DE4117607A1 - Lautsprecheranlage - Google Patents

Description

Digitalisierung der Übertragungsfunktion

Die Digitalisierung der Übertragungsfunktion ist nichts anderes als das Zerlegen dieser Funktion in einzelne Zeitabschnitte. Jeder dieser Zeitabschnitte beinhaltet eine Amplitude, die einem bestimmten Wert entspricht. Damit erhält die Übertragungsfunktion ein treppenförmiges Aussehen. Siehe hierzu Abb. 1.2 und Formel 1.1 zur Berechnung der digitalen Auflösung.

Auflösung [Amplitude/Bit]

(Formel 1.1 Berechnung der Auflösung)

Bitkombination-1

Da mit Null die Bitkombinationen starten, wird eine Kombination abgezogen.

In der Abb. 1.2 ist eine Sinus-Funktion dargestellt, die den Offset (Nullinie) um die maximale negative Amplitude verschoben hat. Somit beginnt die Gesamtamplitude vom Nullpunkt und endet nach negativer + positiver Amplitude im Maximum. Die Übertragungsfunktion besitzt in dem Sinne keinen negativen Wertebereich. Das hat den Vorteil, daß bei elektronischen Beschaltungen keine Aufteilung in die positive- und negative- Ansteuerung benötigt wird.

Die Amplitude setzt sich aus Grundelementen zusammen, die in ihrer Verkettung den Wert der Gesamtamplitude darstellt, siehe Abb. 1.2. Die Grundwerte der Amplituden sind in ihrer Wertigkeit logarithmisch zur Basis zwei aufgetragen, d. h. der vorherige Wert ist halb so groß wie der folgende.

Mathematisches Modell für die digitalisierte Übertragungsfunktion

Das mathematische Modell für die digitalisierte Übertragungsfunktion geht von der Quantisierung (Stufungen) der zu übertragenden Funktion aus. Der Differenzquotient beschreibt die Möglichkeit, die Änderungen der einzelnen Stufen miteinander zu beschreiben. Der Übergang zwischen zwei Stufen wird durch Katheten gebildet, wovon die Ankathete die Zeit beschreibt und die Gegenkathete den Strom. Beide stehen im rechten Winkel zueinander. Somit gibt die Hypothenuse die Steigung zwischen zwei Stufen auf der Übertragungsfunktion an. Die Hypothenuse entspricht der Sekante des Differenzquotienten, d. h. es wird also nicht mehr wie beim Differentialquotienten die Grenzwertbetrachtung des Punktes_später auf den Punkt_vorher angestellt.

Die Länge der Zeitintervalle (oder der Sekante), in einen digitalisierte Amplituden auf den Lautsprecher eintreffen, sind von der maximalen Frequenz der Übertragungsfunktion abhängig. Anders ausgedrückt, ist die Größe der Zeitintervalle vom Abtast- oder Sampling-Theorem abhängig.

Die vom Lautsprecher abgestrahlte Übertragungsfrequenz entspricht dem Quotienten des momentanen Stroms in seinem Intervall Δt, zu einem bestimmten Zeitabschnitt (n-tes Intervall t_n0 bis t_n1). Die Veränderung des Winkels ist eine Aussage über den Mittelwert der Stromänderung bzw. der magnetischen Flußänderung Φ in der Spule. Die Änderung des Winkels führt somit zu einer Frequenzänderung.

Festlegen der Grenzfrequenz oder Abtast-Sampling-Theorem

Ein Signal mit der oberen Grenzfrequenz f_max soll durch Digitalisierung aufgezeichnet werden. Wieviele Meßwerte sind dafür pro Periode aufzuzeichnen?

Um eine beliebige Funktion/Frequenz wiedergeben zu können, muß diese mit doppelter Frequenz abgetastet werden. Die Zeitintervalle, in denen die Amplitude beim Abtasten ermittelt wird, ist dieselbe Amplitude pro Zeit, die für die Wiedergabe benutzt wird. Bei 2f_max ist eine genaue Aussage über die Funktion/Frequenz möglich, in welcher Periode die Steigung zunimmt (positive Amplitude) und in welcher Periode sie fällt (negative Amplitude). Im Falle einer Sin-Funktion würde zur Beschreibung der Funktion nur noch der Mittelwert der Steigung benutzt werden, da der Sinus bei f_max nur zweimal abgetastet wird. Er erhält die Form einer Trapezfunktion, oder wenn die Impulsgeschwindigkeit des Lautsprechers sehr hoch ist, wird daraus eine Rechteckfunktion. Da die Stromänderung pro Zeit, bedingt durch die Membranmasse, eine bestimmte Zeit zum Ansteigen der Amplitude benötigt, ist dies nur in angenäherter Form möglich, d. h. die Flanken erhalten einen trapezförmigen Verlauf, die Ecken werden rund, siehe dazu Abb. 1.3.2.

