DE4100848A1

DE4100848A1 - Regelungsverfahren und reglerschaltung fuer lautsprecher in offenen boxen

Info

Publication number: DE4100848A1
Application number: DE19914100848
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Swoboda
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-01-14
Filing date: 1991-01-14
Publication date: 1992-07-16

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Reglerschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.

Bei Lautsprecherboxen nach den "offenen Gehäuseprin zipien" wird nicht nur der Schallanteil, der von der Membranvorderseite des Lautsprechers erzeugt wird, sondern auch der von der Membranrückseite abgestrahlte Schall über eine besondere Gehäuseöffnung nutzbar gemacht. Beispiele für "offene Gehäuseprinzipien" sind Baßreflex oder Transmission line.

Gegenüber Lautsprecherboxen nach dem geschlossenen Prinzip, bei denen sich der Lautsprecher in einer Öffnung eines im übrigen allseitig geschlossenen Gehäuses befindet, bieten die offenen Lautsprecherprinzipien eine Reihe von Vorteilen, wie eine höhere maximale Lautstärke (bis zu 5 dB) ein höherer Wirkungsgrad (bis zu 50%), eine tiefere untere Grenzfrequenz (ca. 30%) sowie geringere Verzerrungen bei tiefen Frequenzen.

Die vorerwähnten Vorteile werden um so wichtiger, je kleiner die Membranfläche des Lautsprechers und je kleiner das verwendete Boxenvolumen sind. Daher werden Lautsprecher mit kleinen Boxenvolumen auf dem Markt überwiegend mit die sen Techniken angeboten.

Es ist ferner bekannt, daß durch regelungstechnische Maßnahmen der Frequenzgang eines Lautsprechers, also die Ab hängigkeit der Schallamplitude von der Schallfrequenz, zu tiefen Frequenzen hin erweitert werden kann, d. h., daß auch bei tiefen Frequenzen noch ein gut wahrnehmbarer Schall ab gestrahlt wird. Bisher ist es allerdings lediglich bei ge schlossenen Lautsprecherboxen gelungen, eine derartige Rege lung in befriedigender Weise zu ermöglichen, nicht hingegen bei Lautsprecherboxen nach den "offenen Gehäuseprinzipien".

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, eine befriedigende Regelung von Lautsprecherboxen nach den offenen Prinzipien zu ermöglichen und damit insbe sondere den Frequenzgang des Lautsprechers zu verbessern, insbesondere zu erweitern.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 5 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die insbe sondere eine sensible Erfassung der tatsächlichen Augen blickswerte des Lautsprechers durch eine Analogrechen schaltung gewährleisten, sind in weiteren Ansprüchen enthal ten.

Die Lehre der Erfindung beruht also darauf, daß unter Verwendung einer das Augenblicksverhalten des zu regelnden Lautsprechers ständig berechnenden Analogrechenschaltung mindestens vierter Ordnung sowie eines ersten und eines zweiten Reglers die Abweichungen der Augenblickswerte der Analogrechenschaltung von den Augenblickswerten des Laut sprechers durch eine unterlagerte Regelung (erster Regler) beseitigt wird und die so korrigierten Analogsignale dem die Lautsprecherregelung bewirkenden äußeren Regler (zweiter Regler) zugeführt werden. Zur Erfassung einer Ausgangsgröße des Lautsprechers kann z. B. ein üblicher Sensor dienen.

Ein offenes Lautsprechersystem, für das das erfin dungsgemäße Regelungsverfahren eingesetzt werden soll, läßt sich im einfachsten Fall durch die folgende Übertragungs funktion mathematisch beschreiben:

In der Gleichung (1) bedeuten:
mit k als Verstärkungsfaktor, s als komplexe Kreisfrequenz, w₁ und w₂ als Kreisfrequenzen, d₁ und d₂ als Dämpfungen der Regelschrecke.

Man erkennt anhand des Nennerpolynomes die hohe Ord nung (vierte !) des Systems.

