DE4308961A1 - Vorrichtung zur aktiven Simulation einer akustischen Impedanz - Google Patents
Vorrichtung zur aktiven Simulation einer akustischen ImpedanzInfo
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Description
In einigen Anwendungen der Elektroakustik, insbesondere bei Lautsprecher
systemen mit geschlossenen oder teilweise offenen Gehäusen, werden Wand
elemente benötigt, die Schallwellen in einer bestimmten Art und Weise
reflektieren. Oft wird die Forderung erhoben, daß die Wandelemente
Schallwellen nur sehr schwach oder gar nicht reflektieren.
Bei hohen Frequenzen kann ein bestimmtes Reflexionsverhalten, z. B.
Absorption, durch einfache, passive Maßnahmen bewirkt werden. Die Ver
wendung einer schallabsorbierenden Filz- oder Schaumschicht ist ein
Beispiel. Bei tieferen Frequenzen nehmen jedoch die Abmessungen der
benötigten passiven Strukturen zu und erreichen oft störende Ausmaße.
Die Erfindungen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 bezwecken die aktive
Simulation von akustischen Impedanzen. Die erfundenen Vorrichtungen
zeichnen sich durch stark verringerte Abmessungen im Vergleich zu passiven
Impedanzen aus, insbesondere im Bereich tieferer Frequenzen sind die
Unterschiede bedeutend. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindungen
gemäß den Ansprüchen 1 und 2 sind Lautsprechersysteme, insbesondere
solche mit geschlossenen Gehäusen. In solchen Gehäusen muß das Auftreten
von stehenden Wellen möglichst vermieden werden. Schallwellen dürfen
also an den Wänden nicht reflektiert werden.
Gemäß Anspruch 1 wird das Verhältnis zwischen dem Gasdruck und der
Strömungsgeschwindigkeit, das der gewünschten Impedanzfunktion entspricht,
durch geeignete Bewegung der Membran eines elektrodynamischen Wandlers
hergestellt. Die Membran des Wandlers wirkt dabei als das Wandelement,
auf das die Schallwellen auftreffen. Der Gasdruck, der auf die
Membranoberfläche einwirkt, wird mittels eines dort angebrachten
Drucksensors gemessen. Vorzugsweise wird dazu eine piezoelektrische
Folie aus Polyvinylidenfluorid, PVDF, verwendet. Aufgrund des gemessenen
Gasdruckes wird die der gewünschten Impedanz entsprechende
Gasgeschwindigkeit ermittelt. Zur Berechnung kann ein Analogmodell oder
ein Digitalrechner verwendet werden. Mittels eines Regelkreises wird
die dem Druck gemäß der Impedanzfunktion entsprechende Geschwindigkeit
der Membranbewegung eingestellt. Der Regelkreis besteht aus einem Regler,
vorzugsweise einem Zustandsregler, aus einem Leistungsverstärker, aus
dem elektrodynamischen Wandler und aus Sensoren, die die Geschwindigkeit
und die Beschleunigung der Membran messen.
Die Erfindung gemäß Anspruch 3 stellt eine akustische Serienschaltung
einer passiven und einer aktiven akustischen Impedanz dar. Ein z. B.
zylinderförmiges, akustisch geschlossenes Gehäuse schließt in seinem
Inneren zwei Kammern ein, die durch eine innere, akustisch isolierende
Wand voneinander getrennt sind. In einen Durchbruch der inneren Trennwand
ist ein elektrodynamischer Wandler so eingebaut, daß seine Membran
die beiden inneren Volumina voneinander trennt und auf beide einwirkt.
