EP0508392A2 - Circuit arrangement for correcting linear and non-linear transfer characteristics of electroacustic transducers - Google Patents

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EP0508392A2
EP0508392A2 EP92106049A EP92106049A EP0508392A2 EP 0508392 A2 EP0508392 A2 EP 0508392A2 EP 92106049 A EP92106049 A EP 92106049A EP 92106049 A EP92106049 A EP 92106049A EP 0508392 A2 EP0508392 A2 EP 0508392A2
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EP
European Patent Office
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linear
input
port
output
signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP92106049A
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German (de)
French (fr)
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EP0508392A3 (en
Inventor
Wolfgang Dr. Klippel
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Harman Professional Inc
Original Assignee
JBL Inc
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Publication date
Application filed by JBL Inc filed Critical JBL Inc
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/002Damping circuit arrangements for transducers, e.g. motional feedback circuits
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/02Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for preventing acoustic reaction, i.e. acoustic oscillatory feedback
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    • H04R3/00Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/04Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response
    • H04R3/08Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response of electromagnetic transducers

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for correcting the linear and non-linear transmission behavior of electroacoustic transducers, consisting of an electroacoustic transducer, an electrical equalizer network coupled to the electrical input terminals and an aid for adapting the equalizer network to the transducer.
  • the electrical network has a non-linear transmission behavior and changes the electrical signal in such a way that the non-linear effects of the network and the coupled converter are compensated for. In this way, an overall system with reduced nonlinear distortion and improved linear transmission behavior can be implemented.
  • the parameters of the electrical network can be changed and independently adapted to the specific transmission behavior of the converter.
  • the negative feedback has the advantage that the exact structure of the nonlinear transmission system does not have to be known and that the functionality is retained when the nonlinearity (aging) changes.
  • the required signal pickups are expensive, susceptible and have a specific transmission behavior that must be compensated for by suitable equalizer networks.
  • the danger of a possible positive feedback requires measures to correct the phase response ([1] Hall, DS: Design Considerations for an Accelerometer-Based Dynamic Loudspeaker Motional Feedback System. 87. Audio Eng. Soc. Conv, New York October 1989 (Preprint 2863)) . All these problems prevent the negative feedback on electroacoustic sound transmitters from becoming widely accepted.
  • the VOLTERRA series development offers a possible starting point for modeling the non-linear converter. It is a very advantageous hand tool for describing second and third order distortions of weakly nonlinear systems with very small input signals. In the case of stronger non-linearities, the system can no longer be described by quadratic and cubic subsystems, and other elements of the VOLTERRA series must be taken into account. In order to achieve convergence, the input signal must always be sufficiently small and limited according to the Weierstrass criterion. This theory was first applied to the converter by ([2] Kaizer, A.J .: Modeling of the Nonlinear Response of an Electrodynamic Loudspeaker by a Volterra Series Expansion. J. Audio Eng. Soc. 35 (1987) 6, p. 421).
  • This arrangement has a consistently additive structure corresponding to the series properties of the VOLTERRA development.
  • the individual branches represent higher order linear, quadratic, cubic or nonlinear networks and compensate for the corresponding distortion products.
  • this concept only insufficiently takes into account the transducer-specific features and, in practical implementation, requires a restriction to square and cubic correction systems.
  • the converter no longer behaves like an ideal quadratic or cubic system with a larger input signal and the inevitable incorrect compensation leads instead to a reduction in an increase in the distortion in the transmission signal.
  • the insertion of higher order compensation elements extends the usable modulation range, but does not fundamentally solve the problem and leads to technically hardly realizable equalization systems.
  • the additive parallel structure of the equalizer network which inevitably results from the VOLTERRA modeling, leads to a universal but complex circuit structure, which has decisive disadvantages in large signal behavior.
  • the object of the invention is, for the first time, to create an equalizer network without constant signal feedback (motional feed back), which completely , automatically (independently) compensates for the nonlinear distortions in the small and large signal range (up to the maximum power loss or in the entire deflection range of the voice coil) allows the specific peculiarities (non-linear causes of distortion) of the respective electroacoustic transducer to be better taken into account and implemented with less effort.
  • the electroacoustic sound transducer is described by an electro-mechano-acoustic equivalent circuit diagram.
  • the structural components of the converter that are essential for signal transmission are functionally combined in concentrated active elements, each of which is characterized by a parameter (for example damping, rigidity of the suspension, electrodynamic coupling factor B1, etc.).
  • a parameter for example damping, rigidity of the suspension, electrodynamic coupling factor B1, etc.
  • all other elements of the transducer system are subject to temporal parameter changes. The changes caused by aging, fatigue and warming prove to be long-term processes that change the linear transmission properties of the converter, but do not cause non-linear signal distortions.
  • the transmission behavior is fully described with a non-linear integro differential equation (IDG), from which the associated equalizer transfer function is derived by conversion and transferred directly into the circuit structure of the equalizer network.
  • IDG non-linear integro differential equation
  • the electromechanical equivalent circuit diagram (FIG. 7a) can be transferred with the aid of the associated nonlinear IDG into an equivalent signal flow diagram (FIG. 7b) which consists of a nonlinear transmission system (152) and a subsequent linear transmission system (153).
  • the linear subsystem (153) is composed of an electro-mechanical system (144) with the transfer function X (s) and a downstream mechano-acoustic system with the transfer function H (s).
  • the non-linear system (152) connected upstream of the linear transmission system (153) causes the disturbing, non-linear signal distortions.
  • the nonlinear system (152) contains nonlinear, dynamic transmission systems (two-port 147-151) and a linear transmission system (two-port 167), which also has the transfer function X (s) and further linking elements (139-143, 145).
  • the linear and non-linear transmission systems have one input and one signal output, the logic elements have two signal inputs and one signal output.
  • the output of each transmission system is connected to the one input of a logic element. Both parts are referred to below as a three port. Each three port represents exactly one non-linear cause of distortion.
  • the three gates which represent the deflection-dependent induction, the deflection-dependent damping, the electromagnetic drive and the deflection-dependent stiffness, contain adders (139, 141, 142, 143) as logic elements.
  • the deflection-dependent, electrodynamic drive leads to a multiplicative one Linking element (140).
  • the three port which describes the Doppler distortions, contains a variable delay element (145) as the link element.
  • All three gates are interconnected in a certain structure.
  • the output of the preceding logic element is linked to an input of the next logic element and leads to a chaining of all three-port gates contained.
  • the three-port (147,139) which describes electrical induction, comes first, followed by the three-port of the electrodynamic force factor (148, 140) and the three-port, which are connected to the electromagnetic drive (150, 142), the non-linear damping (141 , 149) and the stiffness (143, 151) correspond.
  • the last position immediately in front of the linear subsystem (145, 146) is the three port (145, 167), which corresponds to the generation of the Doppler distortions in the acoustic system.
  • the inputs of all non-linear subsystems and of the linear transmission system (167) are connected to the signal input of the delay element (145).
  • the transmission systems (147-151) are thus fed back without feedback via a signal feedback and the three port of the Doppler distortions.
  • the well-known large signal effects (amplitude compression, phase shift of the fundamental oscillation and the distortion products) result from the signal feedback in the electromechanical converter part.
  • the Doppler distortions caused by the Dreitor (145, 167) do not influence the mechanical vibration behavior (deflection of the membrane) and thus the process of creating the nonlinear distortions.
  • the non-linear transmission system (152) Due to the different supply of the transmission systems (retroactive, non-reactive), the non-linear transmission system (152) consists of two non-linear subsystems connected in series.
  • this nonlinear transmission system (152) ie the occurrence of disturbing nonlinear distortions in the output signal, can be completely compensated for by a very specific equalization system, that of the sound transmitter upstream:
  • this goal is achieved in that the equalization system the transmission elements S L (166), S B (165), S D (164), S M (163), S S (162) and X (s) (161 ) contains, which correspond to the nonlinear and linear transmission systems of the converter (147 - 151, 167) in their transmission behavior.
  • Each of these transmission elements is connected to a logic element that has exactly the inverse properties of the logic element in the corresponding converter driver, ie instead of the adders (139, 141-143), subtractors (156-158, 160) result instead of the multiplier (140) Division element (159) and the controllable delay element (145) leads to a delay element with the opposite control characteristic.
  • the connection of the transmission link and associated link element is referred to below as a three port.
  • All three gates in the equalizer network are connected in a chain in exactly the right order (in relation to the input terminals of the converter) using one of their inputs and their outputs.
  • the input of all transmission elements (two-port 161-166), i.e. the other input of the three-port is connected to the output of the delay element.
  • the three-port of the Doppler distortions in the converter signal flow diagram (145, 167) fed without feedback corresponds to an equalizer three-way (155, 161) which has a signal feedback.
  • the other three-port electromechanical gates, which were connected via a signal feedback in the converter signal flow diagram, correspond to three-port gates in the equalizer network that are switched without feedback.
  • the equalizer network thus also consists of two non-linear subsystems connected in series.
  • the equalizer network consists of a chain connection (series connection) of transmission elements, with at least one transmission element (two-port) having a non-linear transmission behavior between its input and output ports.
  • a chain connection of the transmission links of the equalization network means that the links are mutually linked with their input and output and are thus switched on in the transmission chain (sound receiver, signal memory, transmitter, receiver, amplifier, sound transmitter).
  • Each of these nonlinear transmission elements (two-port Z1, Z2, Z3) is a memoryless (frequency-independent) or dynamic (frequency-dependent) system.
  • Each dynamic, non-linear two-port Z contains at least one transmission three (see FIG. 2), which corresponds to a non-linear cause of distortion in the converter and serves to compensate for the corresponding non-linear distortions.
  • Each three-port D is a dynamic, non-linear one Transmission link with two signal inputs E1, E2 and an output A (see. Fig. 3). It consists of a non-linear, dynamic transmission element (two-port U) and a memory-less logic element V, which converts the two input signals into the output signal via an algebraic operation (eg addition, multiplication).
  • One input E1 of the Dreitor D is connected directly to one input of the logic element, the other input E2 of the Dreitor (D) is connected via the two-port U to the second input of the logic element and the output of the logic element is connected to the output of the Dreitor ( D) coupled.
  • the two-port U takes into account the physical properties of the variable converter parameter and its position in the active structure of the converter. If several transmission three gates are arranged between the input and output of the two gates (Z) (Fig. 2), these are connected in a chain connection using the respective input gate E 1 (18) and the output gate A (20) and the remaining input gate E 2 ( 19) of the three gates contained either connected to the input gate of the two-port Z (FIG. 2 a) or to the output port of the two-port Z (FIG. 2 b).
  • All dynamic, non-linear transmission elements are composed of dynamic, linear two-port and / or memoryless, non-linear two-port N and / or logic elements (e.g. adders, multipliers).
  • the free, variable parameters of the dynamic, linear two-port (linear filter parameters) and the memoryless, non-linear two-port (non-linear characteristics) are measured by measuring the resulting transmission behavior (converter with equalization network), with the help of a matching arrangement, which is temporary or permanent to the converter equalizer System is connected, determined and so the equalization system is automatically adapted to the respective converter.
  • the equalizer network will initially be further specified for the electrodynamic sound transmitter, which is operated in a bass reflex or compact box system.
  • the non-linear integro differential equation (IDG) is set up, the equalizer transfer function is determined and implemented in a circuit arrangement.
  • the non-linear equivalent circuit diagram (see FIG. 7 a) differs from the linear one in that current and deflection-dependent parameters or quantities occur.
  • the following nonlinear equation (IDQ) can be set up in the time domain from the equivalent circuit diagram when fed with a constant current source
  • the deflection-equivalent time signal x (t) which acts here as a control variable, can be implemented by a linear transmission element (low pass) with the following transfer function be replicated.
  • the electrodynamic converter system with a constant current source does, however, require more effort in the area of the power amplifier by inserting a voltage-current converter and requires additional measures to ensure a balanced sound pressure amplitude frequency response, but simplifies the non-linear equalization.
  • the predistorted input signal is expediently converted into a current signal only at the power amplifier.
  • the deflection-equivalent time signal x (t) can be carried out using a linear system (low pass) with the following transfer function from the undistorted input signal u (t) and the current i L (t) using the linear transfer function be determined.
  • the circuits of the equalizer for current and voltage supply can be derived directly from the non-linear transfer functions (5), (12).
  • the point operations contained correspond to multiplications in the time domain.
  • the convolution with a constant weight function corresponds to a linear system (filter) connected in the transmission path.
  • the nonlinear functions are realized by memoryless, nonlinear two gates.
  • the equalizer network contains a three-port D S (FIG. 9), which consists of a more linear, dynamic network X (100), a memoryless, non-linear two-port N S (101) and an adder (103) consists.
  • the input E2 (22) of the three-way monitor is connected to the input of the two-port X.
  • the output of the two-port X which carries a deflection-equivalent signal, is connected to the input of an adder via the memoryless, non-linear two-port N S.
  • the second input of the adder is connected to the input E1 and the output of the adder and the output A of the Dreitor D S are interconnected.
  • the equalizer network contains a three port D B (FIG. 10), which consists of a more linear, dynamic network X, a memoryless, non-linear two port N B (104) and a multiplier (105).
  • D B consists of a more linear, dynamic network X, a memoryless, non-linear two port N B (104) and a multiplier (105).
  • the input E2 of the Dreitor is connected in series via the linear two-port X and the memoryless, non-linear two-port N B to the input of the multiplier.
  • the second input of the multiplier is connected to the input E 1 and the output of the multiplier is connected to the output A of the Dreitor D S.
  • the equalizer network contains a three-port D D (FIG. 11), which consists of a more linear, dynamic network X, a differentiator (108), a memoryless, non-linear two-port N D (106) and an adder - And multiplier (103, 107).
  • the input E2 of the three-way monitor is connected via the two-port X to both the memoryless, non-linear two-port N D and the input of a differentiator.
  • the outputs of the differentiator and the memoryless, non-linear two-port N D are linked together via a multiplier and connected to the input of an adder.
  • the second input of the adder is connected to the input E 1 and output of the adder and the output A of the three-phase D D.
  • the equalizer network contains a three port D M , which consists of a linear, dynamic network X, a memoryless, non-linear two port N M (110), a square (108), a multiplier (109), and an adder (103) exists.
  • the input E2 of the three-way monitor is connected to sound transmitters that are fed via a constant current source (FIG. 13), both directly to the input of the squaring stage and via the two-port X to the input of the memory-free, non-linear two-port N M.
  • the outputs of the squarer and the two-port N M are linked via a multiplier and fed to the input of an adder.
  • the second input of the adder is connected to the input E 1 and the output of the adder is connected to the output A of the Dreitor D M.
  • the input signal of the squaring stage which corresponds to the input current of the converter, is generated with the aid of a non-linear network (111) according to relationship (13).
  • the deflection-equivalent signal at the output of the two-port X is fed both to a linear two-port with the transfer function I (s) and to the non-linear, non-linear two-port N S , N B.
  • the output of the linear two-port I and the output of the two-port N S are combined in an adder and fed to one input of a multiplier.
  • the other input of the multiplier is connected to the output of the non-linear two-port N B.
  • the output of the multiplier carries the input current equivalent signal.
  • the equalizer network contains a three-port network D L (FIG. 14), which consists of a more linear, dynamic network X, a non-linear network (111), a differentiator (112) and a non-linear two-port N L (110 ) and a multiplier (109) and adder (103).
  • the input E2 of the three-way connector is connected via the linear two-port X to the non-linear two-port N L.
  • the output of the two-port N L and the output of the current simulation (111) described above are connected to the inputs of the multiplier.
  • the output signal is fed to one input of an adder via a differentiator.
  • the second input of the adder is connected to the input E 1 and the output of the adder is connected to the output A of the Dreitor D L.
  • the compensation three-way gates In the case of simultaneous compensation of the electrodynamic drive and other converter parameters, the compensation three-way gates must be connected to one of their two inputs and the output in a chain such that, apart from the three-port D L of inductance compensation, all other three-port sides are connected to the three-port D B on the input side (FIG. 4 ).
  • the output of the compensation third-party D L must always be connected to the transducer inputs of the sound transmitter.
  • This circuitry arrangement of the compensation three-way gate results directly from the analytical structure of the transfer function (large curly brackets in 5 and 12 respectively) and corresponds to the mirror symmetry between Equalizer structure (signal flow diagram in Fig. 20 a) and the active structure (signal flow diagram 7 b) of the nonlinear physical mechanisms in the electrodynamic loudspeaker. Only in this order can the distortions caused by the deflection of the voice coil be fully compensated.
  • the deflection of the membrane changes not only the electrical and mechanical parameters of the transducer, but also the acoustic radiation conditions, i.e. the distance between the current membrane position and a fixed reception point in the main radiation direction (axis) depends on the deflection and leads to a different transit time of the signal in the acoustic system.
  • high-frequency signal components with short wavelengths are impaired by the resulting phase or frequency modulation (known as the Doppler effect) and generate additional intermodulation distortions ([5] GL Beers and H.Belar, "Frequency-Modulation Distortion in Loudspeakers", J. Audio Eng. Soc ., Volume 29, pages 320-326, May 1981).
  • this distortion mechanism is also modeled and the required transfer function of the equalization network is derived and the required circuit structure is determined.
  • the constant acoustic impulse response h o (t) can be separated from the variable transit time, which results from the quotient of deflection x (t) and speed of sound c.
  • the transfer function of the equalizer (24) can be implemented in terms of circuitry with the aid of a transfer element with a variable, controllable transit time.
