DE4112401C2 - Schaltkreisanordnung zum Kompensieren von tieffrequenten und mittelfrequenten Wiedergabecharakteristiken in einem Lautsprechersystem - Google Patents
Schaltkreisanordnung zum Kompensieren von tieffrequenten und mittelfrequenten Wiedergabecharakteristiken in einem LautsprechersystemInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Lautsprecherbetriebssystem und insbesondere auf eine
Schaltkreisanordnung zur Kontrolle eines Schwingungs
systems in einem Lautsprecher.
Üblicherweise wird in Ton- und Bildsignalverarbeitungs
systemen, die eine digitale Signalverarbeitung von
akustischen oder Tonsignalen ausführen, ein
Frequenzbereich zwischen 20 Hz und 20 kHz verwendet. In
letzter Zeit hat sich die digitale Signalverarbeitungs
technik dahingehend entwickelt, verglichen mit der
analogen Signalverarbeitungstechnik, einen breiteren
dynamischen Bereich und einen breiteren Kennlinienbereich
miteinzubeziehen. Daher kann das ursprüngliche
Eingangssignal in einem Signaleingangsteil, einem
Signalverarbeitungsteil und einem Verstärkerteil eines
Ton- und Bildsignalverarbeitungssystems zuverlässiger
verarbeitet und verstärkt werden. Nachteiligerweise
entspricht die Fähigkeit zur Tonwiedergabe des
Lautsprechers, welche die menschliche Hörfähigkeit
dominant beeinflußt, noch nicht den Erwartungen.
Heutzutage gibt es bei Lautsprechersystemen Dreiwegetypen,
welche einen Hochtonlautsprecher für die Hochfrequenz
tonwiedergabe, einen Mitteltonlautsprecher für die
Mitteltonfrequenzwiedergabe und einen Tieftonlautsprecher
für die Niedertonfrequenzwiedergabe verwenden, und es gibt
Zweiwegetypen, welche den Hochtonlautsprecher und den
Tieftonlautsprecher verwenden. Um die Niederfrequenz
charakteristiken eines Tieftonlautsprechers zu verbessern,
sollte die niedrigste Resonanzfrequenz auf die
Niederfrequenz gesetzt werden. In diesem Fall muß der
Durchmesser der Schwingungsplatte groß sein, um die
Niederfrequenzcharakteristiken zu verbessern. Wenn jedoch
der Durchmesser der Schwingungsplatte, wie oben
ausgeführt, groß gemacht wird, wird das Volumen des
Lautsprechersystems ebenfalls groß und begrenzt daher die
Installationsmöglichkeiten. Dementsprechend weisen kleine
Lautsprechersysteme den Nachteil auf, daß das
niederfrequente Tonsignal aufgrund des kleinen Volumens
des Lautsprechers selbst bei Erhalt eines Tonsignals mit
hoher Qualität nicht in ausreichender Qualität
wiedergegeben werden kann. Jedoch führt auch die oben
genannte Methode, die die Wiedergabecharakteristiken der
Niederfrequenzkomponente eines Tonsignals durch Änderung
des Durchmessers der Schwingungsplatte des Lautsprecher
systems verbessert, nicht zu optimalen Ergebnissen.
Aus ntz-Archiv, Band 3, 1981, Heft 11, S. 313-316 ist es bekannt, daß
eine Erniedrigung der unteren Grenzfrequenz durch
Rückkopplung sowohl der Beschleunigungs- als auch der
Geschwindigkeitskomponente des Ausgangssignals erreicht
werden kann. Jedoch tritt bei dem darin beschriebenen
System zwangsläufig eine Verschlechterung der
Resonanzschärfe auf.
Aus "Radio-Fernsehen-Elektronik", 30, 1981, Heft 1, S. 45-48 ist
bekannt, bei elektrodynamischen Wandlern eine
Beschleunigungsgegenkopplung vorzusehen.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Schaltkreis anzugeben, mit dem die Wiedergabecharakteristik
von Lautsprechersystemen insbesondere im tiefen und
mittleren Frequenzbereich verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1
gelöst.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie
diese ausgeführt werden kann, wird nun beispielhaft auf die
beiliegenden schematischen Zeichnungen hingewiesen. Hierbei
stellen dar:
Fig. 1 ein Blockdiagramm des Wiedergabesystems zur Kompensierung
der Bewegung eines Schwingungssystems des Lautsprechers
gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A ein entsprechendes Schaltkreisschema einer unendlichen
Schallwand;
Fig. 2B ein entsprechendes Schaltkreisschema des Lautsprechers;
Fig. 2C ein entsprechendes Schaltkreisschema für die mechanische
Impedanz des Schaltkreises nach Fig. 2B;
Fig. 2D ein weiteres entsprechendes Schaltkreisschema des
Schaltkreises nach Fig. 2C;
Fig. 2E ein widerstandsentsprechendes Schaltbildschema des
Schaltkreises nach Fig. 2D;
Fig. 3 ein Schema eines Schaltkreises zum Nachweis der Bewegung
eines Schwingungssystems des Lautsprechers
gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein detailliertes Schaltkreisschema des Schaltkreises
nach Fig. 1;
Fig. 5A bis 5J sind Wellenformen von jedem Teil des Schaltkreises
nach Fig. 4, wobei in Fig. 5A bis 5D Frequenzcharakteristiken
gegenüber der dynamischen Impedanz dargestellt
sind und in den Fig. 5E bis 5J Wellenformdiagramme
der Frequenzcharakteristiken gegenüber der
nachgewiesenen Spannung dargestellt sind.
