DE3221800A1

DE3221800A1 - Measurement method for determining loudspeaker data

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Publication number: DE3221800A1
Application number: DE19823221800
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Ing Kueper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-06-05
Filing date: 1982-06-05
Publication date: 1983-12-08

Abstract

Published without abstract.

Description

Beschreibungdescription

Methode zur Bestimmung von lautsprecherdaten Die Erfindung betrifft eine Meßmethode, in der mit einer einfachen Meßschaltung die Serienresonanz eines dynamischen Lautsprechersystems ermittelt wird, die sich aus der Schwinspuleninduktivität t0 und der Kapazität Cm ergibt. Cm repräsentiert im elektrischen Ersatzschaltbild des dynamischen Systems die dynamische Masse mO.Method for Determining Speaker Data The invention relates to a measuring method in which the series resonance of a dynamic loudspeaker system is determined, which results from the voice coil inductance t0 and the capacitance Cm results. Cm represents in the electrical equivalent circuit diagram of the dynamic system is the dynamic mass mO.

Mit Hilfe dieser Serienresonanz lassen sich die laut I sprecherdaten M (Wandlerkonstante) und Lo (Schwingspuleninduktivität) bestimmen. Im Anschluß daran lassen sich (nach der Bestimmung der dynamischen Masse m0 und der Nachgiebigkeit n0 mit üblichen Methoden) alle anderen Elemente des elektrischen Ersatzschaltbildes berechnen.With the help of this series resonance, the loudspeaker data can be read Determine M (converter constant) and Lo (voice coil inductance). Following that can be (after determining the dynamic mass m0 and the compliance n0 with the usual methods) all other elements of the electrical equivalent circuit diagram to calculate.

(Bild 1, Ersatzschaltbild eines dynamischen Systems.) Stand der Technik Bei der Bestimmung der Ersatzschaltbildelemente eines dynamischen Lautsprechersystems geht man üblicherweise wie folgt vor: Man bestimmt zuerst die Resonanzfrequenz des Systems, zum Beispiel mit der Konstantstrommeßmethode. Man schließt das System über einen hochohmigen Widerstand an einen Tongenerator an und mißt den Spannungsabfall am System.(Figure 1, equivalent circuit diagram of a dynamic system.) State of the art When determining the equivalent circuit diagram elements of a dynamic loudspeaker system the usual procedure is as follows: First you determine the resonance frequency of the Systems, for example with the constant current measuring method. You lock the system over Connect a high-value resistor to a tone generator and measure the voltage drop on the system.

Bei zweckmäßiger Eichung und genügend großem Vorwider -stand (^- eingeprägt er Strom) läßt sich aus der Anzeige des Spannungsabfalls direkt der Betrag des Impedanzma -ximums I-ozI max ablesen und mit Hilfe eines Zählers kann die Frequenz f0 bestimmt werden.With appropriate calibration and sufficiently large series resistance (^ - embossed er current) the magnitude of the impedance measure can be obtained directly from the voltage drop display -ximums I-ozI max read and with the help of a counter the frequency f0 can be determined will.

Vergrößert man nun durch Auflegen einer genau definierten Masse m1 die gesamte dynamische Masse des Lautsprechers, so ergibt sich eine neue, tiefere Resonanzfrequenz fo'.If you now enlarge by placing a precisely defined mass m1 the entire dynamic mass of the loudspeaker, this results in a new, deeper one Resonance frequency fo '.

Diese wird ebenfalls ermittelt, und mit Hilfe der Werte von fo, fo' und m1 lassen sich die Werte von mo und no berechnen. Dieses Verfahren ist zum Beispiel bei E. J. Jordan(1) J. Jecklin (2) und bei N. W. McLachlan (3) beschrieben.This is also determined, and with the help of the values of fo, fo ' and m1 the values of mo and no can be calculated. This procedure is for example in E. J. Jordan (1) J. Jecklin (2) and N. W. McLachlan (3).