  • a control-equivalent signal x (t) is required for control.
  • This signal can be obtained from the electrical signal u L (t) using a linear filter with the transfer function X (s).
  • this correction network Considering this correction network as a three-port D T , whose input E1 (21) is fed with the signal u (t) and whose output A (25) to Converters leads, the control input E2 (22) is connected to the output A.
  • the compensation network for Doppler distortions is one of the retroactive, feedback circuit structures (see FIG. 2 b).
  • the resulting overall equalization network thus consists of a chain connection of two nonlinear, dynamic transmission links (see two gates Z1 and Z2 in FIG.
  • the control input E2 (22) of this three port is connected to the input of the linear filter (100), which has the transfer function X (s) and at whose output a deflection-equivalent signal x (t) is produced.
  • the input E1 (21) is connected to the input of a delay element (138), at the output of which the input signal appears after 20 ⁇ s delay without further distortion.
  • a delay element 138
  • the instantaneous signal x (t) is interpolated between the instantaneous and the delayed signal.
  • the sound flow passes through a cross-sectional jump, so that a pressure chamber is created between the vibrating membrane and the funnel entrance.
  • the parameters of the acoustic elements friction in the funnel entrance K and compliance of the pressure chamber D are dependent on acoustic state variables. With a very large sound flow q K , the flow at the funnel entrance is no longer laminar. The formation of turbulence creates, in addition to viscous friction, further losses which lead to an increase in the overall friction parameter (flow resistance).
  • the second non-linear mechanism is caused by the (adiabatic) compression of the air in the pressure chamber.
  • the resilience of the enclosed air volume V decreases with increasing pressure p D in the chamber and can be described by the following relationship If all acoustic and mechanical elements are transformed to the electrical side, an equivalent electrical equivalent circuit (FIG. 8) can be specified.
  • the linear elements of the mechano-acoustic system are in the complex impedance summarized.
  • control signal u K (t) can be carried out by a linear system with the following transfer function be replicated.
  • N A (i D ) N (i D ) ⁇ I D , (39)
  • the non-linear transfer function of the equalizer can be converted directly into a circuit.
  • the convolution operations are carried out by linear filters with the transfer functions Y (s), F (s), Z (s), W (s) and the non-linear functions N A and N R are implemented by memoryless, non-linear transfer systems.
  • the signals are linked in accordance with the algebraic structure of the equalizer function (32) with adders and multipliers.
  • the input E 2 of the three-port D A is via a transmission element (115) connected to the input of a memoryless, non-linear transmission element N A (114).
  • the output of the two-port N A is connected via the linear transfer two-port W (113) to the first input of an adder (103) and the second input of the adder is connected to the input E 1 of the three-way monitor.
  • the output of the adder being connected together to the output A of the D Dreitors A.
  • the input E2 of the Dreitor D R is via a linear, dynamic transmission element Y (118) connected to the input of a memoryless, non-linear transmission element N R (119).
  • the output of the two-port N R is connected via the linear transmission element F (120) to the first input of an adder (103) and the second input of the adder is connected to the input E 1 of the three-way monitor.
  • the output of the adder is connected to the output A of the three-phase D R.
  • the circuit can compromise the accuracy of the compensation be greatly simplified in certain frequency areas.
  • the electrodynamic sound receiver (microphone) also generates non-linear signal distortions when there is high sound pressure in the lower frequency range.
  • the physical background is first explained using a model of the electrodynamic sensor with concentrated electrical and mechanical elements, and then the equalizer network is derived.
  • stiffness of the membrane suspension s T (x) and the stiffness of the coupled air volume s B (x) are summarized in a constant overall stiffness s o and in a deflection-dependent overall stiffness s G (x).
  • s O + s G (X) s T (x) + s B (x) (48)
  • the amplifier connected to the sensor should have a sufficiently high internal resistance so that the resistance and inductance of the voice coil can be neglected.
  • the force F is the input variable of the transducer and the voice coil deflection x acts as a parameter-changing state variable.
  • the nonlinear equalizer network must do the following transfer function in the time domain with the abbreviations and have.
  • the frequency-independent, non-linear functions result from the dependent parameters of the sensor where the auxiliary function N U (x) of the relationship enough.
  • the non-linear transfer function of the equalizer can be converted directly into a circuit.
  • This circuit is a chain connection of two non-linear, dynamic two-port Z2 and Z3.
  • the two-port Z2 which immediately follows the sound receiver, contains the three-port D BE for compensation of the electrodynamic coupling factor.
  • the second two-port connected to the output of the three-way D BE contains the three-way to compensate for the deflection-dependent damping and the rigidity.
  • the three port D BE (FIG. 19) compensates for the coupling parameter which is variable in terms of deflection.
  • the input E2 of the Dreitor is connected in series via an integrating element (129), a serially coupled memoryless, non-linear transmission element N BE (130) to the one input of a multiplier (131).
  • the input E 1 is connected to the second multiplier input and the output of the multiplier is connected to the output A of the rotator D BE .
  • the three-port D SE (FIG. 17) effects a desired change or compensation of the stiffness of the diaphragm suspension which is variable in terms of deflection.
  • the input E2 of the Dreitor D SE is connected via an integrating element (123), a memoryless, non-linear transmission element N SE (122) and a linear two-port Q (121) to the one input of an adder (103).
  • the second input of the adder is connected to the input E 1 and the output of the adder is connected to the output A of the Dreitor D SE .
  • the Dreitor D DE (Fig. 18) effects a desired change or compensation of the stiffness of the diaphragm suspension which is variable in terms of deflection.
  • the input E2 of the Dreitor D DE is connected both directly to the one input of a multiplier (107) and via the chain connection of an integrating element (126) and a memory-free, non-linear transmission element N DE (128) to the second input of the multiplier.
  • the output of the multiplier is connected via a linear two-port Q (121) to the input of an adder, the second input of the adder is connected to the input E 1 and the output of the adder is connected to the output A of the three-phase D DE .
  • the non-linear signal distortion is caused by the action of one constant parallel capacitance C p , through the deflection-dependent electrical attraction between the membrane and counterelectrode and through the deflection-dependent compliance of the air cushion or the membrane.
  • the membrane with the area S M converts the sound pressure signal p m (t) into a force signal F (t), which acts on the overall compliance in the frequency range of interest.
  • a polarization voltage U o is built up between the membrane and the counter electrode of the electrostatic sensor and the input resistance of the coupled amplifier is so high that no charges can flow off at the signal frequencies of interest.
  • a second constant parallel capacitance C p acts in addition to the capacitance C o between the membrane and counterelectrode, which is controlled by the deflection of the membrane.
  • the entire system should be linearized and the following linear Transfer function be fulfilled.
  • the nonlinear equalizer network must have the following transfer function in the time domain.
  • the equalizer network is frequency-independent and corresponds to a simple, memory-free, non-linear two-port.
  • the equalizer network has changeable properties, ie the parameters of the equalizer network, in particular the non-linear, memoryless two-ports, can be changed via at least one control input.
  • the control lines of the parameter control there are aids for storing the set control value (holding circuits) in order to retain the determined parameter setting even after the adjustment process has ended.
  • a further circuit-technical aid is activated to adapt the network. It consists of a generation part for generating an excitation signal and an analysis part for recording and evaluating a measurement signal and for generating control signals for setting the equalizer parameters.
  • the adapter arrangement can be designed as a control circuit or as a control circuit.
  • a separate adaptation is possible in the control circuit, in which the converter is initially connected to the measuring arrangement to form a measuring chain without an equalizer network, and the nonlinear converter parameters are determined and stored in the holding circuits. After measuring the converter parameters, the equalizer network is coupled to the converter again and the outputs of the holding circuits are connected to the control inputs of the equalizer network.
  • a simultaneous adaptation appears to be more advantageous, in which the generation part is connected to the transducer-equalizer system and the analysis part to form an electrode.
  • the output of the analysis section is connected to the control input of the equalization network, so that the control signals generated in the analysis section change the parameters of the equalization network and adapt the system to the converter.
  • a main control system takes over the control and control of the subsystems during the adjustment process.
  • the generation part is connected to the input terminals of the converter via the equalizer network.
  • the measurement signal can be derived via an impedance measurement or via an acoustic measurement.
  • the acoustic measurement requires an additional sound receiver, but reduces the technical effort in the subsequent analysis section.
  • the overall arrangement can be adapted to the transmission behavior of the two-port X by means of the three-port damping and stiffness compensation. As a result, the adaptation effort can be reduced and, at the same time, a desired linear overall transmission behavior can be realized.
  • the individual distortion components are separated from the recorded measurement signal (microphone signal) with a spectral or correlation analysis and the control signals are derived.
  • the excitation signal is conducted via non-linear, dynamic two-ports, which synthetically simulate the non-linear causes of distortion of the converter and separate individual distortion components.
  • the frequency and phase position of the reference signals, but not their amplitude, is important for the correlation analysis.
  • the measurement signal and a reference signal are fed to the two inputs of the correlator.
  • the correlator consists of a multiplier and a downstream low-pass filter.
  • the correlation signal is used directly to control the equalizer network.
  • the adaptation process is carried out with various signal modulations in order to achieve the best possible match and ultimately compensation in the small and large signal range.
  • the optimal equalizer parameters intended for lower modulation can be adopted and only the curve sections relevant for the extended modulation range can be changed.
  • the converter equalizer system In the event that the converter equalizer system has reached its modulation limits and, for example, the deflection of the voice coil or the power supplied and converted into heat can destroy the converter, it is advisable to arrange a non-linear, dynamic two-port Z SS in the equalizer network.
  • the two-port Z SS has the same structure as the other non-linear equalizer blocks. It contains non-linear, dynamic three-port D SS for modulation limitation and for power limitation.
  • a controllable, non-linear network H switched which has, for example, a high-pass characteristic.
  • the input E2 is connected via a linear network O, via a memoryless, non-linear two-port N O and via a further linear two-port B to the control input of the two-port H.
  • the linear two-port O has the transfer function X (s) and generates a deflection-equivalent signal.
  • the non-linear two-port N O is a rectifier and the downstream two-port has a low-pass characteristic.
  • the linear two-port O has a transfer function derived from the electrical input impedance.
  • the non-linear two-port N O contains a squarer and the subsequent linear two-port B is an integrator, the integration time of which corresponds to the heating-up time (determined by thermal capacity and thermal conductivity) of the converter.
  • a change in the linear transmission properties of the two-port H prevents the converter from being destroyed or the generation of non-linear distortions when the modulation limit (max. Deflection, max. Power loss) is reached.
  • the network contains a linear low-pass filter (34) of second order X (s), a differentiator s (36), three memoryless, non-linear two-ports N S (35), N B (38), N D (37) and three multipliers (33 , 28, 95) and two adding stages (29, 30).
  • the input of the adder (30) and the input of the low pass X (34) are connected to the input (31) of the equalizer network.
  • the output of the low-pass filter X (34) which carries a deflection-equivalent signal, is connected both to all inputs of the memoryless, non-linear two-ports (35, 37, 38) and the differentiating element (36) and to one input of the multiplier (95) .
  • the second The input of the multiplier (95) is linked to the output of the non-linear two-port N S (35).
  • the output of the multiplier (95) is superimposed in the adder (30) with the undistorted signal.
  • the output of the differentiating element (36) and the output of the non-linear two-port N D (37) are connected to the inputs of the multiplier (33).
  • the output of the multiplier is linked to the predistorted signal via the adder (29) and is fed to one input of the multiplier (28).
  • the second input of the multiplier (28) is connected to the output of the memoryless two-port N B (38).
  • the output of the multiplier (28) is connected to the loudspeaker via an amplifier (7) with constant current supply.
  • the linear network is constructed as an active RC filter.
  • the quality and the resonance frequency of the second order low-pass filter X (s) is determined in accordance with the desired linear transmission behavior.
  • the overall system can be corrected for the required linear properties for any loudspeaker with different resonance frequency and quality.
  • the correspondence between the low-pass function X (s) and the linear transmission behavior of the overall arrangement is a necessary prerequisite for the functionality of the nonlinear equalizer.
  • the loudspeaker Since in the present example the loudspeaker has no stiffness and damping non-linearities, only constant values are stored in the two gates N S (35) and N D (37).
  • the non-linear characteristic of the memoryless two-port N B (38) must, however, be adapted to the converter.
  • a hold circuit (48, 49, 50, 51, 42) is connected to the control inputs of the amplifiers and stores the optimally set control voltage after the adaptation process.
  • the control voltage of the linear (49, 60) and cubic branches (51, 58, 62) change the asymmetry of the characteristic. If the gain in the even-order potentiometers (61, 63) is increased, the symmetrical changes in the characteristic curve increase.
  • the control lines of the even and odd systems are each connected to a changeover switch (44, 45, 46) which are switched simultaneously by the main control unit (89) via the relay (43).
  • the rotors of the changeover switches lead to the constant (39), symmetrical (41) and asymmetrical (40) correction inputs.
  • the changeable non-linear "two-port" also contains a control line (42) with which the changeover switch can be switched and various operating points can be selected in the characteristic curves.
  • the coefficients of the linear (49) and quadratic (50) elements are optimized in the lowest operating point.
  • the order of the Taylor series approach or the number of parallel branches in the memoryless, non-linear two-port determines the number of additional operating points. They are appropriately distributed over the further modulation range of the converter.
  • the generating part (75) consists of two signal generators (65, 66) which generate a sinusoidal tone near the resonance frequency and a second higher-frequency tone. Both signals are added in an adder stage (67) and output to the equalizer network (1) via the switch (87) via a voltage-controlled amplifier (91).
  • the main control unit (89) establishes this connection via the relay (88) during the adaptation process and switches back to the normal signal input (93) after adaptation.
  • the equalizer network (1) is connected to the converter via a DC voltage-transmitting amplifier (7) (2) connected.
  • a microphone (3) is used to measure the sound pressure in the vicinity of the loudspeaker during the adjustment process and the electrical microphone signal is fed to the analysis part (76).
  • the analysis part contains a correlator for each parameter to be adjusted, which was implemented with the aid of a multiplier (77, 78, 79, 80) and a downstream free pass (81, 82, 83, 84).
  • the microphone signal is routed to one input of the correlator and a reference signal derived from the excitation signal to the other input.
  • the amplitude of the reference signals is arbitrary and has no information value. However, the frequency and phase position of the reference signals correspond to the basic tones, harmonics or intermodulations in the microphone signal.
  • the reference signal R (f1) and R (f2) at the multipliers (77, 78) is obtained by linear filtering (68, 89) with the transfer function X (s) of the linear two-port of the equalizer circuit from the excitation signal.
  • the reference signal R (f 1) is linked in the correlator (77, 81) with the microphone signal, then passed through a differentiator (85) to the control input (39) of the memory-free, non-linear two-port stiffness compensation.
  • the reference signal R (f2) is fed to the correlator (78, 82) and its output is connected to the control input (39) of the damping compensation via a differentiating element (86).
  • Both control signals change the constant portion of the memoryless, non-linear two gates N S and N D so that the linear transmission behavior (resonance frequency and quality) of the equalizer network converter system matches the transmission behavior X (s) and the output signal at the integrators ( 81) and (82) becomes maximum.
  • the reference signals R (f1 + f2) and R (2 ⁇ f1 + f2) are synthetically generated in an electronic replica of the nonlinear converter.
  • This network is a circuit implementation of the modeling of the transmission behavior with the VOLTERRA series.
  • the signals f 1 and f 2 are passed through linear filters X (68, 89), multiplied together in (72) and filtered again with the linear transfer function of the converter (74).
  • the reference signal R (f 1 + f 2) obtained in this way corresponds in phase and frequency to the intermodulations which are generated by asymmetries in the characteristic curve of the electrodynamic coupling factor ([6] Klippel, W.: Dynamic Measurement of Non-Linear Parameters of Electrodynamical Loudspeakers and their Interpretation 88. Conv. Of the Audio Eng. Soc., March 1990, preprint 2903).
  • the signal f1 is additionally squared before multiplication.
  • the output signal of the multiplier (71) is also subjected to linear filtering (74) with the transfer function X.
  • the reference signal R (f1 + f2) is linked in the correlator (79, 83) with the microphone signal, then fed to the unbalanced control input (40) of the memory-free, non-linear two-port drive compensation N B.
  • the reference signal R (2 ⁇ f1 + f2) is fed to the correlator (80, 84) and its output signal is connected to the symmetrical control input (41) of the memoryless, non-linear two-port N B of the drive compensation.
  • the characteristic curve is changed by both control signals so that the second and third order intermodulation products in the received measurement signal are reduced and the output signal of the integrators (83) and (84) runs towards zero.
  • the sign of the correlation signal indicates over- or under-compensation by the equalizer network and leads to a decrease or increase in the voltage in the subsequent holding circuits (48, 49, 50, 51, 52) of the non-linearity without memory.
  • the main control system (89) connects the equalizer input (31) to the generating part (75), switches on the lowest excitation voltage via the voltage-controlled amplifier (91) and starts the adaptation the constant of the two-port N D , N S and determines the optimal voltage value in the holding circuit (48).
  • the coefficients of the linear and quadratic branches are changed in the two-port N B and optimal voltages in the holding circuits (49, 50) are determined.
  • the main control system (89) switches on the two higher coefficients of the Taylor development in N B with the switches (44, 45), increases the excitation voltage and determines the optimum value for the holding circuits (51, 52).
  • the constant parameters in the two-port N S and N D ie the values in the holding circuits (48), are no longer changed.
  • the main control system switches off the generating part (75) and connects the equalizer input (31) to the general signal input (93).
  • the advantages achieved with the invention consist in particular in realizing simple equalizer networks which largely take into account the converter-specific features and require a minimal number of components.
  • the problem of adapting the equalizer network to the converter was solved with the aid of a further circuit arrangement.
  • the adjustment system which is activated at times, enables the optimum equalizer parameters to be determined and set independently.
  • both a desired change in the linear properties and a reduction in the non-linear distortions can be achieved over the entire modulation range of the converter.