Zur besseren Erläuterung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel
beschrieben, bei welchem die niedrigste Resonanzfrequenz
f₀ zum Niederfrequenzband hin verschoben ist und
gleichzeitig die Resonanzschärfe Q₀ kompensiert ist, um die
Niederfrequenzcharakteristik des Lautsprechers zu verbessern.
Um die Charakteristik des Lautsprechers selbst, wie oben
beschrieben, zu kompensieren, ist es in diesem Fall notwendig,
die Bewegung des Schwingungssystems durch Nachweis der Bewegung
des Schwingungssystems und dann durch Zurückkoppeln
der nachgewiesenen Bewegung auf das Schwingungssystem zu
kontrollieren. Das Schwingungssystem des Lautsprechers hat
eine Vielzahl von Widerstandskomponenten, wie zum Beispiel
eine Schwingspule, kegelförmiges Papier und Durchführungen,
und das Wiedergabevermögen eines Lautsprechers hängt stark
vom Schwingungssystem ab. Deshalb wird, wenn der Lautsprecher
in Betrieb ist, ein Geschwindigkeitssignal der dynamischen
Impedanz des Schwingungssystems in ein Beschleunigungssignal
umgewandelt, um die niedrigste Resonanzfrequenz f₀ zum Niederfrequenzband
hin zu verschieben und ein Geschwindigkeitsumwandlungsvorgang
wird ausgeführt, um die Leistungsfähigkeit
des Lautsprechers zu verbessern nachdem die dynamische Impedanz
von der Bewegung des Schwingungssystems nachgewiesen ist. Und
dann wird eine Signalvermischung ausgeführt durch ein
negatives Zurückkoppeln eines beschleunigungskonvertierten
Wertes gemäß der Bewegung des Schwingungssystems des Lautsprechers
und einem positiven Zurückkoppeln des geschwindigkeitskonvertierten
Wertes und dann wird das vermischte Signal
erneut gemischt mit dem am Lautsprecher anliegenden Tonsignal.
Deshalb kann der Lautsprecher ein Tonsignal wiedergeben, bei
welchem die Bewegung des Schwingungssystems des Lautsprechers
kompensiert ist, was eine bessere Wiedergabe des ursprünglichen
Tonsignals ermöglicht.
Bezugnehmend auf die Fig. 2A bis 2E für eine detailliertere
Ansicht der Charakteristiken des Lausprechers ist in Fig. 2A
ein Schema eines entsprechenden Schaltkreises dargestellt,
wobei ein kegelförmiger Lautsprecher als unendliche Schallwand
angenommen wird und eine regulierbare Wechselspannung E
am Lautsprecher angelegt ist, dessen innere Impedanz zu
diesem Zeitpunkt "0" ist. Sei RE [Ω] der ohmsche Widerstand der
Schwingspule, LE [H] die Induktivität der Schwingspule und
ZE [Ω] die Impedanz der Schwingspule, dann ist
ZE = RE + jωLE2. (1)
Hierbei ist die Klemmspannung E der Schwingspule dargestellt
durch Addition des Spannungsabfalls aufgrund von ZE mit der
elektromotorischen Kraft, welche durch die Bewegung des
Schwingungssystems des Lautsprechers erzeugt wird, und der
gesamte Wechselstromwiderstand ZSP [Ω] des Lautsprechers kann in
der Gleichung (2) wie folgt ausgedrückt werden:
Hierbei bedeutet E eine an den Lautsprecher angelegte Spannung,
I elektrischer Strom, Y inverser Koeffizient, V Geschwindigkeit
(m/sec) der Schwingspule, F elektromotorische Kraft und ZM
Impedanz des mechanischen Systems. Weiterhin, sei B [wb/m²]
magnetische Flußdichte des magnetischen Luftwegs und l [m]
die Länge der Schwingspule, dann kann ein Ausdruck wie in der
folgenden Gleichung (3) dargestellt beschrieben werden:
Y = B · l,
E = Y · V,
Hierbei ist der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung
(2) die Impedanz, welche vom Schwingungssystem erzeugt
wird. Und sei die dynamische Impedanz davon durch ZEM dargestellt,
dann läßt sich ein Ausdruck, wie in der folgenden
Gleichung (4) beschrieben, darstellen:
Der entsprechende Schaltkreis, betrachtet an den Anschlußpunkten
der Schwingspule, kann als ein Serienschaltkreis dargestellt
werden, wobei die Impedanz ZE des Lautsprechers
selbst und die dynamische Impedanz ZEM wie in Fig. 2B gezeigt
in Serie geschaltet sind.
Fig. 2C ist ein Schema, wobei der entsprechende Schaltkreis
des Lautsprechers gemäß Fig. 2B als ein entsprechender Schaltkreis
des mechanischen Systems des ganzen Schwingungssystems
dargestellt ist. Hierbei soll die Masse der Schwingspule durch
MM1 [kg] dargestellt sein, die Masse des Lautsprecherkegels
durch MM2 [kg] dargestellt sein; die Strahlungsmasse durch
MMA [kg] dargestellt sein, der mechanische Widerstand des
ganzen Schwingungssystems durch RMS (mechanisch Ω) dargestellt
sein, der Strahlungswiderstand durch RMA (mechanisch Ω) dargestellt
sein und die Steifheit des ganzen Schwingungssystems
durch SM [N/m] dargestellt sein. Dann können Ausdrücke (5) bis
(8) aufgestellt werden und jede Komponente ist parallel geschaltet.