Will man nun den Frequenzgang des offenen Lautspre chersystems, wie es in Gleichung (1) beschrieben ist, zu tiefen Frequenzen hin erweitern, so bedeutet dies (mathema tisch), daß die Nullstellen des Nennerpolynomes (Pole) in der Gleichung (1) verändert werden müssen. Dies ist aber mit üblichen Standard-PID-Reglern (PIDT1) nicht auf gezielte Weise möglich, weil diese Regler eine zu niedrige Reglerord nung besitzen, wie sie in der nachfolgenden Gleichung be schrieben ist:

In der Gleichung (2) bedeuten:
mit k₂ als Verstärungsfaktor, s als komplexe Kreisfrequenz, Ti als Nachstellzeit, Td als Vorhaltezeit und T als Zeit konstante.

Die Anzahl der wahlfrei einstellbaren Parameter des Reglers nach Gleichung (2) reichen nicht aus, um die Pole des geschlossenen Kreises aus Gleichung (1) und Gleichung (2) gezielt zu beliebigen Stellen zu verschieben.

Dies ist auch der Grund, warum sich in der Praxis die bekannten Reglerkreisstrukturen auf Lautsprecher beschrän ken, die in einem geschlossenen Gehäuse arbeiten.

Durch die Erfindung wird es nun erreicht, Lautsprecher zu regeln, die nach den offenen Gehäuseprinzipien arbeiten und dabei die Polstellen des geschlossenen Regelkreises an beliebige Stellen verschieben, was bedeutet, daß der Fre quenzgang des Lautsprechers beliebig manipulierbar ist.

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen, erfindungsgemäß zu ver wendenden Bauteile bzw. Verfahrensschritte unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption bzw. den Verfahrensbedingungen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß die in dem jeweiligen Anwen dungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt An wendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegen standes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung der zugehörigen Zeichnung.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsge mäßen Regelkreises: Das Führungssignal (Musiksignal) 1 wird dem (zweiten) Regler 2 zugeführt, welcher die Stellgröße 3 für die aus dem Endverstärker 4 und dem Lautsprecher 5 bestehende Regel strecke erzeugt.

Eine Analogrechenschaltung 6 erhält an einem ihrer Eingänge das an der Regelstrecke bzw. (wie gestrichelt dar gestellt) an dem Lautsprecher 5 anstehende Stellsignal U des Reglers 2 und berechnet ständig die vom Lautsprecher 5 er zeugten Augenblickswerte. Die von der Analogrechenschaltung erzeugten analogen Augenblickswerte des Lautsprechers werden mit den tatsächlichen Augenblickswerten des Lautsprechers 5 zur Übereinstimmung gebracht. Hierzu erfaßt ein Sensor 7 ständig eine Ausgangsgröße des Lautsprechers 5, wie bei spielsweise dessen erzeugten Schalldruck. Ein (erster) Reg ler 8 wird mit dem Sensorsignal versorgt und regelt die Ana logregelschaltung 6 derart, daß an den Ausgängen der Analog rechenschaltung 6 solche Analogwerte erhalten werden, die mit dem tatsächlichen Verhalten des Lautsprechers 5 über einstimmen.

Der (erste) Regler 8 erhält über den Sensor 7 den Ist wert des aus den beiden Reglern 2 und 8, dem Endverstärker 4 und dem Lautsprecher 5 bestehenden Hauptregelkreis. Außerdem erhält er die von der Analogrechenschaltung 6 ermittelten analogen Augenblickswerte 9.

Die Analogrechenschaltung muß nun so ausgelegt werden, daß sie so viele Signale erzeugt, wie es der Systemordnung des zu regelnden Lautsprechers zahlenmäßig entspricht. Be zieht man sich auf Gleichung (1) so müssen also mindestens vier Signale erzeugt werden.

Zur Berechnung der Analogrechenschaltung bedient man sich der Übertragungsfunktion, wie sie in Gleichung (1) be schrieben ist und führt diese durch die inverse Laplace transformation in den Zeitbereich über. Dies geschieht mit den bekannten regelungstechnischen Methoden, wie sie bei spielsweise in dem Buch "Regelungstechnik, Otto Föllinger, Elitera Verlag 2. Auflage 1978, Seite 93 ff" ausführlich beschrieben werden. Insofern wird dieses Buch zum Offenba rungsgehalt dieser Patentanmeldung gerechnet. Die ent stehende Differentialgleichung wird zweckmäßigerweise mit Operationsverstärkern realisiert. Auch diese Methoden sind Stand der Technik und können beispielsweise in dem Buch "Modern Control Engineering, Ogata, Katsuhiko" Prentice-Hall, 1970, Seite 258 ff, das insoweit ebenfalls zum Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung gehört, nachgelesen werden.