Abstract

The invention relates to a circuit arrangement for correcting linear and non-linear transfer characteristics of electroacoustic transducers within the entire range of modulation (small- and large-signal behaviour), consisting of an electrical equaliser network which is coupled to the connecting terminals of the transducer and an aid, which is connected either temporarily or continuously, for matching the equaliser network to the transducer. The equaliser network (1) consists of a chain circuit of transmission elements, at least one transmission element (two-terminal network Z) exhibiting a non-linear transfer characteristic between its input and output port. The non-linear equaliser network contains linear transmission systems, multiplicative and additive logic elements and non-linear volatile two-terminal networks which are interconnected in accordance with the balanced active structure of the transducer. The parameters of the non-linear volatile two-terminal networks are variable by means of control signals (39, 40, 41). The matching aid activated only for matching purposes contains a main controller (89), a generating part (75) for generating an excitation signal and an analysis part (76) for converting the measurement signal, picked up via a sensor (3), into control signals (39, 40, 41) for automatically setting the parameters of the equaliser network. The equaliser network matched to the transducer (2) by means of this aid changes the linear transfer characteristics and reduces the non-linear distortions of the overall system. The invention is characterised most clearly by Figure 22. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Korrektur des linearen und nichtlinearen Übertragungsverhaltens elektroakustischer Wandler, bestehend aus einem elektroakustischen Wandler, einem an den elektrischen Eingangsklemmen angekoppelten elektrischen Entzerrernetzwerk und einem Hilfsmittel zur Anpassung des Entzerrernetzwerkes an den Wandler. Das elektrische Netzwerk weist ein nichtlineares Übertragungsverhalten auf und verändert das elektrische Signal in der Weise, daß sich die nichtlinearen Wirkungen des Netzwerkes und des angekoppelten Wandlers kompensieren. So kann ein Gesamtsystem mit verminderten nichtlinearen Verzerrungen und verbessertem linearen Übertragungsverhalten realisiert werden. Mit Hilfe eines Anpaßverfahrens und einer Anordnung können die Parameter des elektrischen Netzwerkes verändert und selbständig an das konkrete Übertragungsverhalten des Wandlers angepaßt werden.The invention relates to an arrangement for correcting the linear and non-linear transmission behavior of electroacoustic transducers, consisting of an electroacoustic transducer, an electrical equalizer network coupled to the electrical input terminals and an aid for adapting the equalizer network to the transducer. The electrical network has a non-linear transmission behavior and changes the electrical signal in such a way that the non-linear effects of the network and the coupled converter are compensated for. In this way, an overall system with reduced nonlinear distortion and improved linear transmission behavior can be implemented. With the help of an adaptation method and an arrangement, the parameters of the electrical network can be changed and independently adapted to the specific transmission behavior of the converter.

Die Ursachen für die nichtlinearen Verzerrungen bei elektroakustischen Wandlern sind sehr verschieden und hängen von dem jeweils verwendetem Wandlerprinzip ab.The causes of the nonlinear distortions in electroacoustic transducers are very different and depend on the transducer principle used in each case.

Bei elektrodynamischen Wandlern (Lautsprecher, Kopfhörer, Mikrofone, technische Aktuatoren) verursachen die auslenkungsabhängigen Parameterveränderungen die stärksten nichtlinearen Verzerrungen. Bei Lautsprecheranordnungen mit spezieller Schallführung entstehen in der Druckkammer und im Horneingang durch nichtlineare Kompressions- und Strömungsvorgänge zusätzliche Verzerrungen. Selbst bei elektrostatischen Wandlern (Kondensatormikrofon) wird durch die Umverteilung (bzw. Abwanderung) der elektrischen Ladungen das lineare Übertragungsverhalten gestört.In the case of electrodynamic converters (loudspeakers, headphones, microphones, technical actuators), the displacement-dependent parameter changes cause the strongest nonlinear distortions. In loudspeaker arrangements with special sound guidance, additional distortions occur in the pressure chamber and in the horn entrance due to non-linear compression and flow processes. Even with electrostatic converters (condenser microphones), the redistribution (or migration) of the electrical charges disrupts the linear transmission behavior.