Nun kann das Schema von Fig. 2C in ein neues Schema der Fig. 2D
transformiert werden, falls es als ein elektrisch entsprechender
Schaltkreis beschrieben wird.
In Fig. 2D kann die dynamische Impedanz ZEM dargestellt werden
als eine Serienschaltung von RE [Ω], LE [H], RM [Ω] und LM [H]
falls durch RM [Ω] und LM [H] ausgedrückt, und der LE [Ω]-Wert
der Schwingspule ist so klein, daß er in einem Niederfrequenzband
vernachlässigt werden kann. Der entsprechende Schaltkreis
der dynamischen Impedanz wie in Fig. 2D kann, wie in Fig. 2E
dargestellt, vereinfacht werden, falls er als eine einzige
Impedanz beschrieben wird. Folglich kann die Impedanz ZSP des
ganzen Lautsprechers als RE+RM+jωLM ausgedrückt werden.
Weiterhin kann die dynamische Impedanz ZEM des Schwingungssystems
des Lautsprechers ausgedrückt werden als RM+jωLM.
Deshalb kann der Lautsprecher, wenn ein Tonsignal durch den
Lautsprecher wiedergegeben wird, eine gewünschte Tonwiedergabecharakteristik
des Niederfrequenzbandes haben, indem die
dynamische Impedanz ZEM nachgewiesen wird, welche von dem
Schwingungssystem des Lautsprechers erzeugt wurde, und dann
die Bewegung des Schwingungssystems durch Zurückkopplung der
nachgewiesenen dynamischen Impedanz kontrolliert wird.
Um die Niederfrequenzbandcharakteristik des Lautsprechers
durch Benutzen der BRK (Bewegungs-Rück-Kopplung), wie oben
beschrieben, zu verbessern, wird die Charakteristik der
niedrigsten Resonanzfrequenz f₀ dadurch verbessert, daß das
Geschwindigkeitssignal der dynamischen Impedanz ZEM in ein
Beschleunigungssignal umgewandelt und dann negativ zurückgekoppelt
wird, und die Resonanzschärfe Q₀ wird verbessert
und positiv zurückgekoppelt, um die Leistungsfähigkeit des
Lautsprechers durch Umwandlung des Geschwindigkeitssignals
der dynamischen Impedanz ZEM zu verbessern.
Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 3 wird der Vorgang nun
genauer betrachtet, bei welchem die Niederfrequenzbandcharakteristik
des Lautsprechers durch Nachweis der dynamischen
Impedanz ZEM des Lautsprechers und Zurückkopplung der
nachgewiesenen dynamischen Impedanz ZEM des Lautsprechers
verbessert wird.
In dem Brückenschaltkreis 20 werden Tonsignale aus einem
Ausgangsverstärker 10 als ein erstes Signal EB durch
Spannungsteilung aufgrund von Widerständen RA und RB und
als ein zweites Signal ES durch Spannungsteilung aufgrund
eines Lautsprechers 1 und eines Widerstands RC hergestellt.
Hierbei gibt der Lautsprecher 1 das eingegebene Tonsignal
als Hörschall wieder, und im Lautsprecher 1 gibt es eine
eigene Eingangsimpedanz des Lautsprechers selbst und eine
dynamische Impedanz ZEM, welche durch die Bewegung des
Schwingungssystems entsteht. Im Brückenschaltkreis 20
wird ein Widerstandswert eines Widerstandes R4 so gesetzt,
daß er den gleichen Wert wie der eigene Impedanzwert des
Lautsprechers 1 hat, und die Widerstände RB und RC werden
so gesetzt, daß sie den gleichen Impedanzwert haben, um
die dynamische Impedanz des Lautsprechers 1 nachzuweisen.
Folglich wird im Brückenschaltkreis 20, wenn das Widerstandsverhältnis
von RA : RB=(eigener Eingangswiderstand des Lautsprechers) : RC
ist, das erste Signal EB als eigenes Eingangstonsignal
ein Referenzsignal, um die dynamische Impedanz ZEM
nachzuweisen, und das zweite Signal als Tonsignal, welches
durch den Lautsprecher 1 wiedergegeben wird, wird ein Signal
für die dynamische Impedanz. Und wenn das zweite Signal ES
vom ersten Signal EB durch einen Differentialverstärker 30
subtrahiert wird, wird eine Signaldifferenz der beiden Signale
erzeugt und die Signaldifferenz wird eine Spannung ED
proportional zu der dynamischen Impedanz ZEM wie in Fig. 3
dargestellt. Das heißt, wenn Brückenabgleich gemacht wird,
wobei eine durch die eigene Eingangswiderstandskomponente
RE des Lautsprechers 1 erzeugte Frequenz benutzt wird, dann
wird der Ausgang des Differentialverstärkers 30 eine Spannung
proportional zur dynamischen Impedanz ZEM, welche durch die
Bewegung des Schwingungssystems einschließlich der Schwingspule
beim Niederfrequenzband erzeugt wird. Hierbei wird der
Ausgang des Differentialverstärkers 30 ED=I (RM+jωLM).
Die nachgewiesene Spannung ED kann dargestellt werden durch
den Ausdruck (9):
B ist die Verstärkung des Differentiators 42 und des ersten
Tiefpaßfilters.