Die unterlagerte Regelung wird so ausgelegt, daß die Abweichungen e zwischen dem Lautsprecher 5 und der Analogre chenschaltung 6 verschwinden - mathematisch ausgedrückt:

Für die Größe e werden je nach Lautsprechertyp und Sensor passende reale und analog berechnete Signale herange zogen.

Die von der Analogrechenschaltung 6 so ermittelten Werte werden gemeinsam mit dem von dem Sensor 7 ermittelten Signal als Sollwert des Reglers 8 zur Stellgrößenformung herangezogen.

Der Regler 2 erhält nun der Systemordnung des zu re gelnden Systems entsprechend viele Signale.

Der Regler 2 wird nun etweder enpirisch eingestellt oder mit den üblichen Methoden der Regelungstechnik dermaßen entworfen, daß der geschlossene Hauptregelkreis freiwählbare Polstellen erhält. Diese Polstellen des geschlossenen Regel kreises wählt man so, daß sich der gewünschte Frequenzgang des Lautsprechers 5 einstellt. Eine im vorerwähnten Sinne geeignete Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt und wird nach folgend erläutert: Die Operationsverstärker 10 bis 13 bilden die Analog rechenschaltung mit integrierter, unterlagerter Regelung, die u. a. durch die Rückkopplungen 10A, 12A realisiert wird. Als Eingangssignale für diese geregelte Analogrechenschal tung wird die von dem Sensor abgegebene Regelgröße y und die von dem Hauptregelkreis erzeugte Stellgröße u.

Die Anzahl der an den Ausgängen der Operationsverstär ker 10 bis 13 erzeugten (vier) Signale entsprechen der Systemordnung des zu regelnden Lautsprechers. Diese werden auf den (Haupt)Regler 2 aufgeschaltet, der aus den Operati onssverstärkern 14 bis 17 besteht und für die Verschiebung der Pole des geschlossenen Regelkreises sorgt. Die Ausgänge der Operationsverstärker 14 bis 17 werden summiert mit dem Führungssignal 1 des Hauptregelkreises verglichen. Der Summierer 18 erzeugt die notwendige Stellgröße des Hauptre gelkreises, die zum einen als Eingangssignal auf den Laut sprecherverstärker geschaltet und zum anderen in die Analogrechenschaltung geführt wird. Die Operationsverstärker 14 bis 17 sind einstellbar; sie können aber auch nicht ein stellbar sein, z. B. wenn die Bauteile von vorn herein, ins besondere durch Berechnung, so gewählt sind, daß sich der gewünschte Frequenzgang des Lautsprechers 5 einstellt.

Fig. 2 zeigt als tatsächlich gemessenes Ergebnis den Frequenzgang eines erfindungsgemäß geregelten Lautsprechers in einem Baßreflexgehäuse. Geregelt wurde ein 13-cm-Tieftö ner in einem 7-Liter-Gehäuse. Als Regelgröße wurde dabei der Schalldruck, der im inneren der Box abgestrahlt wird, mit einem Sensor gemessen.

Es ist auch möglich, einen Sensor direkt an der Laut sprechermembran anzubringen. Ebenfalls ist es möglich, einen Sensor an der Lautsprechermembran anzubringen und zusätzlich einen Sensor in der Baßreflex-Gehäuseöffnung.

Die Analogrechenschaltung muß für die entsprechenden Sensoren angepaßt werden.

In der Fig. 2 zeigt die Kurve 1 den Frequenzgang des Lautsprechers für den ungeregelten Fall, die Kurve 2 den für den geregelten. Für den ungeregelten Fall ergibt sich eine Grenzfrequenz, d. h. -3 dB des Lautsprechers 5 von etwa 70 Hz.

Für den geregelten Fall liegt die Grenzfrequenz bei etwa 23 Hz.