Die Verminderung der nichtlinearen Signalverzerrungen führt zu einer Verbesserung des subjektiven Höreindruckes bei elektroakustischer Aufnahme und Wiedergabe von Audiosignalen. Aber auch in der Meßtechnik und bei der aktiven Lärmbekämpfung werden zum Teil erhebliche Forderungen an die Linearität von Sensoren und Aktuatoren gestellt. Nichtlineare Verzerrungen, die im Antischallsystem auftreten, werden durch den Störschall nicht kompensiert und begrenzen die Wirksamkeit der Schallschutzmaßnahme. Eine Linearisierung von Schallsendern mit konstruktiven Mitteln führt in der Regel zu einer Senkung des Wirkungsgrades und führt bei praktischen Beschallungsaufgaben zu einem erhöhten Mehraufwand. Deshalb versucht man durch zusätzliche elektrische Systeme den Wandler zu entzerren und sein lineares und nichtlineares Übertragungsverhalten zu verbessern.The reduction in nonlinear signal distortion results to improve the subjective auditory impression in electroacoustic recording and playback of audio signals. But also in measurement technology and active noise abatement, there are sometimes considerable demands on the linearity of sensors and actuators. Non-linear distortions that occur in the anti-noise system are not compensated for by the noise and limit the effectiveness of the noise protection measure. A linearization of sound transmitters with constructive means generally leads to a reduction in efficiency and leads to increased additional expenditure for practical sound reinforcement tasks. Therefore, attempts are made to equalize the converter by means of additional electrical systems and to improve its linear and non-linear transmission behavior.

Dazu wurde in dem GB Patent 1.031,145 (PH 18.481) für elektroakustische Schallsender eine negative Gegenkopplung vorgeschlagen. Hierzu wird am Wandler oder im umgebenden Schallfeld eine elektrische, mechanische oder akustische Größe gemessen und in eine dem Antriebssignal äquivalente Größe (Strom oder Spannung) gewandelt und dem Speisesignal in entgegengesetzter Phasenlage zugesetzt, d.h. gegengekoppelt.For this purpose, negative feedback was proposed in GB Patent 1,031,145 (PH 18,481) for electroacoustic sound transmitters. For this purpose, an electrical, mechanical or acoustic variable is measured on the transducer or in the surrounding sound field and converted into a variable (current or voltage) equivalent to the drive signal and added to the feed signal in the opposite phase, i.e. negative feedback.

Die negative Gegenkopplung hat den Vorteil, daß die genaue Struktur des nichtlinearen Übertragungssystemes nicht bekannt sein muß und daß bei einer Veränderung der Nichtlinearität (Alterung) die Funktionstüchtigkeit erhalten bleibt. Jedoch sind die erforderlichen Signalaufnehmer teuer, anfällig und besitzen ein bestimmtes Übertragungsverhalten, das durch geeignete Entzerrernetzwerke kompensiert werden muß. Die Gefahr einer möglichen Mitkopplung bedingt Maßnahmen zur Korrektur des Phasenganges ([1] Hall, D.S.: Design Considerations for an Accelerometer-Based Dynamic Loudspeaker Motional Feedback System. 87. Audio Eng. Soc. Conv, New York Oktober 1989 (Preprint 2863)). All diese Probleme verhindern, daß sich die Gegenkopplung an elektroakustischen Schallsendern im breiten Umfang durchsetzte.The negative feedback has the advantage that the exact structure of the nonlinear transmission system does not have to be known and that the functionality is retained when the nonlinearity (aging) changes. However, the required signal pickups are expensive, susceptible and have a specific transmission behavior that must be compensated for by suitable equalizer networks. The danger of a possible positive feedback requires measures to correct the phase response ([1] Hall, DS: Design Considerations for an Accelerometer-Based Dynamic Loudspeaker Motional Feedback System. 87. Audio Eng. Soc. Conv, New York October 1989 (Preprint 2863)) . All these problems prevent the negative feedback on electroacoustic sound transmitters from becoming widely accepted.

Im Hinblick auf die praktische Realisierung ist es vorteilhaft, auf den Signalaufnehmer am Wandler grundsätzlich zu verzichten, und eine rein serielle Vorverzerrung ohne Signalrückführung zu realisieren.In terms of practical implementation, it is advantageous to basically do without the signal pick-up on the converter and to realize a purely serial predistortion without signal feedback.

Hierzu ist es zunächst erforderlich, das nichtlineare Übertragungsverhalten des Wandlers ausreichend genau zu modellieren und durch eine nichtlineare Übertragungsfunktion zu beschreiben. Wird dem Wandler nun ein dynamisches nichtlineares System vorgeschaltet, das die inverse nichtlineare Übertragungsfunktion des Wandlers genügend genau nachbildet, so lassen sich die Gesamtverzerrungen kompensieren.For this it is first necessary to model the non-linear transmission behavior of the converter with sufficient accuracy and to describe it using a non-linear transfer function. If the converter is now preceded by a dynamic nonlinear system which simulates the inverse nonlinear transfer function of the converter with sufficient accuracy, the overall distortions can be compensated for.

Einen möglichen Ansatzpunkt für die Modellierung des nichtlinearen Wandlers bietet die VOLTERRA-Reihenentwicklung. Sie ist ein sehr vorteilhaftes Handwerkzeug um Verzerrungen zweiter und dritter Ordnung von schwach nichtlinearen Systemen bei sehr kleinen Eingangssignalen zu beschreiben. Bei stärkeren Nichtlinearitäten kann das System nicht mehr durch quadratische und kubische Teilsysteme beschrieben werden und weitere Glieder der VOLTERRA-Reihe müssen berücksichtigt werden. Um eine Konvergenz zu erzielen, muß nach dem Kriterium von Weierstrass das Eingangssignal stets ausreichend klein und begrenzt sein. Diese Theorie wurde erstmals von ([2] Kaizer, A.J.: Modeling of the Nonlinear Response of an Electrodynamic Loudspeaker by a Volterra Series Expansion. J. Audio Eng. Soc. 35 (1987) 6, S. 421) auf den Wandler angewendet. Im Kleinsignalverhalten wurde eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und berechneten Verzerrungen erzielt, jedoch bei größeren Aussteuerungen können nichtlineare Effekte beobachtet werden, die nicht mit quadratischen und kubischen Übertragungsfunktionen beschrieben werden können ([3] Klippel, W.: The Large-Signal-Behaviour of Electro-dynamical Loudspeakers at Low Frequencies. 90. AES Convention Paris 1991, Preprint 3049).The VOLTERRA series development offers a possible starting point for modeling the non-linear converter. It is a very advantageous hand tool for describing second and third order distortions of weakly nonlinear systems with very small input signals. In the case of stronger non-linearities, the system can no longer be described by quadratic and cubic subsystems, and other elements of the VOLTERRA series must be taken into account. In order to achieve convergence, the input signal must always be sufficiently small and limited according to the Weierstrass criterion. This theory was first applied to the converter by ([2] Kaizer, A.J .: Modeling of the Nonlinear Response of an Electrodynamic Loudspeaker by a Volterra Series Expansion. J. Audio Eng. Soc. 35 (1987) 6, p. 421). In the small-signal behavior, a good agreement between the measured and calculated distortions was achieved, but nonlinear effects can be observed with larger modulations, which cannot be described with quadratic and cubic transfer functions ([3] Klippel, W .: The Large-Signal-Behavior of Electro -dynamical Loudspeakers at Low Frequencies. 90th AES Convention Paris 1991, Preprint 3049).

Sind die VOLTERRA-Funktionale eines beliebigen kausalen, zeitinvarianten, nichtlinearen Systems bekannt, so kann nach ([4] Butterweck, H.J.: Frequenzabhängige nichtlineare Übertragungssysteme. Archiv Elektronik und Übertragungstechnik, Band 21 (1967), Heft 5, S. 239) ein entsprechendes Kompensationssystem mit der inversen Übertragungsfunktion abgeleitet werden. Kaizer wandte dieses Methode auf den elektrodynamischen Wandler an und schlug in dem EP 85200885 eine " Anordnung zur Unwandlung eines elektrischen Signales in ein akustisches Signal und umgekehrt bei Verwendung eines nichtlinearen Netzwerkes" vor, die eine Verminderung der linearen und nichtlinearen Verzerrungen bewirken soll. Diese Anordnung " enthält mindestens zwei parallele Zweige, wobei der erste Zweig die Verzerrungen erster Ordnung ... und der andere Zweig die Verzerrungen höherer Ordnung kompensiert". Diese Anordnung hat eine konsequent additive Struktur entsprechend den Reiheneigenschaften der VOLTERRA-Entwicklung. Die einzelnen Zweige stellen lineare, quadratische, kubische oder nichtlineare Netzwerke höherer Ordnung dar und kompensieren die entsprechenden Verzerrungsprodukte. Leider berücksichtigt dieses Konzept nur unzureichend die wandlerspezifischen Besonderheiten und verlangt in der praktischen Realisierung eine Beschränkung auf quadratische und kubische Korrektursysteme. So ist zwar im Kleinsignalbereich eine erfolgreiche Verzerrungskompensation möglich, jedoch bei größerem Eingangssignal verhält sich der Wandler nicht mehr wie ein ideal quadratisches bzw. kubisches System und die zwangsläufige Fehlkompensation führt statt zu einer Verminderung zu einer Erhöhung der Verzerrungen im Übertragungssignal. Die Einfügung von Kompensationsgliedern höherer Ordnung erweitert zwar den nutzbaren Aussteuerungsbereich, löst das Problem aber grundsätzlich nicht und führt zu technisch kaum realisierbaren Entzerrungssystemen. Die additive Parallelstruktur des Entzerrernetzwerkes, die sich zwangsläufig aus der VOLTERRA-Modellierung ergibt, führt zu einer universellen jedoch aufwendigen Schaltungsstruktur, die entscheidende Nachteile im Großsignalverhalten aufweist.If the VOLTERRA functionals of any causal, time-invariant, non-linear system are known, then according to ([4] Butterweck, HJ: Frequency-dependent non-linear transmission systems. Archive Electronics and Transmission Technology, Volume 21 (1967), Volume 5, p. 239) Compensation system can be derived with the inverse transfer function. Kaizer applied this method to the electrodynamic converter and proposed in EP 85200885 an "arrangement for converting an electrical signal into an acoustic signal and vice versa when using a non-linear network", which is intended to reduce the linear and non-linear distortions. This arrangement "contains at least two parallel branches, the first branch compensating for the first-order distortions ... and the other branch compensating for the higher-order distortions". This arrangement has a consistently additive structure corresponding to the series properties of the VOLTERRA development. The individual branches represent higher order linear, quadratic, cubic or nonlinear networks and compensate for the corresponding distortion products. Unfortunately, this concept only insufficiently takes into account the transducer-specific features and, in practical implementation, requires a restriction to square and cubic correction systems. Although it is possible to successfully compensate for distortion in the small signal range, the converter no longer behaves like an ideal quadratic or cubic system with a larger input signal and the inevitable incorrect compensation leads instead to a reduction in an increase in the distortion in the transmission signal. The insertion of higher order compensation elements extends the usable modulation range, but does not fundamentally solve the problem and leads to technically hardly realizable equalization systems. The additive parallel structure of the equalizer network, which inevitably results from the VOLTERRA modeling, leads to a universal but complex circuit structure, which has decisive disadvantages in large signal behavior.

Das Problem der Anpassung nichtlinearer Entzerrernetzwerke an den elektroakustischen Wandler wurde in der Literatur bisher nicht diskutiert und keine Methoden, Hilfsmittel bzw. automatische Verfahren bisher dazu entwickelt.The problem of adapting nonlinear equalizer networks to the electroacoustic transducer has not been discussed in the literature and no methods, tools or automatic methods have been developed to date.

Aufgabe der Erfindung ist es, erstmalig ein Entzerrernetzwerk ohne ständige Signalrückführung (motional feed back) zu schaffen, das eine vollständige, automatische (selbständige) Kompensation der nichtlinearen Verzerrungen im Klein- und Großsignalbereich (bis zur maximale Verlustleistung bzw. im gesamten Auslenkungsbereich der Schwingspule) erlaubt, die spezifischen Besonderheiten (nichtlineare Verzerrungsursachen) des jeweiligen elektroakustischen Wandlers besser berücksichtigt und mit weniger Aufwand realisiert werden kann.The object of the invention is, for the first time, to create an equalizer network without constant signal feedback (motional feed back), which completely , automatically (independently) compensates for the nonlinear distortions in the small and large signal range (up to the maximum power loss or in the entire deflection range of the voice coil) allows the specific peculiarities (non-linear causes of distortion) of the respective electroacoustic transducer to be better taken into account and implemented with less effort.