Wenn in dem Ausdruck (9)
ist, kann die nachgewiesene
Spannung ED wie im Ausdruck (10) gezeigt dargestellt
werden:
Im Ausdruck (10) wird das Verhältnis zwischen der nachgewiesenen
Spannung ED und einer gemäß der Bewegung des Schwingungssystems
erhaltenen Spannung ein Verhältnis von einem inversen
Koeffizienten (Y=B · l) des Lautsprechers 1 zu einem
Nachweisschaltkreis und ein Ausdruck ED/E wird eine Rückkopplungsspannungsverstärkung
eines Mittel- und Niederfrequenzbandtonwiedergabelautsprechers.
Als nächstes werden das BRK (Bewegungs-Rück-Kopplung) Verfahren
und Charakteristiken der nachgewiesenen Spannung nachfolgend
beschrieben. Eingangsspannung des Ausgangsverstärkers
10, niedrigste Resonanzfrequenz und Abstimmresonanzschärfe Q
werden bezeichnet als Ei, f₀ (Hz) und Resonanzschärfe Q₀ entsprechend,
und f₀ (Hz) und Resonanzschärfe Q₀ nach Rückkopplung
werden entsprechend als f′₀ (Hz) und Resonanzschärfe Q′₀ bezeichnet.
Weiterhin werden die Verstärkung des Ausgangsverstärkers
10 und die Verstärkung des Rückkopplungschaltkreises als
A und B bezeichnet.
Zuerst wird der Beschleunigungsumwandlungsvorgang an einem
Beschleunigungsumwandler 40 ausgeführt, sobald die dynamische
Impedanz ZEM durch einen Differentialverstärker 30 erhältlich
ist. Um das Geschwindigkeitssignal in das Beschleunigungssignal
umzuwandeln wird ein Schaltkreis mit Differenziercharakteristiken
dem Beschleunigungsumwandler hinzugefügt,
was einen Rückkopplungsschaltkreis ergibt.
Und eine Spannung mit dynamischer Phase (d. h. differentielle
Spannung) proportional zur Beschleunigung wird durch Differenzieren
des Geschwindigkeitssignals, welches als dynamische
Impedanz ZEM nachgewiesen wird, der Bewegung des Schwingungssystems
des Lautsprechers 1 erzeugt. Das heißt, im Beschleunigungsumwandler
40 wird das Geschwindigkeitssignal, welches
am Differentialverstärker 30 gemäß der dynamischen Impedanz
ZEM des Lautsprechers 1 nachgewiesen wird, durch einen ersten
Tiefpaßfilter 41 zum Niederfrequenzband gefiltert, für welches
die BRK auszuführen ist, und dann wird das tiefpaßgefilterte
Geschwindigkeitssignal differenziert, um durch
den Differentiator 42 in ein Beschleunigungssignal umgewandelt
zu werden. Hierbei sei im Fall einer negativen Rückkopplung
der Beschleunigung eine Schleifenverstärkung A₁₁,
dann ergibt sich der unten gezeigte Ausdruck (11) und die
gesamte Verstärkung A₀ wird wie im Ausdruck (12) gezeigt
dargestellt.
Durch Differenzieren der Ausdrücke (11) und (12) wird das
Beschleunigungssignal V₁ (m/sec), welches durch den Differentiator
42 ausgegeben wird, wie in dem nachfolgenden
Ausdruck (13) dargestellt:
Und wenn D₁ den gemäß dem Ausdruck (13) erzeugten Differenzwert
der Rückkopplungsgröße der Beschleunigung darstellt,
dann ergibt sich der unten aufgeführte Ausdruck (14), und
die Resonanzschärfe Q′₀ und die niedrigste Resonanzfrequenz
f′₀ nach Rückkopplung werden in den nachstehenden Ausdrücken
(15) und (16) entsprechend dargestellt:
Folglich ist die niedrigste Resonanzfrequenz f₀ um
zum Ausgang des Ausgangsverstärkers 10 erniedrigt, welcher
durch das Beschleunigungssignal, das durch den Beschleunigungsumwandler
rückgekoppelt wird, am Lautsprecher 1 angelegt
ist, die Resonanzschärfe ist mal vergrößert und
der Schallpegel ist erniedrigt um 20 log D₁ [dB]. Deshalb
ist es verständlich, daß die niedrigste Resonanzfrequenz f₀
um zum niederen Frequenzband hin verschoben wird, indem
das dynamische Impedanzsignal, welches durch die Bewegung
des Schwingungssystems des Lautsprechers 1 erzeugt wird, in
ein Beschleunigungssignal umgewandelt wird, so daß der
Lautsprecher 1 Niederfrequenzen des Tonsignals voll wiedergeben
kann.
Nach Durchgang durch den Beschleunigungsumwandler 40 vergrößern
sich die Resonanzschärfe Q₀ Charakteristiken D₁mal
und es ist für den Fachmann verständlich, daß die Resonanzschärfe
Q₀ passend sein sollte, um eine verbesserte Leistungsfähigkeit
des Lautsprechers bei Wiedergabe eines Tons zu
haben. Deshalb werden die Charakteristiken der Resonanzschärfe
Q₀, welche am Beschleunigungsumwandler 40 mal
verstärkt wurden, in einem Geschwindigkeitsumwandler 50
kompensiert. Die nachgewiesene Spannung, welche durch den
Differentialverstärker 30 ausgegeben wird, ist eine Spannung
proportional zur Geschwindigkeit gemäß der Bewegung des
Schwingungssystems des Lautsprechers 1. Der Geschwindigkeitsumwandler
50 führt eine Geschwindigkeitsumwandlungsfunktion
aus, um die Resonanzschärfe geeignet anzupassen, indem ein
zweiter Tießpaßfilter 51 verwendet wird. Hierbei wird die
Cut-off-Frequenz des zweiten Tiefpaßfilters 51 auf einen
Wert gesetzt, der eine maximale Niederfrequenz mit einschließt,
welche innerhalb eines gewünschten Niederfrequenzbereichs
liegt, aber sie ist noch unfähig zu schwingen.
