklungen (50, 52) des akustischen Wandlers (54) zugeführt wird und die impulsbreitenraodulierte Signale empfangen, so daß jede Wicklung stromabhängig angesteuert ist.

15. Akustisches Wandlersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigere Verzerrung des akustischen Wandlers (54) sich aus einem im wesentlichen linearen Ansprechen des Wandlers auf die verstärkten, impulsbreitenmodulierten Signale ergibt.