Die Bestimmung der Wandlerkonstanten M - Bl (B = magnetische Induktion, 1 = Länge des Drahtes im Luftspart des Magneten), der Schwingspuleninduktivität Lo und des Reibungsersatzwiderstandes Rm geschieht in der Regel wie folgt: Man bestimmt mit einer Präzisionsmeßuhr die Nullage der Lautsprechermembran. Anschließend wird eine genau defi -nierte Masse m2 auf die Membran aufgelegt und die resultierende Auslenkung aus der Ruhelage mit einem Gleichstrom dermaßen kompensiert, daß sie die Nullage wieder einnimmt. Der notwendige Gleichstrom I wird gemessen und mit Hilfe des Kraftgesetzes F = IlB, der Masse m2 und dem Strom I läßt sich die Wandlerkonstante berechnen. The determination of the converter constant M - Bl (B = magnetic induction, 1 = length of the wire in the air part of the magnet), the voice coil inductance Lo and the equivalent friction resistance Rm usually take place as follows: One determines the zero position of the loudspeaker membrane using a precision dial. Then will a precisely defined mass m2 is placed on the membrane and the resulting The deflection from the rest position is compensated for with a direct current to such an extent that it resumes the zero position. The necessary direct current I is measured and with With the help of the law of force F = IlB, the mass m2 and the current I, the converter constant to calculate.

Mit M lassen sich dann auch die Werte von Lm und Cm des Ersatzschaltbildes (Bild 1) berechnen.The values of Lm and Cm of the equivalent circuit diagram can then also be determined with M (Picture 1) calculate.

Für die Eingangsimpedanz Ze(Q) des Ersatzschaltbildes bei Resonanzfrequenz fo ergibt sich mit #o = 2#fo: Ze(wo) = Ro + Rm + jwoLo (Ro = Kupferwider daraus folgt: Ro wird mit einer Widerstansmeßbrücke bestimmt.For the input impedance Ze (Q) of the equivalent circuit diagram at resonance frequency fo, with #o = 2 # fo: Ze (wo) = Ro + Rm + jwoLo (Ro = copper resistance follows from this: Ro is determined with a resistance bridge.

Außerdem gilt allgemein: Rm= QeZk mit Zk = Kennwiderstand der Blindelemente bei Resonanz Q 2 Güte des Schwingkreises Nimmt maii zum Beispiel die Ortskurve eines im Vakuum liegendeii Systems auf, so läßt sich Q aus den 450-Frequenzen und der Resonanzfrequenz fo bestimmen: Für den Kennwiderstand Zk gilt: Damit kann Rm berechnet werden und für L0 ergibt sich dann: Es besteht auch die Möglichkeit, M rechnerisch zu be -stimmen: mit Qel= elektrische Güte nachdem mo, fo, Ro und Qe1 bestimmt wurde.In addition, the following generally applies: Rm = QeZk with Zk = characteristic resistance of the reactive elements at resonance Q 2 Quality of the oscillating circuit If, for example, the locus of a system lying in a vacuum is recorded, Q can be determined from the 450 frequencies and the resonance frequency fo: The following applies to the characteristic resistance Zk: With this Rm can be calculated and for L0 we get: It is also possible to determine M arithmetically: with Qel = electrical quality after mo, fo, Ro and Qe1 have been determined.

Nachteile der bekannten Bestimmungsmethoden Der Nachteil der rechnerischen Bestimmung von M liegt darin, daß zur Ermittlung nur Werte benutzt werden, die in der Nähe der Resonanzfrequenz f bestimmt wurden. Dort aber wirken sich Hystereseverluste und Wirbelstromverluste praktisch nicht aus.Disadvantages of the known determination methods The disadvantage of the computational Determination of M lies in the fact that only values are used for the determination that are in near the resonance frequency f. There, however, hysteresis losses have an effect and eddy current losses are practically non-existent.

Die Gleichstromkompensationsmethode (statische Messung) berücksichtigt diese Verluste überhaupt nicht. Zudem ist das Verfahren sehr zeitaufwendig und führt bei mechanisch gut bedämpften Systemen auf Grund der Drift bei der Gewichtsauflage auf die Membran zu zusätzlichen Fehlern. Bei der Bestimmung der Ersatzschaltbildelemente gehen diese Fehler quadratisch in die Berechnungen mit ein. Zur Be -stimmung von Lo wird auch häufig folgende Uberlegung herangezogen: Der Imaginärteil der elektrischen Impedanz besitzt für f 9 0 zwei Nullstellen, wie man es in einer Ortes kurve sofort sehen kann. Aus der Berechnung der zweiten Nullstelle bei der Serienresonanz t (aus 1io und Cm) ergibt sich näherungsweise: Die Frequenz f1 ist aber aus dem Impedanzverlauf praktisch nicht bestimmbar, da das zugehörige Impedanzminimum sehr flach verläuft. (Bild 2) Erfahrungsgemäß ist auch aus der Ortskurve die Frequenz f1 nicht genau bestimmbar, da die Frequenzparametrierung der Ortskurve in der Nähe des zweiten Schnittpunktes mit der reellen Achse in der Regel recht große Frequenzbereiche umfaßt.The DC compensation method (static measurement) does not take these losses into account at all. In addition, the process is very time-consuming and leads to additional errors in mechanically well-damped systems due to the drift in the weight bearing on the membrane. When determining the equivalent circuit diagram elements, these errors are included in the calculations as a square. The following consideration is often used to determine Lo: The imaginary part of the electrical impedance has two zeros for f 90, as can be seen immediately in a locus curve. The calculation of the second zero at the series resonance t (from 1io and Cm) results approximately: However, the frequency f1 cannot practically be determined from the impedance curve, since the associated impedance minimum is very flat. (Fig. 2) Experience has shown that the frequency f1 cannot be precisely determined from the locus, since the frequency parameterization of the locus in the vicinity of the second intersection with the real axis usually encompasses very large frequency ranges.