Die Abtastfrequenz ist, wie vorher dargestellt, doppelt so hoch wie die maximale Frequenz, die wiedergegeben werden soll, also minimal 2f_max, sie kann auch höher liegen.

Der Lautsprecher hat ein physikalisch festgelegtes Frequenzspektrum, das er übertragen kann. Also muß die Abtastfrequenz innerhalb dieses Spektrums liegen, wobei hier nur die maximale abzustrahlende Frequenz von Bedeutung ist. Zur Anwendung würden somit Hochtöner in Betracht kommen. Je nach dem wie die Schalldruckkurve sich zur Frequenz verhält, müßte eine Frequenzweiche zum Einsatz kommen und die Frequenzen durch einen Tief-, Mittel- und Hochtöner wiedergeben. Die Abtastfrequenz entspricht damit auch dem Zeitintervall einer Stufe. Die Stufe schließt die unter der Übertragungsfunktion sich befindende Fläche ein, siehe Abb. 1.3.1. Die Fläche wird durch das Integral gebildet, siehe Abb. 1.3.3. Die Berechnung der Abtastfrequenz wird in Formel 1.3.4 berechnet und die Länge eines Zeitintervalls in Formel 1.3.5.

Abtastfrequenz [Hz]

Abtastfrequenz = 2f_max der Wiedergabefunktion

(Formel 1.3.4 Berechnung der Abtastfrequenz)

Zeitintervall [Sek.]

(Formel 1.3.5 Berechnung eines Zeitintervalls)

Auflösung der Übertragungsfrequenz in digitale Grundschritte

Die Auflösung der Übertragungsfrequenz in ihre digitalen Grundschritte ist in der Abb. 1.2 dargestellt. Die Übertragungsfunktion ist durch einen Analog-Digital-Wandler vorher digitalisiert worden (es wurde der Mittelwert der Steigung in einem Zeitintervall gebildet). Die Übertragungsfunktion wurde anschließend in ihre Grundamplituden von Null bis zur maximalen Auflösung/Wortlänge (0 bis 2ⁿ) zerlegt.

In Abb. 1.4.2 werden die einzelnen Amplituden in einem eigenen Teilamplituden-Diagramm dargestellt. Die abgebildeten Diagramme verdeutlichen die unterschiedlichen digitalen Grundschritte der Amplituden, zu welchem Zeitpunkt das Signal vorhanden ist oder nicht. Die Summe der Amplituden innerhalb eines Zeitintervalls ergeben die Gesamtamplitude, siehe dazu Abb. 1.4.1.

Das Prinzip des digitalen Lautsprechers

Das Prinzip des digitalen Lautsprechers läßt sich vereinfacht wie folgt darstellen: Es wird die Summe der Amplituden gebildet. Diese Summe entspricht der Gesamtamplitude des zu übertragenden Signals, daß innerhalb des Zeitintervalls generiert wird. Ein entsprechender elektrodynamischer Lautsprecher wird in Abb. 1.5 schematisch abgebildet.

Die Übertragungsfunktion wird, wie vorher beschrieben, digitalisiert. Auf den Lautsprecher werden immer nur eine Summe unterschiedlicher digitaler Rechteckimpulse übertragen. Die Dauer der Rechteckimpulse entspricht minimal 2f_max=Δt. Die Summe der Rechteckimpulse entspricht der Kombination von Einsen im digitalen Wort, was der codierten Übertragungsfunktion entspricht. Innerhalb des Zeitintervalls liegt das digitale Wort am elektrodynamischen Wandler an. Die Funktionsweise des digital arbeitenden elektrodynamischen Lautsprechers läßt sich wie folgt beschreiben: Je nach dem welche Bitkombination an den Spulen anliegt, werden diese erregt und die entstehende Summe der Kräfte bewegt die Membran proportional in die entsprechende Richtung. Die Spulen selbst sind auf dem Kolben hintereinander angeordnet. Die Spulen werden nur entsprechend der Stellenwertigkeit mit dem dazugehörenden Strom durchflossen. In dem hier verwendeten Beispiel von Spule A nach E.