Erfindungsgemäß wird der elektroakustische Schallwandler durch ein elektro-mechano-akustisches Ersatzschaltbild beschrieben. Hierbei werden die für die Signalübertragung wesentlichen konstruktiven Bestandteile des Wandlers in konzentrierten Wirkelementen funktional zusammengefaßt, die durch jeweils einen Parameter (z.B. Dämpfung, Steifigkeit der Aufhängung, elektrodynamischer Kopplungsfaktor B1, etc.) gekennzeichnet werden. Außer der bewegten Masse m der Schwingspule und der Membran unterliegen alle weiteren Elemente des Wandlersystems zeitlichen Parameterveränderungen. Die durch Alterung, Ermüdung und Erwärmung bedingten Veränderungen erweisen sich als Langszeitprozesse, die die linearen Übertragungseigenschaften des Wandlers verändern, aber keine nichtlinearen Signalverzerrungen hervorrufen. Die durch die Zustandsgrößen Auslenkung, Strom, Schnelle, Spannung und Schalldruck bedingten Parameterveränderungen führen zu den bekannten nichtlinearen Verzerrungen im übertragenen Signal. Das Übertragungsverhalten wird mit einer nichtlinearen Integro-Differentialgleichung (IDG) vollständig beschrieben, hieraus wird durch Umformung die zugehörige Entzerrerübertragungsfunktion abgeleitet und direkt in die Schaltungsstruktur des Entzerrernetzwerkes überführt.According to the invention, the electroacoustic sound transducer is described by an electro-mechano-acoustic equivalent circuit diagram. Here, the structural components of the converter that are essential for signal transmission are functionally combined in concentrated active elements, each of which is characterized by a parameter (for example damping, rigidity of the suspension, electrodynamic coupling factor B1, etc.). In addition to the moving mass m of the voice coil and the membrane, all other elements of the transducer system are subject to temporal parameter changes. The changes caused by aging, fatigue and warming prove to be long-term processes that change the linear transmission properties of the converter, but do not cause non-linear signal distortions. The parameter changes caused by the state variables deflection, current, fast, voltage and sound pressure lead to the known nonlinear distortions in the transmitted signal. The transmission behavior is fully described with a non-linear integro differential equation (IDG), from which the associated equalizer transfer function is derived by conversion and transferred directly into the circuit structure of the equalizer network.

Daraus ergibt sich die Schaltungsstruktur, die die physikalischen Besonderheiten des jeweiligen elektroakustischen Wandlersystems berücksichtigt und eine vollständige Kompensation der nichtlinearen Verzerrungen erlaubt.This results in the circuit structure, which takes into account the physical peculiarities of the respective electroacoustic transducer system and allows full compensation of the nonlinear distortions.

Zum besseren Verständnis können die zur Lösung der Aufgabe notwendigen Schritte auch mit Hilfe von Signalflußplänen erklärt werden.For better understanding, the steps necessary to solve the task can also be explained with the help of signal flow plans.

Das soll am Beispiel des elektrodynamischen Tieftonlautsprechers in Spannungsspeisung illustriert werden.This should be illustrated using the example of the electrodynamic woofer in voltage supply.

Das elektromechanische Ersatzschaltbild (Fig. 7a) läßt sich mit Hilfe der zugehörigen nichtlinearen IDG in ein äquivalentes Signalflußbild (Fig. 7b) übertragen, das aus einem nichtlinearen Übertragungssystem (152) und einem nachfolgenden linearen Übertragungssystem (153) besteht. Das lineare Teilsystem (153) setzt sich aus einem elektro-mechanischen System (144) mit der Übertragungsfunktion X(s) und einem nachgeschalteten mechano-akustischen System mit der Übertragungsfunktion H(s) zusammen.The electromechanical equivalent circuit diagram (FIG. 7a) can be transferred with the aid of the associated nonlinear IDG into an equivalent signal flow diagram (FIG. 7b) which consists of a nonlinear transmission system (152) and a subsequent linear transmission system (153). The linear subsystem (153) is composed of an electro-mechanical system (144) with the transfer function X (s) and a downstream mechano-acoustic system with the transfer function H (s).

Das dem linearen Übertragungssystem (153) vorgeschaltete nichtlineare System (152) verursacht die störenden, nichtlinearen Signalverzerrungen.The non-linear system (152) connected upstream of the linear transmission system (153) causes the disturbing, non-linear signal distortions.

Das nichtlineare System (152) enthält nichtlineare, dynamische Übertragungssysteme (Zweitore 147 - 151) und ein lineares Übertragungssystem (Zweitor 167), das ebenfalls die Übertragungsfunktion X(s) aufweist und weitere Verknüpfungselemente (139 - 143, 145).The nonlinear system (152) contains nonlinear, dynamic transmission systems (two-port 147-151) and a linear transmission system (two-port 167), which also has the transfer function X (s) and further linking elements (139-143, 145).

Die linearen und nichtlinearen Übertragungssysteme besitzen einen Eingang und einen Signalausgang, die Verknüpfungselemente besitzen zwei Signaleingänge und einen Signalausgang. Der Ausgang jedes Übertragungssystems ist mit dem einen Eingang eines Verknüpfungselementes verbunden. Beide Teile werden im folgenden als Dreitor bezeichnet. Jedes Dreitor repräsentiert genau eine nichtlineare Verzerrungsursache.The linear and non-linear transmission systems have one input and one signal output, the logic elements have two signal inputs and one signal output. The output of each transmission system is connected to the one input of a logic element. Both parts are referred to below as a three port. Each three port represents exactly one non-linear cause of distortion.

Die Dreitore, die die auslenkungsabhängige Induktion, die auslenkungsabhängigen Dämpfung, den elektromagnetischen Antrieb und die auslenkungsabhängigen Steifigkeit repräsentieren enthalten als Verknüpfungselemente Addierer (139, 141, 142, 143). Überraschenderweise führt der auslenkungsabhängige, elektrodynamische Antrieb zu einem multiplikativen Verknüpfungselement (140). Das Dreitor, das die Dopplerverzerrungen beschreibt, enthält als Verknüpfungselement ein veränderliches Verzögerungsglied (145).The three gates, which represent the deflection-dependent induction, the deflection-dependent damping, the electromagnetic drive and the deflection-dependent stiffness, contain adders (139, 141, 142, 143) as logic elements. Surprisingly, the deflection-dependent, electrodynamic drive leads to a multiplicative one Linking element (140). The three port, which describes the Doppler distortions, contains a variable delay element (145) as the link element.

Alle Dreitore sind in einer bestimmten Struktur miteinander verbunden. Hierbei ist der Ausgang des vorhergehenden Verknüpfungselementes mit einem Eingang des nächsten Verknüpfungselementes verknüpft und führt zu einer Verkettung aller enthaltenen Dreitore. Hierbei steht das Dreitor (147,139), das die elektrische Induktion beschreibt, an erster Stelle, gefolgt von dem Dreitor des elektrodynamischen Kraftfaktors (148, 140) und den Dreitoren, die mit dem elektromagnetischen Antrieb (150, 142), der nichtlinearen Dämpfung (141, 149) und der Steifigkeit (143, 151) korrespondieren. An letzter Stelle unmittelbar vor dem linearen Teilsystemen (145, 146) steht das Dreitor (145, 167), das mit der Erzeugung der Dopplerverzerrungen im akustischen System korrespondiert. Die Eingänge aller nichtlinearen Teilsysteme und des linearen Übertragungssystems (167) sind mit dem Signaleingang des Verzögerungsgliedes (145) verbunden. Somit werden die Übertragungssysteme (147-151) über eine Signalrückführung und das Dreitor der Dopplerverzerrungen rückführungsfrei gespeist. Durch die Signalrückführung im elektromechanischen Wandlerteil entstehen die bekannten Großsignaleffekte (Amplitudenkompression, Phasenverschiebung der Grundschwingung und der Verzerrungsprodukte). Die durch das Dreitor (145, 167) entstandenen Dopplerverzerrungen beeinflussen das mechanische Schwingungsverhalten (Auslenkung der Membran) und somit den Entstehungsprozeß der nichtlinearen Verzerrungen nicht. Aufgrund der unterschiedlichen Speisung der Übertragungssysteme (rückwirkend, rückwirkungsfrei) besteht das nichtlineare Übertragungssystem (152) aus zwei hintereinandergeschalteten nichtlinearen Teilsystemen.All three gates are interconnected in a certain structure. In this case, the output of the preceding logic element is linked to an input of the next logic element and leads to a chaining of all three-port gates contained. The three-port (147,139), which describes electrical induction, comes first, followed by the three-port of the electrodynamic force factor (148, 140) and the three-port, which are connected to the electromagnetic drive (150, 142), the non-linear damping (141 , 149) and the stiffness (143, 151) correspond. In the last position immediately in front of the linear subsystem (145, 146) is the three port (145, 167), which corresponds to the generation of the Doppler distortions in the acoustic system. The inputs of all non-linear subsystems and of the linear transmission system (167) are connected to the signal input of the delay element (145). The transmission systems (147-151) are thus fed back without feedback via a signal feedback and the three port of the Doppler distortions. The well-known large signal effects (amplitude compression, phase shift of the fundamental oscillation and the distortion products) result from the signal feedback in the electromechanical converter part. The Doppler distortions caused by the Dreitor (145, 167) do not influence the mechanical vibration behavior (deflection of the membrane) and thus the process of creating the nonlinear distortions. Due to the different supply of the transmission systems (retroactive, non-reactive), the non-linear transmission system (152) consists of two non-linear subsystems connected in series.

Die Wirkung dieses nichtlinearen Übertragungssystem (152), d.h. die Entstehung störender nichtlinearer Verzerrungen im Ausgangssignal, läßt sich durch ein ganz bestimmtes Entzerrungssystem vollständig kompensieren, das dem Schallsender vorgeschaltet wird:
Erfindungsgemäß, wird dieses Ziel gerade dadurch erreicht, daß das Entzerrungssystem die Übertragungsglieder SL (166), SB (165), SD (164), SM (163), SS (162) und X(s) (161) enthält, die mit den nichtlinearen und linearen Übertragungssystemen des Wandlers (147 - 151, 167) in ihrem Übertragungsverhalten übereinstimmen. Jedes dieser Übertragungsglieder ist mit einem Verknüpfungselement verbunden, das genau die inversen Eigenschaften des Verknüpfungselementes im entsprechenden Wandlerdreitor hat, d.h. statt der Addierer (139, 141 - 143) ergeben sich Subtrahierglieder (156 - 158, 160), statt dem Multiplizierer (140) ein Divisionsglied (159) und das steuerbare Verzögerungsglied (145) führt zu einem Verzögerungsglied mit der entgegengesetzten Steuercharakteristik. Die Verbindung von Übertragungsglied und zugehörigem Verknüpfungselement wird im folgenden als Dreitor bezeichnet.
The effect of this nonlinear transmission system (152), ie the occurrence of disturbing nonlinear distortions in the output signal, can be completely compensated for by a very specific equalization system, that of the sound transmitter upstream:
According to the invention, this goal is achieved in that the equalization system the transmission elements S L (166), S B (165), S D (164), S M (163), S S (162) and X (s) (161 ) contains, which correspond to the nonlinear and linear transmission systems of the converter (147 - 151, 167) in their transmission behavior. Each of these transmission elements is connected to a logic element that has exactly the inverse properties of the logic element in the corresponding converter driver, ie instead of the adders (139, 141-143), subtractors (156-158, 160) result instead of the multiplier (140) Division element (159) and the controllable delay element (145) leads to a delay element with the opposite control characteristic. The connection of the transmission link and associated link element is referred to below as a three port.

Alle Dreitore im Entzerrernetzwerk sind genau in der spiegelbildlichen Reihenfolge (bezogen auf die Eingangsklemmen des Wandlers) unter Benutzung eines ihrer Eingänge und ihres Ausganges zu einer Kette verbunden. Der Eingang aller Übertragungsglieder (Zweitore 161 - 166), d.h. der andere Eingang der Dreitore ist mit dem Ausgang des Verzögerungsgliedes verbunden. Somit korrespondiert das rückwirkungsfrei gespeiste Dreitor der Dopplerverzerrungen im Wandlersignalflußplan (145, 167) mit einem Entzerrerdreitor (155, 161), das über eine signalrückführung besitzt. Die weiteren elektromechanischen Dreitore, die im Wandlersignalflußbild über eine Signalrückführung verbunden waren, korrespondieren mit rückwirkungsfrei geschalteten Dreitoren im Entzerrernetzwerk. Somit besteht das Entzerrernetzwerk ebenfalls aus zwei hintereinandergeschalteten nichtlinearen Teilsystemen.All three gates in the equalizer network are connected in a chain in exactly the right order (in relation to the input terminals of the converter) using one of their inputs and their outputs. The input of all transmission elements (two-port 161-166), i.e. the other input of the three-port is connected to the output of the delay element. The three-port of the Doppler distortions in the converter signal flow diagram (145, 167) fed without feedback corresponds to an equalizer three-way (155, 161) which has a signal feedback. The other three-port electromechanical gates, which were connected via a signal feedback in the converter signal flow diagram, correspond to three-port gates in the equalizer network that are switched without feedback. The equalizer network thus also consists of two non-linear subsystems connected in series.