Lo wird also normalerweise aus einer vereinfachten Gleichung ermittelt, für die sich die entsprechende Frequenz ebenfalls nur ungenau bestimmen läßt.So Lo is usually found from a simplified equation, for which the corresponding frequency can also only be determined imprecisely.

Die beschriebenen Bestimmungsarten sind zum Teil bei den bereits genannten Autoren zu finden.The types of determination described are partly with those already mentioned Find authors.

Neue Methode zur Bestimmung von M und Lo Unter der Voraussetzung, daß die Werte der dynamischen Masse mO, der dynamischen Nachgiebigkeit nO und der Re -sonanzfrequenz f0 mit üblichen Verfahren ermittelt wurden, lassen sich die Werte der Wandlerkonstanten M und der Schwingspuleninduktivität Lo und im Anschluß daran die Werte von Rm, Lm und Cm der bekannte Ersatzschaltung wie folgt ermitteln: Mit Hilfe einer einfachen Meßschaltung, die im Wesentlichen aus einem N.I.O. (negativ impedance converter) besteht, kann man die Wirkung des Kupferwiderstandes eines Lautsprechers zu Null kompensieren. Beschreibt man die Wir -kung eines geeignet dimensionierten N.I.C. der Einfach --heit halber mit -Ro und schaltet ihn in Reihe mit einem dynamischen Lautsprecher, so wird die Serienresonanz aus Lo und Cm praktisch nur noch durch Rm bedämpft. (Bild 3) Schaltet man nun eine ideale Spannungsquelle (Innen -widerstand R. = 0) an diese Anordnung, so steigt der Strom durch das System sehr stark an, wenn die Spannungsquelle auf die Serienresonanz f1 eingestellt wird. An dem im realen Fall vorhandenen Kupferwiderstand Ro entsteht dabei ein Spannungsabfall, der bei f1 sein Maximum hat. Wird dieser Spannungsabfall gemessen, so kann also die Frequenz f1 exakt eingestellt und bestimmt werden. Rechnet man nicht, wie üblich, die mechanische Seite des lautsprechers auf die elektrische Seite um, sondern bezieht die elektrische auf die mechanische Seite des Wandlers, so entsteht ein Ersatzschaltbild, bestehend aus einem Serienschwingkreis (mO, nO), bedämpft durch w, (4 mechanische Reibung), dem eine Parallelschaltung aus einem Widerstand w' und einer Kapazität n' in Reihe liegt.New method for the determination of M and Lo, provided that that the values of the dynamic mass mO, the dynamic compliance nO and the Re-sonance frequency f0 have been determined using conventional methods, the values the converter constant M and the voice coil inductance Lo and subsequently determine the values of Rm, Lm and Cm of the known equivalent circuit as follows: With With the help of a simple measuring circuit, which essentially consists of an N.I.O. (negative impedance converter), one can see the effect of the copper resistance of a Compensate loudspeaker to zero. If you describe the effect of a suitable dimensioned N.I.C. for the sake of simplicity with -Ro and connects it in series with a dynamic speakers, so the series resonance is made Lo and Cm are practically only dampened by Rm. (Fig. 3) If you now switch to an ideal If the voltage source (internal resistance R. = 0) is connected to this arrangement, the current increases through the system very strongly when the voltage source on the series resonance f1 is set. The copper resistance Ro, which is present in the real case, arises there is a voltage drop that has its maximum at f1. Will this voltage drop measured, so the frequency f1 can be set and determined exactly. Calculate you don't, as usual, switch the mechanical side of the speaker to the electrical side Side around, but relates the electrical to the mechanical side of the transducer, this creates an equivalent circuit, consisting of a series resonant circuit (mO, nO), damped by w, (4 mechanical friction), which is a parallel connection of one Resistance w 'and a capacitance n' is in series.

