DE4100849C2 - Verfahren zum Betreiben eines geregelten elektromechanischen Wandlers, insbesondere Lautsprechers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben ei­ nes geregelten elektromechanischen Wandlers, insbesondere Lautsprechers mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patent­ anspruch 1.

Es ist bekannt, daß sich durch regelungstechnische Maßnahmen sowohl das Einschwingverhalten eines Wandlers als auch der Frequenzgang erheblich verbessern lassen. Die Aus­ lenkung der Membran steigt allerdings bis zur unteren Grenz­ frequenz des Wandlers mit tiefer werdender Frequenz deutlich an - bei einer geschlossenen Lautsprecherbox beispielsweise quadratisch. Dies hat zur Folge, daß ein geregelter Wandler bei tieffrequenten Musikanteilen mit hoher Amplitude sehr schnell an seine mechanischen Grenzen stoßen und zerstört werden kann.

Aus der DE 37 18 337 C2 ist es bekannt, die Auslenkung des Wandlers bei tiefen Frequenzen dadurch zu begrenzen, daß die untere Grenzfrequenz der Ansteuerschaltung in Abhängig­ keit von der Auslenkung der Lautsprechermembran derart ver­ ändert wird, daß die maximal zulässige Auslenkung nicht überschritten wird. Diese Veränderung der unteren Grenzfre­ quenz wird mittels Hochpaßfiltern erreicht, die vor den Re­ gelungskreis als Führungssignalformer geschaltet werden. Bei diesem bekannten Verfahren werden in Abhängigkeit von der Auslenkung der Lautsprechermembran einzelne Hochpässe erster Ordnung in den Signalweg geschaltet, um den Membranhub zu begrenzen. Dies hat den Nachteil, daß mit zunehmendem Ein­ schalten dieser Hochpässe in den Signalweg sich die Ordnung des Systems drastisch vergrößert, was eine Verlangsamung des Einschwingverhaltens des geregelten Wandlers bewirkt. Dies steht im Gegensatz zu dem Anspruch, mit einem geregelten Wandler ein möglichst gutes und dem Musiksignal entsprechen­ des Impulsverhalten zu verwirklichen. Ferner ist diese An­ ordnung nur auf sehr tiefe Frequenzen von etwa 100 Hertz und weniger begrenzt, also auf einen reinen Subwooferbetrieb. Es enthält somit die Möglichkeit, einen Aktivwandler mit dieser Schaltung zu betreiben, dessen Tiefmitteltöner bis etwa 400 Hertz, wie bei einer üblichen Dreiwegebox oder gar bis etwa 3000 Hertz, wie bei einer Zweiwegebox, arbeiten muß.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen wirksamen Schutz gegen die mechanische Überlastung elektro­ mechanischer Wandler zu schaffen. Insbesondere ist es er­ wünscht, das Einschwingverhalten des geregelten Wandlers möglichst wenig zu beeinträchtigen, sondern eher noch zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.

Die Erfindung beruht also auf dem Grundgedanken, di­ rekt die Parameter des Reglers dynamisch so zu verändern daß zum einen eine Übersteuerung des Wandlers ausgeschlossen ist und zum anderen die Systemordnung nicht vergrößert wird, d. h., daß sich das Einschwingverhalten des Wandlers nicht verschlechtert. Mit anderen Worten wird die mechanische Überlastung des Wandlers dadurch vermieden, daß die Pollage des geregelten Systems durch den direkten Eingriff in die Reglerparameter verändert wird. Erfindungsgemäß werden also unmittelbar im Regelkreis Änderungen vorgenommen und das Mu­ siksignal (Führungssignal) bleibt - im Gegensatz zum Stand der Technik - unverformt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf tiefe Frequenzen beschränkt, sondern kann vielmehr auch im Mittel­ ton- oder Hochtonbereich eingesetzt werden. Bei einer sol­ chen Anordnung werden Hochpaßfilter, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, nicht benötigt.

Eines der bevorzugten Anwendungsgebiete sind Wandler in geschlossenen Gehäusen. Es sind aber auch andere Instal­ lationsprinzipien, wie Baßreflex oder Transmissionsline mög­ lich. Die Übertragungsfunktion der Auslenkung der Membran ist bei diesen Prinzipien höherer Ordnung.

Die Erfassung der Auslenkung des Wandlers ist grund­ sätzlich auf verschiedene Weise möglich. Bevorzugt wird die Auslenkung aber mit demselben Sensor erfaßt, welcher für den Betrieb des Regelkreises selbst verwendet wird (Anspruch 2).

Sofern die Auslenkung des Wandlers nicht unmittelbar erfaßt wird, wird (nach Anspruch 3) eine beliebige Ausgangs­ größe des Wandlers gemessen und diese durch einen Meßwertum­ former in eine der Auslenkung proportionale Größe umgewan­ delt.

