DE4139681A1 - Schallwandler mit kompensationsantrieb - Google Patents

Description

Üblicherweise bestehen beispielsweise Konuslautsprecher aus einer konisch geformten Membran an deren verjüngten, kreisförmigen Öffnung eine drahtgewickelte, zylinderförmige Spule angebracht ist, die in den ebenfalls zylinderförmigen Luftspalt eines aus Magnet, Polplatte und Polkern bestehenden Magnetsystems berührungslos taucht und die beim Durchfließen eines Wechselstromes eine Hin- und Herbewegung ausführt. Eine an der Verbindungsstelle zwischen der Membran und Spule angebrachte Zentriermembran und eine am offenen Ende der Membran befestigte Sicke finden im Lautsprecherkorb, der die Membran umfaßt und am Magnetsystem befestigt ist, ein Gegenlager. Die Zentriermembran und Sicke wirken wie eine Feder, so daß die Membranauslenkung proportional zum durch die Spule fließenden Strom ist.

Eine Vielzahl von andersgearteten Lautsprecherkonstruktionen benutzt dieses Antriebsprinzip, wobei die sich einstellende Resonanzfrequenz hauptsächlich von der Masse der Membran und von der Federsteife der Zentriermembran abhängt.

Da unkontrollierte Membranbewegungen im Resonanzfall zu klanglichen Qualitätseinbußen führen können, benutzt man beispielsweise bei Baßlautsprechern gerne solche mit möglichst niedriger Resonanzfrequenz, was in der Regel zu großflächigen Lautsprechern und gelegentlich zu monströsen Boxenkonstruktionen führt. Ferner kann die im allgemeinen bei Resonanz stark ansteigende Schwingspulenimpedanz stören.

Des weiteren genügen die technischen Eigenschaften der im allgemeinen aus Gewebe gefertigten Zentriermembranen nicht höchsten Anforderungen, weil relativ große Linearitätsfehler und Kriecheffekte nach impulsförmiger Aussteuerung fast unvermeidbar sind.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile, indem die starre Beziehung zwischen Masse und Feder ausgeschaltet wird und ein Höchstmaß an Linearität sowie Membranbewegungskontrolle erzielbar ist.

Sie wendet ein Verfahren an, welches z. B. bei Industriekompensationsschreibern seit langem bekannt ist. Im Prinzip wird der Schreibgriffel solch eines Schreibers durch die Lautsprechermembran ersetzt; die Stellungskontrolle der Membran wird mit Hilfe eines von der Membran geführten Wegaufnehmers realisiert. Ein zwischengeschalteter vorzugsweise PID-Regler sorgt für ein optimales dynamisches Verhalten der Membranbewegung.

Bei diesem Verfahren sollte die Zentriermembran lediglich die Zentrierung und möglichst nicht die Rückstellfunktion übernehmen.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit.

Es handelt sich um einen geschlossenen Regelkreis, der aus dem Subtrahierer 2, dem vorzugsweise PID-Regler 4, dem Lautsprecher 6 als Regelstrecke und dem Wegaufnehmer 8 als Meßwertaufnehmer besteht.

Das Nf-Signal 1 als Führungsgröße und die von dem Meßwertaufnehmer 8 gebildete Regelgröße 9 wirken auf den Subtrahierereingang ein und bilden die Regelabweichung 3, die den PID-Regler 4 speist. Der Ausgang des PID-Reglers ist die Stellgröße 5, die dem Lautsprecher 6 als Regelstrecke aufgeschaltet ist. Die Stellung der Lautsprechermembran 7 wird von dem Meßwertaufnehmer 8 erfaßt und als Regelgröße 9 ausgegeben.

Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit der technischen Realisierung.