Weiterhin wird das erste Signal EB, welches ein Referenzsignal
ist, durch den Hochpaßfilter hochpaßgefiltert, so
daß kein Einfluß auf das Hochfrequenzbandtonsignal während
des Vorgangs der Geschwindigkeitsumwandlung besteht.
Bei einer näheren Betrachtung des Vorgangs der Geschwindigkeitsumwandlung
sei die Schleifenverstärkung im Fall einer
positiven Rückkopplung der Geschwindigkeit A₁₁, die Schleifenverstärkung
A₁₁ kann dann wie im nachstehenden Ausdruck
(17) dargestellt werden, und die gesamte Verstärkung A₀ kann
dann wie im nachstehenden Ausdruck (18) dargestellt werden:
Hierbei wird der Wert der Geschwindigkeit V₂ (m/sec), welcher
vom zweiten Tiefpaßfilter ausgegeben wird, durch die Ausdrücke
(17) und (18), wie im nachstehenden Ausdruck (19)
ausgeführt, dargestellt:
Folglich kann der Differenzwert D₂ der Geschwindigkeitsrückkopplungsgröße,
welcher in Übereinstimmung mit dem Ausdruck
(19) erzeugt wird, dargestellt werden als der folgende
Ausdruck (20), und die Resonanzschärfe Q′₀ und die niedrigste
Resonanzfrequenz f′₀ nach Rückkopplung kann durch die
folgenden Ausdrücke (21) und (22) dargestellt werden.
Folglich bleibt am Ausgang des Geschwindigkeitsumwandlers
50 die Resonanzfrequenz f₀ und der Schalldruckpegel unverändert
und die Resonanzschärfe Q₀ verringert sich um .
Deshalb wird die Resonanzschärfe Q₀ bei der niedrigsten
Resonanzfrequenz f′₀ durch den zweiten Tiefpaßfilter 51 verringert
sein. Das heißt, der Geschwindigkeitsumwandlungsvorgang
kompensiert die Resonanzschärfe Q₀ bei der niedrigsten
Resonanzfrequenz f′₀, konvertierbar im Beschleunigungsumwandlungsvorgang.
Weiterhin hochpaßfiltert der Hochpaßfilter
52, in welchen das erste Signal EB eingespeist ist,
das Hochfrequenzbandtonsignal, damit das Tonsignal nicht
durch die Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-BRK-Operationen
beeinflußt wird. In diesem Fall ist es vorteilhaft
für die Cut-off-Frequenzen des zweiten Tiefpaßfilters 51
und des Hochpaßfilters 52 daß sie gleich sind, oder falls
sie nicht gleich sind, wird die Cut-off-Frequenz des Hochpaßfilters
52 nicht größer als 15%, bezogen auf die Frequenz,
von derjenigen des zweiten Niederpaßfilters 51, gesetzt werden.
Die Ausgänge des zweiten Niederpaßfilters 51 und des Hochpaßfilters
52 werden zuerst in einem Mischer 53 gemischt.
Dann ist der Ausgang des Mischers 53 ein kompensiertes
Signal, so daß die Resonanzschärfe Q₀ bei der niedrigsten
Resonanzfrequenz f₀ während Rückkopplung kompensiert
wird, und kein Einfluß auf das Hochfrequenzbandtonsignal
besteht.
Der Ausgang des Mischers 53 und die niedrigste Resonanzfrequenz
f₀, deren Niederfrequenzband im Differentiator 42
verschoben wird, werden in einem Mischer 61 gemischt, und
dann ist der Ausgang des Mischers 61 in solch einem Zustand,
daß die niedrigste Resonanzfrequenz f₀ für das Niederfrequenzband
kompensiert wird und gleichzeitig wird die Resonanzschärfe Q₀
passend kompensiert und das Hochfrequenzbandtonsignal
wird stabilisiert, so daß kein Einfluß auf
das Hochfrequenzband des Tonsignals bestehen kann, was
gleichzeitig von Rückkopplungsoperationen vorgesehen wird.
Der Ausgang des Mischers 61 wird wieder mit dem Tonsignal,
welches am Lautsprecher 1 anliegt, in einem Mischer 62 gemischt.
Deshalb ist die niedrigste Resonanzfrequenz f₀
des empfangenen Tonsignals für das Niederfrequenzband kompensiert
und gleichzeitig ist die Resonanzschärfe Q₀ passend
kompensiert bevor sie an den Ausgangsverstärker 10 angelegt
ist und kein Einfluß besteht auf das Hochfrequenzbandtonsignal.
Der Ausgangsverstärker 10 verstärkt das Tonsignal aus dem
Mischer 62 derart, daß das verstärkte Tonsignal an die
Wiedergabecharakteristik des Lautsprechers 1 angepaßt ist.