Es ist aber auch möglich (Anspruch 4), zur Erfassung der Auslenkung des Wandlers eine Analogrechenschaltung zu verwenden, die an ihrem Ausgang ein der Auslenkung des Wand­ lers proportionales elektrisches Signal liefert und deren Eingang mit der Stellgröße U des Regelkreises gesteuert wird und daher zu jedem Zeitpunkt ein der aktuellen Auslen­ kung der Membran entsprechendes elektrisches Signal liefert.

Zwar ist es grundsätzlich möglich, bereits dann den Regelalgorithmus zu verändern, wenn die aktuelle Auslenkung des Wandlers noch recht weit von dem maximal zulässigen Aus­ lenkungsgrenzwert entfernt ist. Vorzugsweise wird der Regel­ algorithmus aber erst ab der Überschreitung eines vorgegebe­ nen Schwellwertes der Auslenkung des Wandlers verändert (An­ spruch 5).

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen, erfindungsgemäß zu ver­ wendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestal­ tung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen be­ sonderen Ausnahmebedingungen, so daß die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung 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 den typischen, frequenzabhängigen Verlauf der Membranauslenkung eines Wandlers im geschlossenen Gehäu­ se für den geregelten und nichtgeregelten Fall. Stand der Technik sind hierbei die beiden gestrichelten Kurven (1a+4a). Die gestrichelte Kurve 4a beschreibt das Verhalten des Wandlers für den nichtgeregelten Fall, die Kurve 1a den für den geregelten Fall. Bisher war es nur möglich, entweder die Kurve 1a oder die Kurve 4a zu realisieren, da bis jetzt im­ mer mit einem festen, nicht veränderbaren Regelalgorithmus gearbeitet wurde. Die Kurve 1a hat natürlich den Vorteil daß der Wandler sehr tiefe Frequenzen mit hoher akustischer Leistung abstrahlen kann und den Nachteil, daß der Wandler sehr schnell an seine mechanischen Auslenkungsgrenzen gelan­ gen kann. Verändert man in Abhängigkeit der Auslenkung der Membran den Regelalgorithmus, so lassen sich beliebige Kur­ ven (beispielsweise Kurven 2a, 3a) zwischen den beiden ge­ strichelten Kurven realisieren und sogar, wenn erforderlich (bei sehr großen Auslenkungen) darüber hinaus (Kurve 5a).

Die verschiedenen Kurven aus Fig. 1 realisiert man da­ durch, daß man die Pole der Wandlerübertragungsfunktion in der linken s-Halbebene mit einem geeigneten Regelalgorithmus verschiebt. Fig. 2 zeigt die Pollagen eines Wandlers, wie sie zu den in Fig. 1 aufgezeichneten Kurven korrespondieren. Die Pollage 4b entspricht dem Wandler im nichtgeregelten Fall, die Pollage 1b für den geregelten Fall ohne Verände­ rung des Regelalgorithmus. Durch geeignete Veränderung des gewählten Regelalgorithmus können nun sämtliche Pollagen auf der reellen Achse (mit Sigma gekennzeichnet) realisiert wer­ den. Natürlich können auch - wenn gewünscht - komplexe Pole realisiert werden; diese führen aber bei einem Wandler zu hörbaren Überschwingern. Je weiter links in der linken s-Halbebene die Pole liegen, desto geringer wird die Auslenkung des Wandlers bei tiefen Frequenzen, da dessen Zeitkonstanten kleiner werden; allerdings wird mit zunehmen­ der Polverschiebung nach links die abgestrahlte akustische Leistung bei tiefen Frequenzen auch kleiner. Daher wählt man zweckmäßigerweise als "Grundpollage" Pole, die sehr nahe an der imaginären Achse (jw) liegen und verschiebt diese erst im Bedarfsfall, also bei Musiksignalen mit hoher Amplitude, die ein mechanisches Anschlagen des Wandlers verursachen würden, weiter nach links. Wird die Amplitude des Musiksig­ nals wieder kleiner, so werden die Pole wieder nach rechts in die linke s-Halbebene bis Grundpollage verschoben.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer bevorzugten Ge­ samtanordnung. Stand der Technik ist dabei der normale Re­ gelkreis, bestehend aus Regelstrecke 3 (Wandler+Verstär­ ker), Signalaufnehmer 4, Regler 5 sowie Führungssignal 1 und Stellgröße 2.