Aufbau des Treibergehäuses im digitalen Lautsprecher

Der Name Treiber oder Driver kommt aus dem Englischen von "driver: = Fahrer" und hat die Aufgabe, die Schallintensität zu verstärken, also durch einen dynamischen Verstärker zu fahren . . .

Dies funktioniert nach folgendem physikalischen Prinzip: Die akustische Leistung ist das Produkt aus Geschwindigkeit und der in einem spezifischen Medium übertragenen Druckbewegung, proportional bezogen auf eine Fläche. Die dynamische Verstärkung entsteht durch zwei verschiedene Rohrkörper, die aneinander stoßen und unterschiedlichen Durchmesser besitzen. Beim Hindurchtreten von Schall durch die Rohrkörper ist der Schallfluß gleich groß. Siehe Abb. 1.6.

Die einzelnen Spulen werden wie schon beschrieben angesteuert, d. h. sie werden, je nach dem welche Bitkombination ansteht, mit Rechteckimpulsen versorgt. Wie vorher dargelegt, ist die kürzeste Verweilzeit der anliegenden Rechteckimpulse abhängig von der maximalen Übertragungsfrequenz.

Bei der hier beschriebenen Konstruktion treibt jede Spule eine eigene Membrane an - im Gegensatz zu den sich auf einem Kolben hintereinander befindenden Spulen -. Jeder dieser elektrodynamischen Lautsprecher sitzt in einer gemeinsamen Druckkammer. In der Kammer wird ein Druck aufgebaut, der sich aus der Summe der Einzeldrücke zusammensetzt und sich proportional zur Amplitude der momentanen Übertragungsfunktion verhält. Siehe Abb. 1.7.

Eine bevorzugte Ausbildung für die Ansteuerung ergibt sich aus dem folgenden

Ein elektroakustisches Wandlerprinzip, zum Umsetzen, von seriell oder parallel angebotenen n Bit digitalen elektrischen Signalinformationen, in eine entsprechende analoge Druckschwingung (akustisches Signal). Die Umsetzung basiert auf einer Anzahl von m Wandlern, die zeitlich so koordiniert angesteuert werden, daß ein Summenpunkt im Raum die virtuelle Schallquelle repräsentiert. Es werden zwei unterschiedliche Verfahren zur Fehlerkorrektur und Fehlerkompensation integriert.

Ein im Hörbereich, dem digitalen Eingangssignal proportionales Signal zu erzeugen, ist nur unter großem Aufwand an Ansteuerung und Auflösung erreichbar. Dadurch wird durch einen Fehlersensor mit Kompensationsglied, in einem geschlossenen Regelkreis, die durch die akustische Laufzeit τ verzögerte Soll-Ist-Differenz meßtechnisch erfaßt und durch einen weiteren elektroakustischen Wandler, als Korrekturglied, zum Summenpunkt zurückgeführt (Rückwärtskorrektur). Der hierfür erforderliche Leistungsbedarf ist aber weit kleiner als die abgegebene maximale Leistung. Die Amplitude des erforderlichen Korrekturanteils ist vom Aussteuerungsprinzip und der Auflösung m abhängig.

Da je nach Bauart bedingt, unterschiedlich von den physikalischen oder mechanischen Auslegungen der einzelnen Wandler, deren Wertigkeit vom akustischen Signal abhängt. Dadurch werden unterschiedliche Leistungen erforderlich und diese anteilige Wertigkeit soll gesondert definiert werden. Die Wertigkeit eines jeden Bits kann zwischen linear, logarithmisch zur Basis 2, oder bis zur Leistungsabgabe der einzelnen Wandler erfolgen, siehe dazu Abb. 2.1. Die Art der Lautsprecheransteuerung kann in einer Tabelle im Digital-Digital- Wandler abgelegt werden. Für die Ansteuerung der elektroakustischen Wandler sind nur die Wahrheitsgehalte und die Polarität maßgebend.

Jeder nicht angesteuerte Wandler ist zur Bedämpfung der Wechselwirkung, der Wandler untereinander, zu stabilisieren; beispielsweise durch Kurzschluß.