Folglich wird das Tonsignal auf seinem Hochfrequenzband
nicht beeinflußt. Da jedoch die dynamische Impedanz ZEM
am Niederfrequenzband gemäß der Bewegung des Schwingungssystems
des Lautsprechers 1 kompensiert wurde, kann der
Lautsprecher 1 die Niederfrequenzbandkomponente des Tonsignals
gemäß dem ursprünglichen Tonsignal voll wiedergeben,
so daß der wiedergegebene Niederfrequenzbandton
näher am Originalton liegt.
Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Blockdiagramms von
Fig. 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, welches die Zusammensetzung
eines Zweiwegtyplautsprechers zeigt, der einen
Tieftonlautsprecher und einen Hochtonlautsprecher benutzt,
und es ist für den Fachmann verständlich, daß der Tieftonlautsprecher
SP1 dem Lautsprecher 1 der Fig. 1 entspricht.
Weiterhin zeigt Fig. 5 Betriebswellenformen in jedem Teil
des Schaltkreises nach Fig. 4, wobei Fig. 5A bis 5D Steuerungsdiagramme
sind, welche die Frequenzcharakteristik
gegen die dynamische Impedanz zeigen, und die Fig. 5E bis
5J Steuerungsdiagramme sind, welche die Frequenzcharakteristik
gegen die nachgewiesene Spannung zeigen.
Zuerst ist anzunehmen, daß in dem Fall, wo keine BRK-Operation
ausgeführt wird, die Impedanz des Tieftonlautsprechers
SP1 eine Charakteristik wie in Fig. 5A hat, bei welcher der
Referenzcharakter f₀ die niedrigste Resonanzfrequenz des
Tieftonlautsprechers SP1 ist und der Referenzcharakter f
die durch die Durchführung erzeugte Resonanzfrequenz ist.
Nun zum Betriebsprozeß der vorliegenden Erfindung mit Hinblick
auf die Fig. 4 und 5. Die Eingangstonsignalspannung
Ei wird in einem Operationsverstärker OP1 des Ausgangsverstärkers
10 auf verstärkt und an den Brückenschaltkreis
20 angelegt. Ein positiver Anschlußpunkt des Tieftonlautsprechers
SP1 ist mit einem Ausgangsanschlußpunkt
des Operationsverstärkers OP1 verbunden und ein negativer
Anschlußpunkt des Tieftonlautsprechers SP1 ist mit einem
Nachweiswiderstand R5 verbunden. Folglich wird die Ausgangsspannung
E des Operationsverstärkers OP1 an den positiven
Anschlußpunkt des Tieftonlautsprechers SP1 angelegt, und
eine Referenzspannung wird als ein erstes Signal EB durch
einen variablen Widerstand VR1 und den Widerstand R₄ erzeugt,
und eine Vergleichsspannung des Tieftonlautsprechers
SP1 einschließlich dynamischer Impedanz wird als ein
zweites Signal ES durch den Tieftonlautsprecher SP1 und
den Nachweiswiderstand R5 erzeugt. Das Verhältnis von
VR1 : R4=RE (eigener Eingangswiderstand des Tieftonlautsprechers
SP1) : R₅ wird nach den vorhergehend beschriebenen
Bedingungen durch Anpassen des variablen Widerstandes
VR1 gesetzt. Deshalb wird das erste Signal EB eine Referenzspannung,
welche man durch Dividieren der Ausgangsspannung
des Operationsverstärkers OP1 mittels des variablen Widerstandes
VR1 und des Widerstandes R₄ erhält. Das zweite Signal
ES wird eine Vergleichsspannung, welche die dynamische Impedanz
beinhaltet, die durch Bewegung eines Schwingungssystems
des Tieftonlautsprechers SP1 erzeugt wird. Ein Operationsverstärker
OP2, an welchem an einem nicht inversen Anschlußpunkt
und an einem inversen Anschlußpunkt das erste Signal EB
und das zweite Signal ES entsprechend angelegt sind, erzeugt
den Differenzwert (ED=EB-ES) der zwei Spannungen. Die Differenzspannung
ED ist proportional zur Bewegung des Schwingungssystems
des Tieftonlautsprechers SP1 (d. h., eine Spannung
proportional zur dynamischen Impedanz ZEM). Die Differenzspannung
ED aus dem Operationsverstärker OP2 sieht wie in
Fig. 5E dargestellt aus. Die Differenzspannung ED wird in Termen
von an einem Operationsverstärker OP3 verstärkt und
dann an den ersten Tiefpaßfilter 41 und den zweiten Tiefpaßfilter
51 angelegt.
Als nächstes wird der Vorgang der Beschleunigungsumwandlung
beschrieben. Der Tiefpaßfilter 41 erhält die Spannungsdifferenz
ED proportional zur Bewegung des Schwingungssystems des
Tieftonlautsprechers SP1, um ein gewünschtes Niederfrequenzband
des Eingangstonsignals zu filtern. Der erste Tiefpaßfilter
41 ist von einem 3-dB-Filter, dessen Cut-off-Frequenz
auf 220 Hz gesetzt ist. Folglich zeigt die Spannungsdifferenz
ED aus dem ersten Tiefpaßfilter 41 die Charakteristik wie in
Fig. 5F dargestellt, und hierin bekommt die Spannungsdifferenz
ED eine Spannungscharakteristik proportional zur Bewegung des
Schwingungssystems des Tieftonlautsprechers SP1 beim gewünschten
Frequenzband unterhalb 220 Hz. Der Ausgang des ersten Tiefpaßfilters
41 wird an den Differentiator 42 angelegt, welcher
die Struktur eines Hochpaßfilters mit einer Cut-off-Frequenz
von 484 Hz hat.