W = M2/Rm, w' = M2/R, zu n' = t0/M2 (Bild 4) Kompensiert man also Ro, so geht w' gegen unendlich.W = M2 / Rm, w '= M2 / R, to n' = t0 / M2 (Fig. 4) So one compensates Ro, w 'goes towards infinity.

Was übrig bleibt ist ein Serienschwingkreis aus mO und ns bedämpft durch w, wobei gilt: Es ergibt sich also eine Serienresonanzfrequenz f1, für die gilt: Schaltet man nun dem Lautsprecher eine definierte Meßinduktivität L' in Reihe, so muß n durch n ersetzt werden. Für n gilt: und für n" gilt: mit L' = Meßinduktivität Es resultiert nun eine neue Serienresonanzfrequenz f11, für die gilt: Die beiden Frequenzen f1 und f1' lassen sich nach der beschriebenen Methode exakt bestimmen.What remains is a series oscillating circuit made up of mO and ns damped by w, where: The result is a series resonance frequency f1, for which the following applies: If you now connect a defined measuring inductance L 'to the loudspeaker in series, then n must be replaced by n. For n the following applies: and for n "the following applies: with L '= measuring inductance The result is a new series resonance frequency f11, for which the following applies: The two frequencies f1 and f1 'can be determined exactly using the method described.

Daraus folgt also: 1/n* = 1/no + 1/n' = #12mo # 1/n' = #12mo - 1/no 1/n** = 1/no + 1/n" = #12mo # 1/n" = #12mo - 1/no mit 1/n' = M²/Lo und 1/n" = M²/(Lo +L') folgtdaraus: M²/Lo = #12mo - 1/no # (a) M²/(Lo + L') = #'12mo - 1/no (b) (a) eingesetzt in (b) ergibt nach Zwischenrechnung: Lo(#12mo - 1/no - #'12mo + 1/no) = L'(#'12mo - 1/no) Daraus folgt schließlich: Dies ist die Bestimmungsgleichung für die Schwingspuleninduktivität im normalen Betriebszustand. Setzt man nun in in die Gleichung (a) ein, so erhält man die Wandlerkonstante M. Mit Hilfe der Gleichung: läßt sicti der Reibungswiderstand Rm bestimmen. Damit lassen sich alle Elemente des Ersatzschaltbildes be -stimmen.From this it follows: 1 / n * = 1 / no + 1 / n '= # 12mo # 1 / n' = # 12mo - 1 / no 1 / n ** = 1 / no + 1 / n "= # 12mo # 1 / n "= # 12mo - 1 / no with 1 / n '= M² / Lo and 1 / n" = M² / (Lo + L') it follows: M² / Lo = # 12mo - 1 / no # (a) M² / (Lo + L ') = #' 12mo - 1 / no (b) (a) inserted in (b) results after interim calculation: Lo (# 12mo - 1 / no - # '12mo + 1 / no ) = L '(#' 12mo - 1 / no) From this it finally follows: This is the equation that determines the voice coil inductance in normal operating conditions. If one inserts in into equation (a), one obtains the converter constant M. With the help of the equation: lets sicti determine the frictional resistance Rm. This allows all elements of the equivalent circuit diagram to be determined.

Vorteil des neuen Meßverfahrens Da bei den Messungen Wechselströme benutzt werden und der mechanische Teil des Systems in Bewegung ist, gehen die Auswirkungen der Hysterese- und Wirbelstromverluste, sowie die Deformation des radialen Magnetfeldes im Luftspalt des Systems mit in die Meßdaten ein. Besonders für Tiefmittelton- und Mitteltonsysteme, die vornehmlich in einem Frequenzbereich betrieben werden, in dem sich diese Verluste schon sehr stark bemerkbar machen, ist diese Meßmethode zu empfehlen, da die Serienresonanz fi genau in diesem Bereich liegt. Die mit dem neuen Verfahren ermittelten Daten weichen daher in der Regel auch von denen ab, die mit den üblichen (mehr oder minder statischen) Methoden ermittelt werden können.Advantage of the new measuring method Since the measurements are alternating currents are used and the mechanical part of the system is in motion, the effects go the hysteresis and eddy current losses, as well as the deformation of the radial magnetic field in the air gap of the system in the measurement data. Especially for bass-midrange and Midrange systems that are primarily operated in one frequency range in to which these losses are already very noticeable, is this measuring method to be recommended, since the series resonance fi lies exactly in this range. The one with the The data determined by new procedures therefore usually deviate from those which can be determined with the usual (more or less static) methods.