Eine der Deckflächen des Zylinders ist mit einem oder mehreren Durchbrüchen
versehen, die das Innenvolumen mit dem Außenvolumen verbinden. Die
Durchbrüche sind so gestaltet und mit strömungsdämpfenden und
schallabsorbierenden Materialien gefüllt, daß bezüglich der
Schallübertragung zwischen dem Innenvolumen und dem Außenvolumen und
bezüglich der Schallreflexion in den Außenraum eine definierte akustische
Leitungsimpedanz wirksam ist. Speziell für mittlere und höhere Frequenzen
ist es konstruktiv einfach zu erreichen, daß Schallwellen nicht
reflektiert werden. Bei tiefen Frequenzen übernimmt die aktive Impedanz
die Aufgabe, eine Schallreflexion zu unterbinden. Die Simulation der
Impedanz erfolgt wiederum durch Druckmessung an der Membranoberfläche
und Bewegung der Membran mit einer dem Druck gemäß der gewünschten
Impedanzfunktion entsprechenden Geschwindigkeit. Die Einstellung der
Geschwindigkeit wird mittels eines Regelkreises bewerkstelligt. Die
passive Impedanz der Durchbrüche bewirkt, daß höhere Frequenzen den
Regelkreis nicht beeinflussen. Dies verhindert das Auftreten von
Verzerrungen durch die endliche Regelgeschwindigkeit. Eine wegen ihrer
Einfachheit bevorzugte Impedanzfunktion der aktiven Impedanz ist der
Kurzschluß gemäß Anspruch 4. Der Druck an der Membranoberfläche wird
konstant gehalten. Die Gesamtimpedanz der Anordnung gleicht in diesem
Fall annähernd der passiven Impedanz.
Die Ansprüche 5 und 6 betreffen Anwendungen der aktiven Impedanzen in
Lautsprechersystemen mit geschlossenen Gehäusen. Die Impedanzen werden
zur Vermeidung von Schallreflexionen im Gehäuse verwendet.
Anspruch 7 betrifft ein Lautsprechergehäuse, dessen Innenvolumen als
Bündel paralleler Rohre ausgebildet ist. Der Durchmesser der Rohre ist
so gewählt, daß die Wellenlänge der höchsten wiedergegebenen Frequenzen
den Durchmesser wesentlich übersteigt. Dadurch werden stehende Wellen
quer zur Rohrachse vermieden. Stehende Wellen in Längsrichtung werden
durch eine entsprechende Abschlußimpedanz vermieden.
Das Bild zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Lautsprechersystem
gemäß Anspruch 6. Das Innenvolumen des Gehäuses G ist durch zwei Trenn
wände T1, T2 in drei Teilvolumina V1, V2 und V3 geteilt. In die Trennwand
T2 ist ein elektrodynamischer Wandler TR eingebaut. An dessen Membran
M wird der Gasdruck mittels eines Drucksensors S gemessen. Das vom
Drucksensor erzeugte Signal wird einem Analogmodell AM der Impedanz
zugeführt. Dieses Modell erzeugt ein Signal, das die Sollgeschwindigkeit
der Membran beschreibt. Mittels eines Regelkreises, bestehend aus dem
Wandler TR, aus einem Leistungsverstärker A, dem Regler R und einem
Geschwindigkeitssensor V, wird die Geschwindigkeit der Membran M
eingestellt. Die Trennwand T1 ist mit Durchbrüchen D versehen, die das
mittlere Volumen V2 mit dem ersten Volumen V1 verbinden. Die Durchbrüche
sind mit strömungsdämpfendem Material ausgekleidet. Der abstrahlende
Lautsprecher L ist an das Volumen V1 angrenzend eingebaut.
Claims (8)
1. Vorrichtung zur Simulation einer vorgebbaren akustischen Impedanz,
dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrodynamischer Wandler in die
Außenwand eines akustisch geschlossenen Gehäuses derartig eingebaut
ist, daß seine Membran das Innenvolumen vom Außenvolumen trennt, daß
die äußere Oberfläche der Membran des Wandlers mit einem Drucksensor
versehen ist, der den dort wirksamen Gasdruck mißt und ein diesem Gasdruck
proportionales elektrisches Signal erzeugt, daß mittels Sensoren die
Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Membran gemessen werden,
daß der Wandler als Teil eines Regelkreises arbeitet, der weiters aus
einem Regler und aus einem Leistungsverstärker besteht, daß als Regler
insbesonders ein Zustandsregler verwendet wird, daß der Regler über
den Leistungsverstärker die Membrangeschwindigkeit als Regelgröße
einstellt, und daß die Sollgeschwindigkeit der Membran mittels eines
Analogmodelles oder eines Rechners aufgrund des auf der Membranoberfläche
gemessenen Druckes entsprechend der gewünschten Impedanzfunktion ermittelt
und dem Regler als Sollwert zugeführt wird.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
Drucksensor eine Schicht aus Polyvinylidenfluorid, PVDF, verwendet wird,
die auf die Membran des elektrodynamischen Wandlers aufgebracht ist.