Nur allein mit dieser Filterstruktur des Entzerrers, die durch Invertierung und Spiegelung der Wandlersystemstruktur abgeleitet wurde, kompensieren sich die Dreitore im Wandler und Entzerrernetzwerk vollständig, d.h. die Addition (139) wird durch eine Subtraktion (160) des gleichen Signales im Entzerrer kompensiert, die Multiplikation (140) wird durch das Divisionselement (159) mit dem gleichen Signal im Entzerrer ausgeglichen. In gleicher Weise kompensieren sich alle weiteren Elemente des Störsystems durch die gespiegelte Verschaltung der inversen Verknüpfungselemente.Only with this filter structure of the equalizer, which was derived by inverting and mirroring the converter system structure, do the three-ports in the converter and equalizer network fully compensate, i.e. the addition (139) is achieved by subtracting (160) the same signal in Equalizer compensated, the multiplication (140) is compensated for by the division element (159) with the same signal in the equalizer. All other elements of the interference system are compensated in the same way by the mirrored connection of the inverse logic elements.

So ergibt sich für jeden Typ des elektroakustischen Wandlers eine eineindeutig zugeordenbare Schaltungsstruktur des Entzerrungsnetzwerkes.This results in a clearly assignable circuit structure of the equalization network for each type of electroacoustic transducer.

Allen diesen Schaltungsstrukturen sind folgende allgemeine Merkmale gemein:
Das Entzerrernetzwerk besteht aus einer Kettenschaltung (Hintereinanderschaltung) von Übertragungsglieder, wobei wenigstens ein Übertragungsglied (Zweitor) zwischen seinem Eingangs- und Ausgangstor ein nichtlineares Übertragungsverhalten aufweist.
The following general features are common to all these circuit structures:
The equalizer network consists of a chain connection (series connection) of transmission elements, with at least one transmission element (two-port) having a non-linear transmission behavior between its input and output ports.

Überraschenderweise wurde dabei festgestellt, daß eine vollständige Kompensation bestimmter, gleichzeitig wirkender, nichtlinearer Verzerrungsursachen (z.B. Dopplerverzerrungen und Kraftfaktor beim Tieftonlautsprecher oder Kraftfakor und Dämpfung beim elektrodynamischen Mikrofon) nur durch eine serielle Verknüpfung (Hintereinanderschaltung) mehrerer nichtlinearer Übertragungsglieder möglich ist (vergl. Fig. 1).Surprisingly, it was found that a complete compensation of certain, simultaneously acting, non-linear causes of distortion (e.g. Doppler distortion and force factor in the woofer or force factor and damping in the electrodynamic microphone) is only possible through a serial connection (series connection) of several non-linear transmission elements (see Fig. 1 ).

Eine Kettenschaltung der Übertragungsglieder des Entzerrungsnetzwerkes bedeutet, daß die Glieder wechselseitig mit ihrem Eingang und Ausgang verknüpft werden und somit in die Übertragungskette (Schallempfänger, Signalspeicher, Sender, Empfänger, Verstärker, Schallsender) eingeschaltet werden. Jedes dieser nichtlinearen Übertragungsglieder (Zweitore Z₁, Z₂, Z₃) ist ein gedächtnisloses (frequenzunabhängiges) oder dynamisches (frequenzabhängiges) System.A chain connection of the transmission links of the equalization network means that the links are mutually linked with their input and output and are thus switched on in the transmission chain (sound receiver, signal memory, transmitter, receiver, amplifier, sound transmitter). Each of these nonlinear transmission elements (two-port Z₁, Z₂, Z₃) is a memoryless (frequency-independent) or dynamic (frequency-dependent) system.

Jedes dynamische, nichtlineare Zweitor Z enthält mindestens ein Übertragungsdreitor D (vergl. Fig. 2), das mit einer nichtlinearen Verzerrungsursache im Wandler korrespondiert und zur Kompensation der entsprechenden nichtlinearen Verzerrungen dient.Each dynamic, non-linear two-port Z contains at least one transmission three (see FIG. 2), which corresponds to a non-linear cause of distortion in the converter and serves to compensate for the corresponding non-linear distortions.

Jedes Dreitor D wiederum ist ein dynamisches, nichtlineares Übertragungsglied mit zwei Signaleingängen E₁, E₂ und einem Ausgang A (vergl. Fig. 3). Es besteht aus einem nichtlinearen, dynamischen Übertragungsglied (Zweitor U) und einem gedächtnislosen Verknüpfungselement V, das die beiden Eingangssignale über eine algebraische Operation (z.B. Addition, Multiplikation) in das Ausgangssignal überführt. Der eine Eingang E₁ des Dreitors D ist direkt mit dem einen Eingang des Verknüpfungselementes verbunden, der andere Eingang E₂ des Dreitors (D) ist über das Zweitor U mit dem zweiten Eingang des Verknüpfungselementes zusammengeschalten und der Ausgang des Verknüpfungselementes ist mit dem Ausgang des Dreitors (D) verkoppelt. Das Zweitor U berücksichtigt die physikalischen Eigenschaften des veränderlichen Wandlerparameters und seine Stellung in der Wirkstruktur des Wandlers. Werden zwischen dem Eingang und Ausgang des Zweitores (Z) mehrere Übertragungsdreitore angeordnet (Fig. 2), so sind diese unter Benutzung des jeweiligen Eingangstores E₁ (18) und des Ausgangstores A (20) in einer Kettenschaltung verbunden und das jeweils verbleibende Eingangstor E₂ (19) der enthaltenen Dreitore entweder mit dem Eingangsstor des Zweitors Z (Fig. 2 a) oder mit dem Ausgangstor des Zweitors Z (Fig. 2 b) zusammengeschaltet.Each three-port D in turn is a dynamic, non-linear one Transmission link with two signal inputs E₁, E₂ and an output A (see. Fig. 3). It consists of a non-linear, dynamic transmission element (two-port U) and a memory-less logic element V, which converts the two input signals into the output signal via an algebraic operation (eg addition, multiplication). One input E₁ of the Dreitor D is connected directly to one input of the logic element, the other input E₂ of the Dreitor (D) is connected via the two-port U to the second input of the logic element and the output of the logic element is connected to the output of the Dreitor ( D) coupled. The two-port U takes into account the physical properties of the variable converter parameter and its position in the active structure of the converter. If several transmission three gates are arranged between the input and output of the two gates (Z) (Fig. 2), these are connected in a chain connection using the respective input gate E 1 (18) and the output gate A (20) and the remaining input gate E 2 ( 19) of the three gates contained either connected to the input gate of the two-port Z (FIG. 2 a) or to the output port of the two-port Z (FIG. 2 b).

Alle dynamischen, nichtlinearen Übertragungsglieder (Zweitore Z, U und Dreitore D) sind aus dynamischen, linearen Zweitoren und/oder gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitoren N und/oder Verknüpfungselementen (z.B. Addierer, Multiplizierer) zusammengesetzt.All dynamic, non-linear transmission elements (two-port Z, U and three-port D) are composed of dynamic, linear two-port and / or memoryless, non-linear two-port N and / or logic elements (e.g. adders, multipliers).

Die freien, variablen Parameter der dynamischen, linearen Zweitore (lineare Filterparameter) und der gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitore (nichtlineare Kennlinien) werden durch Messung des resultierenden Übertragungsverhaltens (Wandler mit Entzerrungsnetzwerk), mit Hilfe einer Anpaßanordnung, die zeitweilig oder ständig an das Wandler-Entzerrer-System angeschlossen ist, bestimmt und so das Entzerrungssystem an den jeweiligen Wandler automatisch angepaßt.The free, variable parameters of the dynamic, linear two-port (linear filter parameters) and the memoryless, non-linear two-port (non-linear characteristics) are measured by measuring the resulting transmission behavior (converter with equalization network), with the help of a matching arrangement, which is temporary or permanent to the converter equalizer System is connected, determined and so the equalization system is automatically adapted to the respective converter.

Das Entzerrernetzwerk soll zunächst für den elektrodynamischen Schallsender, der in einem Baßreflex- oder Kompaktboxsystem betrieben wird, weiter spezifiziert werden. Ausgehend von einem elektrischen Ersatzschaltbild mit konzentrierten Elementen wird die nichtlineare Integro-Differentialgleichung (IDG) aufgestellt, die Entzerrerübertragungsfunktion bestimmt und in eine Schaltungsanordnung umgesetzt. Das nichtlineare Ersatzschaltbild (vergl. Fig. 7 a) unterscheidet sich vom linearen dadurch, daß strom- und auslenkungsabhängige Parameter bzw. Größen auftreten.The equalizer network will initially be further specified for the electrodynamic sound transmitter, which is operated in a bass reflex or compact box system. Starting from an electrical equivalent circuit diagram with concentrated elements, the non-linear integro differential equation (IDG) is set up, the equalizer transfer function is determined and implemented in a circuit arrangement. The non-linear equivalent circuit diagram (see FIG. 7 a) differs from the linear one in that current and deflection-dependent parameters or quantities occur.

Die Steifigkeit der Membranaufhängung sT(x) und die Steifigkeit des angekoppelten Luftvolumens sB(x) wird in einer konstanten Gesamtsteifigkeit so und in einer auslenkungsabhängigen Gesamtsteifigkeit sG(x) zusammengefaßt

s o + s G (x) = s T (x) + s B (x).   (1)

Figure imgb0001

The stiffness of the membrane suspension s T (x) and the stiffness of the coupled air volume s B (x) are summarized in a constant overall stiffness s o and in a deflection-dependent overall stiffness s G (x)

s O + s G (x) = s T (x) + s B (x). (1)
Figure imgb0001

Die Abhängigkeit von der Auslenkung wird auch beim wirkenden elektrodynamischen Wandlerparameter Bl(x), bei der Schwingspuleninduktivität L(x), und bei der elektromagnetische Antriebskraft Fmag(i,x) berücksichtigt.The dependence on the deflection is also taken into account in the acting electrodynamic transducer parameter Bl (x), in the voice coil inductance L (x), and in the electromagnetic driving force F mag (i, x).

Die Elemente des mechanisch-akustischen Schwingungssystems, die konstante Parameter aufweisen, werden in der Impedanz

Figure imgb0002

zusammengefaßt.The elements of the mechanical-acoustic vibration system that have constant parameters are in the impedance
Figure imgb0002

summarized.

Unter Benutzung des Laplaceoperator s, der inversen Laplacetransformation und der Faltungsoperation kann aus dem Ersatzschaltbild bei Speisung mit einer Konstantstromquelle die folgende nichtlineare Gleichung (IDQ) im Zeitbereich aufgestellt werden

Figure imgb0003
Using the Laplace operator, the inverse Laplace transformation and the folding operation, the following nonlinear equation (IDQ) can be set up in the time domain from the equivalent circuit diagram when fed with a constant current source
Figure imgb0003

Die Multiplikation bzw. Division im Zeitbereich (Punkt) muß von der Faltung unterschieden werden. Durch Vorschalten eines geeigneten Entzerrers mit der Übertragungsfunktion

i L (t) = f[i(t)]

Figure imgb0004


soll das Gesamtsystem linearisiert und die folgende lineare Gleichung (IDG) erfüllt werden:

Bl o ·i(t) = L⁻¹{ J ̲ (s)}*x(t) .   (4)
Figure imgb0005

The multiplication or division in the time domain (point) must be distinguished from the convolution. By connecting a suitable equalizer with the transfer function

i L (t) = f [i (t)]
Figure imgb0004


the entire system should be linearized and the following linear equation (IDG) should be fulfilled:

Bl O · I (t) = L⁻¹ { J ̲ (s)} * x (t). (4)
Figure imgb0005

Das nichtlineare Entzerrernetzwerk muß hierfür die folgende Übertragungsfunktion

i L (t) = {i(t) + N s (x) + i(t)²·N M (x)}·N B (x),   (5)

Figure imgb0006


mit x(t) = L⁻¹{X(s)} * i(t)
Figure imgb0007

besitzen.The nonlinear equalizer network must do the following transfer function for this

i L (t) = {i (t) + N s (x) + i (t) ² · N M (x)} · N B (x), (5)
Figure imgb0006


With x (t) = L⁻¹ {X (s)} * i (t)
Figure imgb0007

have.

Da nach Vorschaltung der Entzerrung das Gesamtsystem die lineare Gleichung (IDG) (4) erfüllt, kann das auslenkungsäquivalente Zeitsignal x(t), das hier als Steuergröße wirkt, durch ein lineares Übertragungsglied (Tiefpaß) mit folgender Übertragungsfunktion

Figure imgb0008

nachgebildet werden.Since the overall system fulfills the linear equation (IDG) (4) after the equalization has been implemented upstream, the deflection-equivalent time signal x (t), which acts here as a control variable, can be implemented by a linear transmission element (low pass) with the following transfer function
Figure imgb0008

be replicated.

Für die frequenzunabhängigen, nichtlinearen Funktionen Ns(x), NM(x) und NB(x) lassen sich folgende Beziehungen zu den auslenkungsabhängigen Wandlerparametern angeben:

Figure imgb0009
Figure imgb0010
For the frequency-independent, non-linear functions N s (x), N M (x) and N B (x), the following relationships to the deflection-dependent transducer parameters can be specified:
Figure imgb0009
Figure imgb0010

Das Betreiben des elektrodynamischen Wandlersystems mit einer Konstantstromquelle bedingt zwar einen höheren Aufwand im Bereich des Leistungsverstärkers durch Einfügen eines Spannung-Strom-Konverters und erfordert zusätzliche Maßnahmen zur Gewährleistung eines ausgeglichenen Schalldruckamplitudenfrequenzganges, vereinfacht jedoch die nichtlineare Entzerrung. Zweckmäßigerweise wird das vorverzerrte Eingangssignal erst unmittelbar am Leistungsverstärker in ein Stromsignal gewandelt.Operating the electrodynamic converter system with a constant current source does, however, require more effort in the area of the power amplifier by inserting a voltage-current converter and requires additional measures to ensure a balanced sound pressure amplitude frequency response, but simplifies the non-linear equalization. The predistorted input signal is expediently converted into a current signal only at the power amplifier.