Die Subtrahierschaltung wird aus dem Operationsverstärker 14 und den Widerständen 10, 11, 12 und 13 gebildet. Auf ihn gelangt das Nf-Signal 30 über den Widerstand 10. Der Operationsverstärker 26 und dessen Beschaltung stellt den PID-Regler dar. Dabei ist der P-Anteil durch das Widerstands- und Kapazitätsverhältnis 23/22, 24/25 wirksam. Der I-Anteil wird durch den Kondensator 25 und den Widerstand 20 und der D-Anteil durch den Kondensator 24 und den Widerstand 23 erzeugt. Dabei sorgen der I-Anteil für die Beseitigung der Regelabweichung und der D-Anteil für ein überschwingungsfreies Einstellen der Membran, insbesondere bei impulsförmigem Nf-Signal. Das PID-Regler-Ausgangssignal gelangt auf die Schwingspule des Lautsprechers 30, an dessen Membran axial eine rechteckförmige, formstabile Fahne angebracht ist, die in den Luftspalt der Gabellichtschranke 40 taucht. Die Gabellichtschranke erzeugt mit Hilfe des Lichtsenders 34 und dessen Stromversorgung 34 sowie dem lichtempfindlichen Sensor 35 und dessen Stromversorgung 36 in bekannter Weise das wegproportionale Ausgangssignal 41, welches über den Widerstand 13 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 14 geschaltet ist und damit den Regelkreis schließt.

Bei allen Baugruppen sind in bekannter Weise mannigfaltige Alternativen möglich.

Während die Alternativen für Subtrahierer und PID-Regler hinreichend bekannt sind, sind nachfolgende Lautsprecher-Wegaufnehmerkonstruktionen als neu zu bewerten.

Als besonders kritisch ist die Umformung der Membranbewegung in ein elektrisches Signal zu bezeichnen. Neben der Linearitätsanforderung ist das Hauptaugenmerk darauf zu legen, daß Taumelbewegungen der Membran möglichst nicht erfaßt werden. Ferner erscheinen mechanische Ankopplungen, die störende Eigenresonanzen erzeugen können, als nicht vorteilhaft.

Als bekannt kann ein System angesehen werden, bei dem die Membranbewegung über einen an der Membran befestigten Stößel durch einen durchbohrten Polkern erfaßt wird.

Bei diesem System handelt es sich um ein Verfahren, bei dem im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand konventionelle Lautsprecher, bei denen die Zentriermembran als Feder wirkt, verwendet werden und bei dem das wegproportionale Signal in ähnlicher Weise wie beim erfindungsgemäßen Gegenstand einem Subtrahierer zugeführt und ebenfalls über einen PID-Regler derart wirkt, daß die Lautsprechermembran bei einer Nf-Sprungfunktion überschwingungsfrei einschwingt.

Der hierbei erforderliche lange Stößel erfordert Maßnahmen, die ungewollte Auswirkungen von Stößeleigenschwingungen eliminieren. Dies wäre entweder durch eine zusätzliche, praktisch reibungsfreie Stößellagerung oder durch einen Wegaufnehmer realisierbar, der lediglich die axialen Bewegungen erkennt. Die Erfüllung sowohl der einen als auch der anderen Anforderung ohne Nebenwirkungen erscheint als fraglich. Ferner dürften an der Verbindungsstelle zwischen der Membran und dem Stößel auf Grund der Stößelmasse Deformierungseffekte eine Fehlerquelle sein.

An das Ideal kommen solche Prinzipien heran, die möglichst ohne zusätzliche oder mit kurzen Betätigungsmittel auskommen.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Staubschutzkalotte 50 des Lautsprechers 53 als Betätigungsmedium für den am Lautsprecherkorb befestigten Wegaufnehmer 51 benutzt wird. Wählbar sind bekannte, vorzugsweise optische induktive oder kapazitive Verfahren.

Die etwaig auftretenden Linearitätsprobleme, vornehmlich bei großen Membranhüben, sind durch bekannte elektronische Linearisierungsverfahren beherrschbar.

Anstelle der Staubschutzkalotte kann bei Flachmembranlautsprechern alternativ die Flachmembran benutzt werden.

Fig. 4 zeigt eine Möglichkeit, bei der der Annäherungswegaufnehmer 55 auf dem Polkern 56 sitzt und die aktive Fläche unterhalb der Staubschutzkalotte bzw. Flachmembran wirkt.

Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit, bei der der Schlitzinitiator 60, der vorzugsweise induktive, optische oder kapazitive Wegaufnahmeverfahren nutzt, mit Hilfe der auf der Staubschutzkalotte bzw. Flachmembran 62 befestigten Steuerfahne 61 betätigt wird.