Angenommen ein Bezugsbuchstabe A stelle eine Verstärkung des
Ausgangsverstärkers 10 dar, welche durch den Operationsverstärker
OP1 erreicht wird, und ein Bezugsbuchstabe B stelle
eine Verstärkung des ersten Tiefpaßfilters 41 und des Differenziators
42 dar, dann lautet die Schleifenverstärkung A₁₁,
deren Wert durch negative Rückkopplung des durch den Differenziator
42 erzeugten Beschleunigungssignals erreicht wird,
wie im Ausdruck (11) dargestellt und die gesamte Verstärkung
A₀ lautet wie im Ausdruck (12) dargestellt. Deshalb kann die
Beschleunigung durch den Ausdruck (13) errechnet werden. Da
das Beschleunigungssignal negativ zurückgekoppelt wird, um
zu dem Eingangssignal Ei hinzuaddiert zu werden, wird die
niedrigste Resonanzfrequenz f₀ nach f′₀ verschoben und die
Resonanzschärfe Q₀ wird nach der Beschleunigungsumwandlung
durch das Differenzsignal D₁, welches eine Differenz der
Größe der Beschleunigungsrückkopplung ist, nach Q′₀ umgewandelt.
Wie in den Ausdrücken (15) und (16) dargestellt, wird
die niedrigste Resonanzfrequenz f₀ um vermindert und
die Resonanzschärfe Q₀ wird mal vergrößert. Das heißt,
wie in Fig. 5B dargestellt, man weiß von den Zuständen vor
und nach der Beschleunigungsumwandlung gemäß der Charakteristiken
der dynamischen Impedanz, daß die niedrigste Resonanzfrequenz
f₀ zum Niederfrequenzband hin um erniedrigt ist.
Wenn die Beschleunigungsumwandlung zu diesem Zeitpunkt ausgeführt
wird, so werden die Charakteristiken der Resonanzschärfe
Q₀ vergrößert sein. Deshalb wird der Geschwindigkeitsumwandlungsvorgang
ausgeführt, um die Resonanzschärfe Q₀
zu vermindern. Zusätzlich wird der zweite Tiefpaßfilter 51,
an welchem die Spannungsdifferenz ED anliegt, gesetzt, um
die Cut-off-Spannung bei einem Level von 191 Hz wie in Fig. 5H
dargestellt zu haben, um die Resonanzschärfe Q′₀ zu kompensieren,
welche im Kompensationsvorgang der niedrigsten Resonanzfrequenz
f₀ umgewandelt wird. Das heißt, im zweiten Tiefpaßfilter
51 können die Kondensatoren C4 und C5, Cut-off-Frequenz
fc3 und die Resonanzschärfe Q₀, wie in den Ausdrücken
(23) bis (26) gezeigt, dargestellt werden. Hierbei,
R16=R17=R.
Wenn die Cut-off-Frequenz fc3 des zweiten Tiefpaßfilters 51
auf 191 Hz gesetzt wird, wird die Ausgabe eines Operationsverstärkers
OP6 wie in Fig. 5H dargestellt, und in solch
einem Fall wird die Resonanzschärfe Q₀ . Zusätzlich
wird die Cut-off-Frequenz fc4 des Hochpaßfilters 52, welcher
das erste Signal EB erhält, auf 193 Hz gesetzt, die Cut-off-Frequenz
fc4 ist zum Errichten eines spezifischen Bandes zum
Stabilisieren des Hochfrequenzbandes des Signaleingangs Ei.
Im Hochpaßfilter 52 sind die Widerstände R18 und R19,
Cut-off-Frequenz fc4 und die Resonanzschärfe Q₀, wie in den
folgenden Ausdrücken (27)-(30) gezeigt, dargestellt.
Deshalb ist, falls die Cut-off-Frequenz fc4 des Hochpaßfilters
52 193 Hz ist, die Ausgabe des Operationsverstärkers
OP7 wie in Fig. 5I dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird
die Resonanzschärfe Q₀ . Die Ausgabe des Hochpaßfilters
52 wird am Knotenpunkt 53 gemischt und wie in Fig. 5J dargestellt
ausgegeben. Bezogen auf die Spannungscharakteristik
des gemischten Signals gemäß Fig. 5J im Hinblick auf die
Impedanzcharakteristik kann die Spannungscharakteristik wie
in Fig. 5C gezeigt dargestellt werden. In der Zeichnung ist
zu beachten, daß die niedrigste Resonanzfrequenz f₀ sich
nicht ändert, aber daß sich die Charakteristik der Resonanzschärfe
Q₀ ändert. Das heißt, wie im Ausdruck (20) dargestellt,
wenn die Spannung proportional zur Bewegung des
Schwingungssystems des Tieftonlautsprechers SP1 umgewandelt
wird, dann vermindert sich die Resonanzschärfe Q₀ um
beim Niederfrequenzband und die Tonsignaleingabe wird kompensiert,
wobei sie beim Hochfrequenzband durch die Rückkopplungsoperation
nicht geändert wird. Das gemischte Signal
gemäß Fig. 5J wird in einem Operationsverstärker OP8 verstärkt.