Gegenüber dem geregelten Lautsprecher im geschlossenen Gehäuse hat die geregelte Baßreflexbox den gravierenden Vor teil, tiefe Frequenzen mit höherem Maximalpegel abzustrah len, da ein großer Teil der akustischen Leistung bei tiefen Frequenzen unterstützend durch die Gehäuseöffnung abge strahlt wird, außerdem sind die Verzerrungen geringer, muß weniger elektrische Leistung zugeführt werden (kleinere Ver stärker) und können kleine Boxen relativ laut gespielt werden, ohne an deren mechanische Grenzen zu stoßen.

Claims

1. Regelungsverfahren für in Boxen nach offenen Prin zipien eingebaute Lautsprecher, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Analogrechenschaltung mindestens vierter Ord nung sowie ein erster und ein zweiter Regler verwendet wer den,
daß der Analogrechenschaltung die Stellgröße der aus dem Lautsprecher und seinem Verstärker bestehenden Regel strecke zugeführt wird,
daß mittels der Analogrechenschaltung die Augenblicks werte des zu regelnden Lautsprechers ständig als Analogwerte durch Berechnung erzeugt und bereitgestellt werden,
daß mittels des ersten Reglers Abweichungen der Ana logwerte der Analogrechenschaltung von den tatsächlichen Augenblickswerten des Lautsprechers im wesentlichen besei tigt werden,
daß dem zweiten Regler die von Abweichungen bezüglich der Augenblickswerte befreiten Analogwerte der Analogrechen schaltung sowie das Führungssignal zugeführt werden und
daß mittels des zweiten Reglers der Hauptregelkreis geschlossen und die gewünschte Frequenzgangänderung bewirkt wird.

2. Regelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Sensor zur Signalaufnahme eine Ausgangs größe des Lautsprechers direkt am Chassis der Lautsprecher box erfaßt.

3. Regelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Sensor zur Signalaufnahme eine Ausgangs größe des Lautsprechers direkt am Chassis der Lautsprecher box erfaßt und ein weiterer Sensor den von einer Gehäuse öffnung abgestrahlten Schall erfaßt.

4. Regelungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Signalaufnahme ein Sensor im Inneren der Lautsprecherbox verwendet wird.

5. Reglerschaltung für in Boxen nach offenen Prin zipien eingebaute Lautsprecher, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Analogrechenschaltung (6) mindestens vierter Ordnung sowie ein erster (8) und ein zweiter (2) Regler vor gesehen sind,
daß der Analogrechenschaltung (6) die Stellgröße der aus dem Lautsprecher (5) und seinem Verstärker (4) bestehen den Regelstrecke zuführbar ist,
daß mittels der Analogrechenschaltung (6) die Augen blickswerte des zu regelnden Lautsprechers (5) ständig als Analogwerte durch Berechnung erzeugbar und bereitstellbar sind,
daß mittels des ersten Reglers (8) Abweichungen der Analogwerte der Analogrechenschaltung (6) von den tatsäch lichen Augenblickswerten des Lautsprechers (5) im wesent lichen beseitigbar sind,
daß dem zweiten Regler (2) die von Abweichungen bezüg lich der Augenblickswerte befreiten Analogwerte der Analog rechenschaltung sowie das Führungssignal (1) zuführbar sind und
daß mittels des zweiten Reglers (2) der Hauptregel kreis schließbar und die gewünschte Frequenzgangänderung be wirkbar ist.

6. Reglerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der zweite Regler aus mindestens vier Operati onsverstärkern (14 bis 17) und einem Summierer (18) besteht und dem Summierer auch das Führungssignal (1) aufgeschaltet wird.

7. Reglerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ausgang des Summierers (18) als Stellgröße (3) auf den Verstärker (4) geschaltet wird.

8. Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die geregelte Analogrechenschal tung aus mindestens vier Operationsverstärkern (10 bis 13) besteht und daß diese als PT1-Glieder geschaltet sind.

9. Reglerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens ein Eingang der Operationsverstär ker (10 bis 13) mit der Stellgröße (3) beaufschlagt wird.

10. Reglerschaltung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ausgang der Operations verstärker (10 bis 13) mit der Regelgröße des vom Sensor (7) abgegebenen Signales beaufschlagt ist.

11. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ausgang der Operationsverstärker (10 bis 13) als Eingangssignal für einen anderen Operationsverstärker (10 bis 13) dient.

12. Reglerschaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Operationsver stärker (10 bis 13) als Eingangssignale für die Operations verstärker (14 bis 17) aufgeschaltet werden.