Die zur Linearisierung des akustischen Ausgangssignals (Vorwärtskorrektur) erforderlichen Tabelleneinträge können in der Produktion oder durch einen Referenzzyklus am Aufstellungsort erfaßt und in einem nichtflüchtigen Speicher (z. B. EEPROM) bereitgestellt werden.

Ein elektroakustischer Wandler nach diesem Anspruch erlaubt mit digitalen Schaltelementen und ggf. einem μ-Prozessor, als Digital- Digital-Wandler, die erforderliche elektrische Ansteuerung für die Erzeugung des Schalldrucks aufzubringen, siehe dazu Abb. 2.2. Damit wird weitestgehend analoge Signal- und Leistungsverstärkung vermieden.

Die eben dargestellte Ansteuerung ist nicht nur für die erfindungsgemäße Lautsprecheranlage bedeutsam, sondern auch allgemein. Sie kann also auch in zahlreichen anderen Fällen Verwendung finden.

Beschreibung zur Skizze des digital angesteuerten Treibers

Fig. 1: Die Skizze beschreibt im Maßstab 4 : 1 als Explosionszeichnung den grundsätzlichen Aufbau der Treiberkammer. Jedes Bit erhält einen Lautsprecher mit der Kennzeichnung L₁ bis L_n. Die Frontplatte besitzt als Schallaustrittsöffnung die minimale Lochöffnung von ½Lambda der maximalen Frequenz. Bei fünf Bit ergibt sich als Bauform ein Würfel.
Fig. 4A zeigt ebenfalls die Frontplatte im Maßstab 1 : 1, wobei als Lautsprecher Kopfhörerlautsprecher verwendet werden, wegen der Baugröße.

Fig. 2: Es wird im Maßstab 4 : 1 in der Seitenansicht eine Wand der Treiberkammer mit eingebautem Kopfhörerlautsprecher dargestellt.

Fig. 3: Es wird im Maßstab 1 : 1 ein fünf Bit Wandler mit Kopfhörerlautsprechern, als Treiber, dargestellt.

Fig. 4A: Die Skizze beschreibt die Abdeckplatte mit Schallaustrittsöffnung.

Fig. 4B: Der Treiber als fünf Bit Wandler wird mit seiner Lautsprecherbestückung im Maßstab 1 : 1 dargestellt.

Lautsprecher-Anlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lautsprecher-Anlage, bei der die Erregerspule eines Lautsprechers von digitalen Signalen angesteuert wird, die vorzugsweise aus einem analogen Schallsignal erzeugt worden sind.

Bei einer bekannten Anlage dieser Art (EP 01 37 550) sind mehrere Erregerspulen auf einem Lautsprecherkolben eines Lautsprechers angeordnet. Eine solche Anordnung ist schwer realisierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs erwähnte Lautsprecher-Anlage derart auszubilden, daß sie in einfacher Art und Weise herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kammer mit festen Wänden, in denen mehrere Lautsprecher derart sitzen, daß sie ihre Schallenergie auf einen gemeinsamen Summenpunkt im Inneren der Kammer strahlen, wobei sich in den Wänden eine Austrittsöffnung befindet, aus der die Schallenergie austreten kann.

Auf diese Weise ist es möglich, die Lautsprecher-Anlage auf sehr einfache Art und Weise zu erstellen, denn die Lautsprecher, die zur Anwendung kommen, sind handelsüblich.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden.

Claims (5)

1. Lautsprecher-Anlage, bei der die Erregerspule eines Lautsprechers von digitalen Signalen angesteuert wird, die vorzugsweise aus einem analogen Schallsignal erzeugt worden sind, gekennzeichnet durch eine Kammer mit festen Wänden, in denen mehrere Lautsprecher derart sitzen, daß sie ihre Schallenergie auf einen gemeinsamen Summenpunkt im Inneren der Kammer strahlen, wobei sich in den Wänden der Kammer eine Austrittsöffnung befindet, aus der die Schallenergie austreten kann.

2. Lautsprecher-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer raumsymmetrisch angeordnet ist.

3. Lautsprecher-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lautsprecher raumsymmetrisch angeordnet sind.

4. Lautsprecher-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung kleiner ist als die Wellenlänge der Maximalfrequenz.

5. Lautsprecher-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung größer als die halbe Wellenlänge der Maximalfrequenz ist.