Mögliche Anwendungsbereiche Ein denkbares Anwendungsgebiet ist zum Beispiel die Endkontrolle von Serienprodukten in der laut sprecherindustrie, da sich mit dem beschriebenen Meßverfahren in charakteristischer Weise Fertigungstoleranzen aufdecken lassen.Possible areas of application A conceivable area of application is for Example the final inspection of series products in the loudspeaker industry, there manufacturing tolerances in a characteristic way with the measurement method described let uncover.

Beschreibung der Meßschaltung Die Meßschaltung, die der Meßmethode zu Grunde liegt, besteht im Wesentlichen aus einem teistungsoperationsverstärker, der als einstellbarer N.I.C. dient. Ein zweiter Operationsverstärker dient zum einen als Eingang für den Tongenerator, zum anderen arbeitet er in einem geschlossenen Regelkreis als Arbeitspunktstabilisierung. (Bild 6) Betrachtet man den Impedanzverlauf eines dynamischen Lautsprechers (Bild 2), so ist zu erkennen, daß dieser für f - O (Gleichstrom) den kleinsten Wert annimmt. Um die Serienresonanz exakt bestimmen zu können, muß daher verhindert werden, daß die Schaltung für den Gleichstrombereich instabil wird. Dies wird durch den zweiten Operationsverstärker bewirkt, der für den Leistungsoperationsverstärker in diesem Bereich eine Gegenkopplungsschleife darstellt. (Obere Grenzfrequenz dieser Gegenkopplung etwa 0,5 Hz.) Auf diese Weise ist es möglich, mit einem Potentiometer die Mitkopplung bis an die Schwinggrenze zu erhöhen. Verändert man an einem angeschlossenen Tongenerator die Frequenz, so ergibt sich für die Serienresonanz f1 ein scharf ausgeprägtes Spannungsmaximum am lautsprecher.Description of the measuring circuit The measuring circuit, that of the measuring method is based on, consists essentially of a power amplifier, which can be used as an adjustable N.I.C. serves. A second operational amplifier is used on the one hand as an input for the tone generator, on the other hand it works in a closed one Control loop as working point stabilization. (Fig. 6) Looking at the impedance curve one dynamic loudspeaker (Fig. 2), it can be seen that this is for f - O (direct current) assumes the smallest value. In order to be able to determine the series resonance exactly, must therefore, the circuit for the DC range can be prevented from becoming unstable. This is done by the second operational amplifier, the one for the power operational amplifier represents a negative feedback loop in this area. (Upper limit frequency of this Negative feedback about 0.5 Hz.) In this way it is possible with a potentiometer to increase the positive feedback up to the oscillation limit. If you change a connected one Tone generator sets the frequency, a sharply pronounced series resonance f1 results Maximum voltage on the loudspeaker.

Literatur: (1) Jordan, E. J. Loudspeakers, the technique of soundreproduction, Focal Press London & New York 7963 (2) Jecklin, J. lautsprecherbuch, Telekosmos-Verlag Stuttgart 1967 (3) McLachlan, N. W. Ioud Speakers, Theory, performance, testing and design, Dover Publications 1960 LeerseiteLiterature: (1) Jordan, E. J. Loudspeakers, the technique of sound reproduction, Focal Press London & New York 7963 (2) Jecklin, J. loudspeaker book, Telekosmos-Verlag Stuttgart 1967 (3) McLachlan, N. W. Ioud Speakers, Theory, performance, testing and design, Dover Publications 1960 Blank page

Claims

3Patent claim: Method for determining loudspeaker data with With the help of a simple measuring circuit, which essentially consists of an N.I.C.

(negative impedance converter) exists.

The method is characterized by the fact that it is used to determine the Loudspeaker data uses the series resonance frequency f1, which results from the voice coil inductance Lo and the capacitance Cm, which represents the dynamic mass of the system leaves. This series resonance f1 can be precisely determined with the measuring circuit.