Das geschwindigkeitsumgewandelte Signal und das beschleunigungsumgewandelte
Signal werden an einem Knotenpunkt 61 gemischt,
um die Charakteristik der niedrigsten Resonanzfrequenz
f₀ und der Resonanzschärfe Q₀ des Niederfrequenzbandes
zu kompensieren. Das Hochfrequenzbandsignal wird kompensiert,
um nicht während der Rückkopplung beeinflußt zu werden, und
dann wird das gemischte Signal wieder mit dem Eingangstonsignal
Ei an einem Knotenpunkt 62 gemischt. Von dem gemischten
Signal am Knotenpunkt 61 wird das beschleunigungsumgewandelte
Signal negativ zum Eingangssignal Ei zurückgekoppelt,
während das geschwindigkeitsumgewandelte Signal positiv
zurückgekoppelt wird. Hierbei ergibt sich die Charakteristik
der endgültigen, am Knotenpunkt 61 erzeugten Impedanz wie in
Fig. 5D dargestellt. Wenn das gemischte Signal mit der ursprünglichen
Impedanzcharakteristik des Lautsprechers verglichen
wird, ist es ersichtlich, daß die niedrigste Resonanzfrequenz
f₀ und die Resonanzschärfe Q₀ Charakteristik des
gemischten Signals beim Niederfrequenzband kompensiert und
beim Hochfrequenzband stabilisiert sind. Deshalb ist das Tonwiedergabevermögen
beim Niederfrequenzband verstärkt und das
Tonwiedergabevermögen beim Hochfrequenzband stabilisiert.
Wie vorstehend beschrieben hat die vorliegende Erfindung
den Vorteil, daß die Mittel- und Niederfrequenzbandtoncharakteristik
verbessert und der Hochfrequenzbandton stabilisiert
ist durch Nachweis der dynamischen Impedanz mittels
Benützen der Bewegung des Schwingungssystems, wobei die Bewegung
gemäß dem Betreiben des Lautsprechers verursacht wird,
danach Ausführung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsumwandlungen
für die nachgewiesene dynamische Impedanz und
Rückkopplung zum Schwingungssystems des Lautsprechers. Auf
diese Weise kann die Niederfrequenzbandwiedergabecharakteristik
des Lautsprechers verbessert werden und der Niederfrequenzbandton
kann in einem Tonsystem, welches kleine
Lautsprecher aufweist, naturgetreu wiedergegeben werden.
Claims (1)
- Schaltkreis zum Kompensieren von tieffrequenten und mittelfrequenten Wiedergabecharakteristiken in einem Lautsprechersystem mit zumindest einem Lautsprecher (1) zur Wiedergabe eines an einem Eingangsanschluß angelegten Audio-Signals, mit
einer Einrichtung zum Detektieren einer dynamischen Impedanz (20, 30) eines Vibrations-Systems des Lautsprechers (1) in Antwort auf eine Bewegungsgeschwindigkeitskomponente des Vibrationssystems, die von dem Audio-Signal bewirkt wurde, wobei die Einrichtung zum Detektieren der dynamischen Impedanz aufweist:
einen Brückenschaltkreis (20) zum Erzeugen eines Referenzsignals durch Teilen des Audio-Signals gemäß einem vorgegebenen Verhältnis, und zum Erzeugen eines dynamischen Impedanz-Signals durch Teilen einer Ausgangsspannung des Lautsprechers (1), und
einen Differenzverstärker (30) zum Detektieren eines Differenzspannungssignals von dem Referenzsignal und dem dynamischen Impedanz-Signal, um eine Bewegungsgeschwindigkeitskomponente zu detektieren, die proportional zur dynamischen Impedanz ist,
eine Beschleunigungsumwandlungseinrichtung (40) zum Filtern eines ersten Tieffrequenzbandes der dynamischen Impedanz und zum Konvertieren der dynamischen Impedanz in eine Beschleunigungskomponente, um eine tiefste Resonanzfrequenz des Lautsprechers in eine tiefe Frequenz zu kompensieren, die proportional zur dynamischen Impedanz ist, wobei die Beschleunigungsumwandlungseinrichtung aufweist:
einen ersten Tiefpaßfilter (41) zum Filtern des ersten Tieffrequenzbandes von dem Differenzspannungssignal, und
einen Differenzierer (42) zum Differenzieren des ersten tiefpaßgefilterten Signals, um die Beschleunigungskomponente zu erhalten,
eine Geschwindigkeitsumwandlungseinrichtung (50) zum Bereitstellen einer Geschwindigkeitskomponente der dynamischen Impedanz durch Filtern eines Hochfrequenzbandes und eines zweiten Tieffrequenzbandes der dynamischen Impedanz, um eine Resonanzschärfe des Lautsprechers zu kompensieren, wobei die Geschwindigkeitsumwandlungseinrichtung aufweist:
einen zweiten Tiefpaßfilter (51) zum Filtern des zweiten Tieffrequenzbandes von dem Differenzspannungssignal, um die Resonanzschärfe bei dem zweiten Tieffrequenzband zu kompensieren,
einen Hochpaßfilter (52) zum Filtern des Hochfrequenzbandes von dem ersten Signal, um die Hochfrequenzcharakteristiken des Audio-Signals zu stabilisieren, und
einen Addierer (53) zum Addieren des zweiten tiefpaßgefilterten Signals mit dem hochpaßgefilterten Signal, um die Resonanzschärfe des zweiten Tieffrequenzbandes zu kompensieren und um die Charakteristiken des Hochfrequenzbandes des Lautsprechers zu stabilisieren, und
eine Addiereinrichtung (61, 62) zum Addieren der Beschleunigungskomponente mit der Geschwindigkeitskomponente und zum negativen Rückführen des resultierenden Signals an das Eingangssignal.
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