Fig. 6 zeigt die Anwendung des Schlitzumformers 66, der in Verbindung mit der Steuerfahne 67, die auf der Staubschutzkalotte bzw. Flachmembran 68 von innen sitzt, funktioniert und der auf dem mit der Bohrung 69 ausgestatteten Polkern 70 angebracht ist und dessen elektrische Zuleitungen vorzugsweise durch die Polkernbohrung 69 geführt sind.

Claims (12)

1. Schallwandler, bestehend aus Membran, Schwingspule, Magnetsystem, Korb und Membranzentrierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Federwirkung der Membranzentrierung vorzugsweise unwirksam ist und die aussteuerproportionale Membranbewegung mit Hilfe eines Kompensationsverfahrens, wie es zum Beispiel bei industriellen Linienschreibern Verwendung findet, realisiert wird, wobei beispielsweise die steuernde Niederfrequenz die Führungsgröße darstellt, die mit einem der Membranstellung proportionalen Signal als Regelgröße verglichen wird und als Regelabweichung auf einen vorzugsweise stetigen PID-Regler einwirkt, dessen Ausgang als Stellgröße die Schwingspule und damit dessen Membran so lange antreibt, bis daß das membranstellungsproportionale Signal dem Momentanwert der steuernden Niederfrequenz entspricht und die Regelabweichung vorzugsweise voll kompensiert ist.

2. Anspruch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglerparameter vorzugsweise so eingestellt sind, daß bei einer sprunghaften Änderung der steuernden Führungsgröße eine überschwingungsfreie Membranstellungsänderung erfolgt, wobei die Einstellkriterien denen entsprechen, die in der Regelungstechnik üblich sind.

3. Anspruch gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das der Membranstellung proportionale Signal von einem Annäherungswegaufnehmer üblicher Bauart, vorzugsweise nach optischen, induktiven oder kapazitiven Verfahren arbeitend, geliefert wird.

4. Anspruch gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der starr an dem Lautsprecherkorb befestigte Annäherungsumformer mit seiner aktiven Fläche mit definiertem Abstand zur Staubschutzkalotte weist, die nötigenfalls in ihrer Form angepaßt und eventuell spezialbeschichtet ist.

5. Anspruch gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Staubschutzkalotte eine übliche Flachmembran wirkt.

6. Anspruch gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Annäherungswegaufnehmer auf dem freien Ende des vorzugsweise durchbohrten Polkerns sitzt und mit seiner aktiven Fläche mit definiertem Abstand zur nötigenfalls in ihrer Form angepaßten und eventuell spezialbeschichteten Staubschutzkalotte weist und daß vorzugsweise die elektrische Zuleitung durch den durchbohrten Polkern geführt ist.

7. Anspruch gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das der Membranstellung proportionale Signal von einem Schlitzwegaufnehmer oder einem Wegaufnehmer ähnlicher Bauart, vorzugsweise nach optischen, induktiven oder kapazitiven Verfahren arbeitend, bereitsteht.

8. Anspruch gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Staubschutzkalotte aufgesetzte Steuerfahne in beispielsweise den Schlitz eines Schlitzwegaufnehmers, der starr mit dem Lautsprecherkorb verbunden ist, eintaucht.

9. Anspruch gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfahne nicht auf der Staubschutzkalotte, sondern auf einer Flachmembran angebracht ist.

10. Anspruch gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegaufnehmer auf dem freien Ende des Polkerns sitzt und daß bei beispielsweise einem Schlitzumformer die von innen an der Staubschutzkalotte befestigte Steuerfahne in den Schlitz des Umformers taucht und daß die elektrischen Zuleitungen zum Umformer vorzugsweise durch den durchbohrten Polkern geführt sind.

11. Anspruch gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfahne nicht an der Staubschutzkalotte, sondern von innen an einer Flachmembran befestigt ist.

12. Anspruch gemäß den Ansprüchen 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei nichtlinear wirkenden Wegaufnehmern übliche Linearisierungseinrichtungen einsetzbar sind.