Im Falle der Spannungsspeisung des Wandlers führt die Wirkung des Schwingspulenwiderstandes und der Schwingspuleninduktivität zu einer komplizierteren nichtlinearen Differentialgleichung und einem entsprechend aufwendigeren Entzerrungssystem.In the case of voltage supply to the converter, the effect of the voice coil resistance and the voice coil inductance leads to a more complicated nonlinear differential equation and a correspondingly more complex equalization system.

Aus dem Ersatzschaltbild ergibt sich bei Spannungsspeisung die folgende nichtlineare Gleichung (IDG):

Figure imgb0011
The following nonlinear equation (IDG) results from the equivalent circuit diagram for voltage supply:
Figure imgb0011

Durch Vorschalten eines geeigneten Entzerrers mit der Übertragungsfunktion

u L (t) = f[u(t)]

Figure imgb0012


soll das Gesamtsystem linearisiert und die folgende lineare Gleichung (IDG) erfüllt werden:

Bl o ·u = R e ·L⁻¹{ J ̲ (s)}*x + L o ·L⁻¹{p· J ̲ (s)}*x + Bl o ²·L⁻¹{s}*x   (11)
Figure imgb0013

By connecting a suitable equalizer with the transfer function

u L (t) = f [u (t)]
Figure imgb0012


the entire system should be linearized and the following linear equation (IDG) should be fulfilled:

Bl O · U = R e · L⁻¹ { J ̲ (s)} * x + L O · L⁻¹ {p · J ̲ (s)} * x + Bl O ² · L⁻¹ {s} * x (11)
Figure imgb0013

Das nichtlineare Entzerrernetzwerk muß hierfür die folgende Übertragungsfunktion

Figure imgb0014

mit

x(t) = L⁻¹{X(s)} * u(t)
Figure imgb0015


und
Figure imgb0016

besitzen.The nonlinear equalizer network must do the following transfer function for this
Figure imgb0014

With

x (t) = L⁻¹ {X (s)} * u (t)
Figure imgb0015


and
Figure imgb0016

have.

Da nach Vorschaltung der Entzerrung das Gesamtsystem die lineare Gleichung (IDG) (11) erfüllt, kann das auslenkungsäquivalente Zeitsignal x(t) mit Hilfe eines linearen Systems (Tiefpaß) mit folgender Übertragungsfunktion

Figure imgb0017

aus dem unverzerrten Eingangssignal u(t) und der Strom iL(t) unter Benutzung der linearen Übertragungsfunktion
Figure imgb0018

bestimmt werden.Since the overall system fulfills the linear equation (IDG) (11) after the equalization, the deflection-equivalent time signal x (t) can be carried out using a linear system (low pass) with the following transfer function
Figure imgb0017

from the undistorted input signal u (t) and the current i L (t) using the linear transfer function
Figure imgb0018

be determined.

Für die frequenzunabhängigen, nichtlinearen Funktionen Ns, NM, ND, NL und NB lassen sich folgende Beziehungen zu den auslenkungsabhängigen Wandlerparametern angeben

Figure imgb0019
Figure imgb0020

N L (x) = L(x) - L o .   (20)
Figure imgb0021

For the frequency-independent, non-linear functions N s , N M , N D , N L and N B , the following relationships to the deflection-dependent transducer parameters can be specified
Figure imgb0019
Figure imgb0020

N L (x) = L (x) - L O . (20)
Figure imgb0021

Von den nichtlinearen Übertragungsfunktionen (5), (12) lassen sich unmittelbar die Schaltungen des Entzerrers für Strom- und Spannungsspeisung ableiten. Die enthaltenen Punktoperationen entsprechen Multiplikationen im Zeitbereich. Die Faltung mit einer konstanten Gewichtsfunktion entspricht einem in den Übertragungsweg geschalteten linearen System (Filter). Die nichtlinearen Funktionen werden durch gedächtnislose, nichtlineare Zweitore realisiert.The circuits of the equalizer for current and voltage supply can be derived directly from the non-linear transfer functions (5), (12). The point operations contained correspond to multiplications in the time domain. The convolution with a constant weight function corresponds to a linear system (filter) connected in the transmission path. The nonlinear functions are realized by memoryless, nonlinear two gates.

Zur gewünschten Veränderung bzw. Kompensation der auslenkungsabhängigen Steifigkeit enthält das Entzerrernetzwerk ein Dreitor DS (Fig. 9), das aus einem lineareren, dynamischen Netzwerk X (100), einem gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitor NS (101) und einem Addierglied (103) besteht. Der Eingang E₂ (22) des Dreitors ist mit dem Eingang des Zweitors X verbunden. Der Ausgang des Zweitores X, der ein auslenkungsäquivalentes Signal führt, ist über das gedächtnislose, nichtlineare Zweitors NS mit dem Eingang eines Addierers verbunden. Der zweite Eingang des Addierers ist mit dem Eingang E₁ verschaltet und der Ausgang des Addierers und der Ausgang A des Dreitors DS sind miteinander verbunden.For the desired change or compensation of the deflection-dependent rigidity, the equalizer network contains a three-port D S (FIG. 9), which consists of a more linear, dynamic network X (100), a memoryless, non-linear two-port N S (101) and an adder (103) consists. The input E₂ (22) of the three-way monitor is connected to the input of the two-port X. The output of the two-port X, which carries a deflection-equivalent signal, is connected to the input of an adder via the memoryless, non-linear two-port N S. The second input of the adder is connected to the input E₁ and the output of the adder and the output A of the Dreitor D S are interconnected.

Zur gewünschten Veränderung bzw. Kompensation der auslenkungsabhängigen elektrodynamischen Kopplungsfaktors enthält das Entzerrernetzwerk ein Dreitor DB (Fig. 10), das aus einem lineareren, dynamischen Netzwerk X, einem gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitor NB (104) und einem Multiplizierglied (105) besteht. Der Eingang E₂ des Dreitors ist seriell über das linearen Zweitor X und das gedächtnislose, nichtlineare Zweitors NB mit dem Eingang des Multiplizierers verbunden. Der zweite Eingang des Multiplizierers ist mit dem Eingang E₁ und der Ausgang des Multiplizierers ist mit dem Ausgang A des Dreitors DS verschalten.For the desired change or compensation of the deflection-dependent electrodynamic coupling factor, the equalizer network contains a three port D B (FIG. 10), which consists of a more linear, dynamic network X, a memoryless, non-linear two port N B (104) and a multiplier (105). The input E₂ of the Dreitor is connected in series via the linear two-port X and the memoryless, non-linear two-port N B to the input of the multiplier. The second input of the multiplier is connected to the input E 1 and the output of the multiplier is connected to the output A of the Dreitor D S.

Zur gewünschten Veränderung bzw. Kompensation der auslenkungsabhängigen Dämpfung enthält das Entzerrernetzwerk ein Dreitor DD (Fig. 11), das aus einem lineareren, dynamischen Netzwerk X, einem Differenzierglied (108), einem gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitor ND (106) und einem Addier- und Multiplizierglied (103, 107) besteht. Der Eingang E₂ des Dreitors ist über das Zweitor X sowohl mit dem gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitors ND als auch mit dem Eingang eines Differenzierers verbunden. Die Ausgänge des Differenzierers und der gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitors ND sind über einen Multiplizierer miteinander verknüpft und mit dem Eingang eines Addierers verbunden. Der zweite Eingang des Addierers ist mit dem Eingang E₁ und Ausgang des Addierers und der Ausgang A des Dreitors DD verschalten.For the desired change or compensation of the deflection-dependent damping, the equalizer network contains a three-port D D (FIG. 11), which consists of a more linear, dynamic network X, a differentiator (108), a memoryless, non-linear two-port N D (106) and an adder - And multiplier (103, 107). The input E₂ of the three-way monitor is connected via the two-port X to both the memoryless, non-linear two-port N D and the input of a differentiator. The outputs of the differentiator and the memoryless, non-linear two-port N D are linked together via a multiplier and connected to the input of an adder. The second input of the adder is connected to the input E 1 and output of the adder and the output A of the three-phase D D.

Zur Kompensation des elektromagnetischen Antriebes enthält das Entzerrernetzwerk ein Dreitor DM, das aus einem linearen, dynamischen Netzwerk X, einem gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitor NM (110), einem Quadrier- (108), einem Multiplizier- (109), und einem Addierglied (103) besteht. Der Eingang E₂ des Dreitors ist bei Schallsendern, die über eine Konstantstromquelle gespeist werden (Fig. 13), sowohl direkt mit dem Eingang der Quadrierstufe als auch über das Zweitor X mit dem Eingang des gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitors NM verbunden. Die Ausgänge des Quadrierers und des Zweitors NM sind über einen Multiplizierer verknüpft und an den Eingang eines Addierers geführt. Der zweite Eingang des Addierers ist mit dem Eingang E₁ und der Ausgang des Addierers ist mit dem Ausgang A des Dreitors DM verschaltet.To compensate for the electromagnetic drive, the equalizer network contains a three port D M , which consists of a linear, dynamic network X, a memoryless, non-linear two port N M (110), a square (108), a multiplier (109), and an adder (103) exists. The input E₂ of the three-way monitor is connected to sound transmitters that are fed via a constant current source (FIG. 13), both directly to the input of the squaring stage and via the two-port X to the input of the memory-free, non-linear two-port N M. The outputs of the squarer and the two-port N M are linked via a multiplier and fed to the input of an adder. The second input of the adder is connected to the input E 1 and the output of the adder is connected to the output A of the Dreitor D M.

Wird der Schallsender über eine Spannungsquelle (Fig. 12) betrieben, so wird das Eingangsignal der Quadrierstufe, das dem Eingangsstrom des Wandlers entspricht, mit Hilfe eines nichtlinearen Netzwerkes (111) nach Beziehung (13) erzeugt.If the sound transmitter is operated via a voltage source (FIG. 12), the input signal of the squaring stage, which corresponds to the input current of the converter, is generated with the aid of a non-linear network (111) according to relationship (13).

Dazu wird das auslenkungsäquivalente Signal am Ausgang des Zweitores X sowohl an ein lineares Zweitor mit der Übertragungsfunktion I(s) als auch an die gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitore NS, NB geführt. Der Ausgang des linearen Zweitors I und der Ausgang des Zweitors NS werden in einer Addierstufe zusammengefaßt und dem einen Eingang eines Multiplizierers zugeführt. Der andere Eingang des Multiplizierers ist mit dem Ausgang des nichtlinearen Zweitores NB verbunden. Der Ausgang des Multiplizierers führt das eingangsstromäquivalente Signal.For this purpose, the deflection-equivalent signal at the output of the two-port X is fed both to a linear two-port with the transfer function I (s) and to the non-linear, non-linear two-port N S , N B. The output of the linear two-port I and the output of the two-port N S are combined in an adder and fed to one input of a multiplier. The other input of the multiplier is connected to the output of the non-linear two-port N B. The output of the multiplier carries the input current equivalent signal.

Zur Kompensation der auslenkungsabhängigen Induktivität eines spannungsgespeisten Schallsenders enthält das Entzerrernetzwerk ein Dreitor DL (Fig. 14), das aus einem lineareren, dynamischen Netzwerk X, einem nichtlinearen Netzwerk (111), einem Differenzierglied (112), einem nichtlinearen Zweitor NL (110) und einem Multiplizier- (109) und Addierglied (103) besteht. Der Eingang E₂ des Dreitors wird über das lineare Zweitors X mit dem nichtlinearen Zweitor NL verbunden. Der Ausgang des Zweitores NL und der Ausgang der oben beschriebenen Stromnachbildung (111) sind mit den Eingängen des Multiplizierers verbunden. Das Ausgangssignal wird über ein Differenzierglied auf den einen Eingang eines Addierers geführt. Der zweite Eingang des Addierers ist mit dem Eingang E₁ und der Ausgang des Addierers ist mit dem Ausgang A des Dreitors DL verschaltet.To compensate for the deflection-dependent inductance of a voltage-fed sound transmitter, the equalizer network contains a three-port network D L (FIG. 14), which consists of a more linear, dynamic network X, a non-linear network (111), a differentiator (112) and a non-linear two-port N L (110 ) and a multiplier (109) and adder (103). The input E₂ of the three-way connector is connected via the linear two-port X to the non-linear two-port N L. The output of the two-port N L and the output of the current simulation (111) described above are connected to the inputs of the multiplier. The output signal is fed to one input of an adder via a differentiator. The second input of the adder is connected to the input E 1 and the output of the adder is connected to the output A of the Dreitor D L.