3. Vorrichtung zur Simulation einer akustischen Impedanz, dadurch
gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung als akustisch geschlossenes Gehäuse
ausgebildet ist, dessen Innenvolumen durch eine akustisch trennende
Wand in zwei Teilvolumina geteilt ist, daß in einen Durchbruch der
inneren Trennwand ein elektrodynamischer Wandler derartig eingebaut
ist, daß seine Membran die beiden Volumina voneinander trennt, daß
eine Oberfläche der Membran mit einem Drucksensor versehen ist, der
den Gasdruck an dieser Oberfläche mißt und ein proportionales elektrisches
Signal erzeugt, daß das Innenvolumen, an welches die mit dem
Gasdrucksensor belegte Oberfläche angrenzt, über einen oder mehrere
Durchbrüche in der Gehäusewand mit dem Außenvolumen verbunden ist,
daß diese Durchbrüche so gestaltet und mit akustisch dämpfenden Material
gefüllt sind, daß sie eine definierte akustische Impedanz aufweisen,
daß der innere Wandler als Teil eines Regelkreises arbeitet, der weiters
aus einem Regler und einem Leistungsverstärker besteht, daß mittels
Sensoren die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der Membran gemessen
werden, daß der Regler über den Leistungsverstärker die Membrangeschwin
digkeit als Regelgröße einstellt, daß die Sollgeschwindigkeit der
Membran aufgrund des auf der Membranoberfläche gemessenen Druckes ermittelt
und dem Regler als Sollwert zugeführt wird, und daß der Sollwert derartig
gewählt wird, daß durch die kombinierte Wirkung der akustischen Impedanz
der Durchbrüche in der Außenwand und der Bewegung der inneren Membran
die gewünschte akustische Impedanz der Anordnung erzielt wird.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck
an der Membranoberfläche und im angrenzenden Innenvolumen durch
entsprechende Membranbewegungen annähernd konstant gehalten wird, und
daß somit die akustische Impedanz der Anordnung hauptsächlich durch
die Impedanz der Durchbrüche bestimmt ist.
5. Lautsprechersystem mit einem geschlossenen Gehäuse, dadurch
gekennzeichnet, daß in Durchbrüche der Gehäusewand Vorrichtungen eingebaut
sind, die mittels ihrer Membranen als akustische Impedanzen auf das
Innenvolumen einwirken, wobei der gewünschte Impedanzverlauf durch aktive
Simulation erzeugt wird, und die auf den das Gehäuse umgebenden Außenraum
keine Wirkung ausüben, daß die Größen der Impedanzen derartig gewählt
sind, daß akustische Wellen im Innenvolumen des Gehäuses beim Auftreffen
auf die impedanzsimulierenden Vorrichtungen aufgrund der dem Innenvolumen
angepaßten Impedanzwerte nicht reflektiert werden, und daß somit die
Bewegungen der Membranen der abstrahlenden Lautsprecher und die Wände
des Gehäuses nicht durch reflektierte Wellen im Innenvolumen des Gehäuses
beeinflußt werden.
6. Lautsprechersystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse die Form eines Rohres aufweist, daß der Durchmesser des
Rohres annähernd dem Durchmesser der Membran des abstrah
lenden Lautsprechers gleicht, daß dieser Lautsprecher
das Rohr an dessen einen Ende abschließt, und daß das
andere Ende durch eine Vorrichtung zur aktiven Impedanz
simulation geschlossen ist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gehäusemantel ein Bündel von parallelen Rohren
umschließt.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse, an dessen Innen
volumen die Membran des simulierenden Wandlers angrenzt,
und in dem kein Drucksensor angeordnet ist, über Öffnungen
mit dem Außenraum verbunden ist.
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