Mit den einstellbaren Verstärkern 13, 14, 15 . . ., die bevorzugt mit Voltage Controlled Amplifier (VCA) realisiert werden, lassen sich direkt die Reglerparameter des Reglers 5, also der Regelalgorithmus verändern. Als Steuersignal für diese Veränderung des Regelalgorithmus dient dazu das vom Sensor 4 abgegebene elektrische Signal, das, wenn es nicht direkt die Auslenkung des Wandlers erfaßt, durch den Meß­ wertumformer 6 in eine der Auslenkung des Wandlers elek­ trische Größe umgeformt wird. Um sowohl negative als auch positive Auslenkungen des Wandlers zu berücksichtigen, wird das Signal durch den Block 7 gleichgerichtet. Wenn es erfor­ derlich ist, erst ab einem Auslenkungsgrenzwert den Regelal­ gorithmus zu verändern, kann die tote Zone 8 in das Steuer­ signal eingeschleift werden. Der Block 9 ermittelt das mo­ mentane Auslenkungsmaximum des Wandlers. Die Blöcke 10, 11, 12 . . . bilden spezielle Funktionen und dienen zur gezielten Parameterveränderung des jeweiligen Reglertyps.

Fig. 4 zeigt die Membranauslenkung eines erfindungsge­ mäß geregelten Wandlers, bei dem in Abhängigkeit der Wand­ lerauslenkung der Regelalgorithmus ab einem Auslenkungs­ grenzwert verändert wurde. Als Testsignal wurde eine Sprung­ funktion anstelle von Musiksignale als Führungssignal 1 (Fig. 3) eingespeist. Diese Sprungfunktion stellt quasi den worst case-Fall für alle Musiksignale dar. Die Zeitfunktion 1c in Fig. 4 zeigt die Membranauslenkung für eine Polkon­ stellation 1b, wie sie aus Fig. 2 hervorgeht. Der Wandler arbeitet hierbei mit der vom Regelkreis vorgegebenen Grund­ pollage und wird nicht in seinem Algorithmus verändert. Ver­ größert man nun die Sprunghöhe des Testsignales, so wird das durch die tote Zone 8 in Fig. 3 vorgegebene Maximum über­ schritten und somit der Regelalgorithmus verändert. Ohne diese Veränderung würde der Wandler sein mechanisches Aus­ lenkungsmaximum erreichen und drohen, zerstört zu werden. Die Zeitfunktionen 2c, 3c, 4c zeigen die Auslenkung des Wandlers, bei dem der Regelalgorithmus verändert wurde. Je größer die Amplitude des Testsignales, desto stärker werden die Reglerparameter verändert, so daß sich die Zeitfunktio­ nen 2c, 3c, 4c der Wandlerauslenkung ergeben. Das mecha­ nische Auslenkungsmaximum wird dabei in keinem Fall über­ schritten. Da die Pole des Wandlers bei der Veränderung des Regelalgorithmus weiter nach links in der linken s-Halbebene verschoben werden und sich die Systemordnung nicht ändert, antwortet das System immer schneller, je größer das Ein­ gangssignal wird. - Dies ist in bezug auf die Wiedergabequa­ lität des Wandlers ein enormer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, da beispielsweise durch das Einschalten von Hochpässen zur Auslenkungsbegrenzung das System immer lang­ samer antworten würde.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben eines geregelten elektrome­ chanischen Wandlers, insbesondere Lautsprechers, bei dem mittels eines Sensors eine Ausgangsgröße des Wandlers, wie Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung od. dgl. gemessen und das Eingangssignal des zu dem Wandler gehörenden Verstärkers mittels der Ausgangsgröße nach Maßgabe eines Regelalgorith­ mus beeinflußt wird und bei dem die Auslenkung des Wandlers erfaßt und in Abhängigkeit von dieser Auslenkung auf das elektromechanisch zu wandelnde Signal derart Einfluß genom­ men wird, daß die maximal zulässige Auslenkung des Wandlers nicht überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelalgorithmus in Abhängigkeit von der Annähe­ rung der Auslenkung des Wandlers an einen vorgegebenen Aus­ lenkungsgrenzwert des Wandlers derart verändert wird, daß die Pole der Wandlerübertragungsfunktion bei zunehmender Annäherung des Wandlers an den Auslenkungsgrenzwert von einer Grundpollage um soviel weiter nach links in der linken S-Halbebene verschoben werden, daß der Auslenkungsgrenzwert des Wandlers nicht überschritten wird, und daß bei zunehmender Entfernung des Wandlers von dem Auslenkungsgrenzwert die Pole wieder nach rechts in der linken S-Halbebene zur Grundpollage hin verschoben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur mittelbaren oder unmittelbaren Erfassung der Auslenkung des Wandlers der Sensor des Regelkreises verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine beliebige Ausgangsgröße des Wandlers gemessen wird und diese durch einen Meßwertumformer in eine der Auslenkung proportionale Größe umgewandelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Auslenkung des Wandlers eine Analogrechenschaltung verwendet wird, die an ihrem Ausgang ein der Auslenkung des Wandlers proportionales elektrisches Signal liefert und deren Eingang mit der Stellgröße U des Regelkreises gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelalgorithmus erst ab der Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes der Auslenkung des Wandlers verändert wird.