Bei der gleichzeitigen Kompensation des elektrodynamischen Antriebes und anderer Wandlerparameter sind die Kompensationsdreitore mit einem ihrer beiden Eingänge und dem Ausgang in Kette derart zu verschalten, daß außer dem Dreitor DL der Induktivitätskompensation alle anderen Dreitore eingangsseitig an das Dreitor DB angeschlossen werden (Fig. 4). Der Ausgang des Kompensationsdreitores DL ist grundsätzlich an die Wandlereingänge des Schallsenders anzuschließen.In the case of simultaneous compensation of the electrodynamic drive and other converter parameters, the compensation three-way gates must be connected to one of their two inputs and the output in a chain such that, apart from the three-port D L of inductance compensation, all other three-port sides are connected to the three-port D B on the input side (FIG. 4 ). The output of the compensation third-party D L must always be connected to the transducer inputs of the sound transmitter.

Diese schaltungstechnische Anordnung der Kompensationsdreitore ergibt sich direkt aus der analytischen Struktur der Übertragungsfunktion (große geschweifte Klammer in 5 bzw. 12) und korrespondiert mit der Spiegelsymmetrie zwischen Entzerrerstruktur (Signalflußplan in Fig. 20 a) und der Wirkstruktur (Signalflußplan 7 b) der nichtlinearen physikalischen Mechanismen im elektrodynamischen Lautsprecher. Nur in dieser Reihenfolge können die durch die Auslenkung der Schwingspule bedingten Verzerrungen vollständig kompensiert werden.This circuitry arrangement of the compensation three-way gate results directly from the analytical structure of the transfer function (large curly brackets in 5 and 12 respectively) and corresponds to the mirror symmetry between Equalizer structure (signal flow diagram in Fig. 20 a) and the active structure (signal flow diagram 7 b) of the nonlinear physical mechanisms in the electrodynamic loudspeaker. Only in this order can the distortions caused by the deflection of the voice coil be fully compensated.

Durch die Auslenkung der Membran verändern sich nicht nur die elektrischen und mechanischen Parameter des Wandlers sondern auch die akustischen Abstrahlungsbedingungen, d.h. der Abstand zwischen der momentanen Membranposition und einem festen Empfangspunkt in der Hauptabstrahlrichtung (Achse) ist auslenkungsabhängig und führt zu einer unterschiedlichen Laufzeit des Signales im akustischen System. Insbesondere hochfrequente Signalanteile mit kurzen Wellenlängen werden durch die entstehende Phasen- oder Frequenzmodulation (bekannt als Dopplereffekt) beeinträchtigt und erzeugen zusätzliche Intermodulationsverzerrungen ([5] G.L. Beers und H.Belar, "Frequency-Modulation Distortion in Loudspeakers", J. Audio Eng. Soc., Band 29, Seite 320 - 326, Mai 1981).The deflection of the membrane changes not only the electrical and mechanical parameters of the transducer, but also the acoustic radiation conditions, i.e. the distance between the current membrane position and a fixed reception point in the main radiation direction (axis) depends on the deflection and leads to a different transit time of the signal in the acoustic system. In particular, high-frequency signal components with short wavelengths are impaired by the resulting phase or frequency modulation (known as the Doppler effect) and generate additional intermodulation distortions ([5] GL Beers and H.Belar, "Frequency-Modulation Distortion in Loudspeakers", J. Audio Eng. Soc ., Volume 29, pages 320-326, May 1981).

Um auch diese Verzerrungen durch eine Vorverzerrung des elektrischen Speisesignales zu kompensieren, wird dieser Verzerrungsmechanismus ebenfalls modelliert und die erforderliche Übertragungsfunktion des Entzerrungsnetzwerkes abgeleitet und die erforderliche Schaltungsstruktur bestimmt. Der an einem Empfangspunkt in Hauptabstrahlrichtung auftretende Schalldruck p(t) ergibt sich durch Faltung der Auslenkung x(t) der Membran mit der Impulsantwort

p(t) = h(t, x(t)) * x(t)   (21)

Figure imgb0022


wobei die Impulsantwort
Figure imgb0023

die Abstrahlung und Ausbreitung des akustischen Signales beschreibt und die veränderliche Laufzeit des Signales im akustischen System berücksichtigt.In order to also compensate for these distortions by predistortion of the electrical feed signal, this distortion mechanism is also modeled and the required transfer function of the equalization network is derived and the required circuit structure is determined. The sound pressure p (t) occurring at a reception point in the main emission direction results from folding the deflection x (t) of the membrane with the impulse response

p (t) = h (t, x (t)) * x (t) (21)
Figure imgb0022


being the impulse response
Figure imgb0023

describes the radiation and propagation of the acoustic signal and takes into account the variable duration of the signal in the acoustic system.

Mit Hilfe der Diracfunction δ(t) kann die konstante akustische Impulsantwort ho(t) von der veränderlichen Laufzeit, die sich aus dem Quotienten von Auslenkung x(t) und Schallgeschwindigkeit c ergibt, separiert werden.With the help of the Diracfunction δ (t), the constant acoustic impulse response h o (t) can be separated from the variable transit time, which results from the quotient of deflection x (t) and speed of sound c.

In Kombination mit der linearen Übertragungsfunktion des (entzerrten) elektromechanischen Wandlers X(s) kann der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Eingangssignal uL(t) und dem resultierenden Schalldruck

Figure imgb0024

beschrieben werden.In combination with the linear transfer function of the (equalized) electromechanical transducer X (s), the relationship between the electrical input signal u L (t) and the resulting sound pressure can
Figure imgb0024

to be discribed.

Wird das elektrische Eingangssignal des Wandlers mit der Filterfunktion

Figure imgb0025

vorverzerrt, so lassen sich die Veränderungen der Laufzeit

p(t) = h o (t) * L⁻¹{X(s)} * δ(t - T o - T₁) * u(t)   (25)
Figure imgb0026


und somit die Dopplerverzerrungen in der Hauptabstrahlrichtung kompensieren.The electrical input signal of the converter with the filter function
Figure imgb0025

predistorted, so the runtime changes

p (t) = h O (t) * L⁻¹ {X (s)} * δ (t - T O - T₁) * u (t) (25)
Figure imgb0026


and thus compensate for the Doppler distortions in the main emission direction.

Die Übertragungsfunktion des Entzerrers (24) kann mit Hilfe eines Übertragungselementes mit veränderbarer, steuerbarer Laufzeit schaltungstechnisch realisiert werden. Zur Steuerung ist ein auslenkungsäquivalentes Signal x(t) erforderlich. Dieses Signal kann mit Hilfe eines linearen Filters mit der Übertragungsfunktion X(s) aus dem elektrischen Signal uL(t) gewonnen werden. Betrachtet man dieses Korrekturnetzwerk als ein Dreitor DT, dessen Eingang E₁ (21) mit dem Signal u(t) gespeist wird und dessen Ausgang A (25) zum Wandler führt, so ist der Steuereingang E₂ (22) mit dem Ausgang A verbunden. Somit zählt das Kompensationsnetzwerk für Dopplerverzerrungen zu den rückwirkenden, rückgekoppelten Schaltungsstrukturen (vergl. Fig. 2 b).The transfer function of the equalizer (24) can be implemented in terms of circuitry with the aid of a transfer element with a variable, controllable transit time. A control-equivalent signal x (t) is required for control. This signal can be obtained from the electrical signal u L (t) using a linear filter with the transfer function X (s). Considering this correction network as a three-port D T , whose input E₁ (21) is fed with the signal u (t) and whose output A (25) to Converters leads, the control input E₂ (22) is connected to the output A. Thus, the compensation network for Doppler distortions is one of the retroactive, feedback circuit structures (see FIG. 2 b).

Wirken in dem elektrodynamischen Schallsender weitere nichtlineare Verzerrungsursachen (z.B. Kraftfaktor, Dämpfung, Induktivität), so sind die entsprechenden Kompensationsdreitore (vergl. DD (15), DB (16), DL (17) in Fig. 4) nach dem Kompensationsdreitor der Dopplerverzerrungen (DT (14)) einzuschalten. Nur so kann das für die Kompensation aller auslenkungsbedingten Verzerrungen erforderliche Steuersignal x(t) mit Hilfe eines linearen Filters aus dem elektrischen Signal gewonnen werden und diese Verzerrungen vollständig unterdrückt werden. Das resultierende Gesamtentzerrungsnetzwerk besteht somit aus einer Kettenschaltung von zwei nichtlinearen, dynamischen Übertragungsgliedern (vergl. Zweitore Z1 und Z2 in Fig. 4), wobei im ersten Übertragungsglied, die Verzerrungen des akustischen Systems und im zweiten Glied die Verzerrungen des elektromechanischen Systems kompensiert werden. Auch hier zeigen sich wieder zwischen der Struktur des Entzerrers (Fig. 20 a) und der Wirkstruktur des Wandlers (Signalflußplan Fig. 7 b) vollständige Symmetrieeigenschaften.If other non-linear causes of distortion (e.g. force factor, damping, inductance) act in the electrodynamic sound transmitter, the corresponding compensation multipliers (see D D (15), D B (16), D L (17) in Fig. 4) are after the compensation triad the Doppler distortions (D T (14)). Only in this way can the control signal x (t) required for the compensation of all deflection-related distortions be obtained from the electrical signal with the aid of a linear filter, and these distortions can be completely suppressed. The resulting overall equalization network thus consists of a chain connection of two nonlinear, dynamic transmission links (see two gates Z1 and Z2 in FIG. 4), the distortions of the acoustic system and the second link compensating for the distortions of the electromechanical system. Here, too, complete symmetry properties are shown between the structure of the equalizer (FIG. 20 a) and the active structure of the converter (signal flow diagram FIG. 7 b).

Fig. 24 zeigt eine Möglichkeit der Realisierung des Entzerrerdreitors DT zur Kompensation der Dopplerverzerrungen.24 shows a possibility of realizing the equalizer distorter D T to compensate for the Doppler distortions.

Der Steuereingang E2 (22) dieses Dreitores ist mit dem Eingang des linearen Filters (100) verbunden, das die Übertragungsfunktion X(s) besitzt und an dessen Ausgang ein auslenkungsäquivalentes Signal x(t) entsteht.The control input E2 (22) of this three port is connected to the input of the linear filter (100), which has the transfer function X (s) and at whose output a deflection-equivalent signal x (t) is produced.

Der Eingang E1 (21) ist mit dem Eingang eines Verzögerungsgliedes (138) verbunden, an dessen Ausgang das Eingangssignal nach 20 µs Verzögerung ohne weitere Verzerrungen erscheint. Mit Hilfe von zwei Addierern (136, 134), einem Subtrahierglied (135) und einem Multiplizierglied (137) wird zwischen dem unverzögerten und dem verzögerten Signal entsprechend dem momenentanen Zeitsignal x(t) interpoliert.The input E1 (21) is connected to the input of a delay element (138), at the output of which the input signal appears after 20 µs delay without further distortion. With the help of two adders (136, 134), a subtractor (135) and a multiplier (137), the instantaneous signal x (t) is interpolated between the instantaneous and the delayed signal.

Durch Ankopplung spezieller Schallführungen an den Schallsender kann der Wirkungsgrad beträchtlich erhöht und die auslenkungsbedingten Verzerrungen vermindert werden. Nichtlineare Strömungs- und Kompressionsvorgänge in der Schallführung können jedoch ebenfalls starke nichtlineare Verzerrungen im abgestrahlten Schall hervorrufen. Zunächst soll der physikalische Hintergrund dieser Mechanismen an Hand einer Modellierung des Schallsenders mit Hornschallführung erläutert und dann die Entzerrerübertragungsfunktion und die korrespondierende Schaltungsstruktur abgeleitet werden.By coupling special sound guides to the sound transmitter, the efficiency can be increased considerably and the distortion caused by deflection can be reduced. However, non-linear flow and compression processes in sound guidance can also cause strong non-linear distortions in the emitted sound. First of all, the physical background of these mechanisms is to be explained on the basis of a modeling of the sound transmitter with horn sound guidance, and then the equalizer transfer function and the corresponding circuit structure are to be derived.

Am Trichtereingang durchtritt der Schallfluß einen Querschnittssprung, so daß zwischen schwingender Membran und Trichtereingang eine Druckkammer entsteht. Die Parameter der akustischen Elemente Reibung im Trichtereingang

Figure imgb0027
K und Nachgiebigkeit der Druckkammer
Figure imgb0028
D weisen eine Abhängigkeit von akustischen Zustandsgrößen auf. Bei einem sehr großem Schallfluß qK ist die Strömung am Trichtereingang nicht mehr laminar. Durch die Ausbildung von Turbulenzen entstehen neben der viskosen Reibung weitere Verluste, die zum Anstieg des summarischen Reibungsparameters (Strömungswiderstand) führen.At the funnel entrance, the sound flow passes through a cross-sectional jump, so that a pressure chamber is created between the vibrating membrane and the funnel entrance. The parameters of the acoustic elements friction in the funnel entrance
Figure imgb0027
K and compliance of the pressure chamber
Figure imgb0028
D are dependent on acoustic state variables. With a very large sound flow q K , the flow at the funnel entrance is no longer laminar. The formation of turbulence creates, in addition to viscous friction, further losses which lead to an increase in the overall friction parameter (flow resistance).

Der zweite nichtlineare Mechanismus wird durch die (adiabatische) Kompression der Luft in der Druckkammer hervorgerufen. Die Nachgiebigkeit des eingeschlossenen Luftvolumens V nimmt mit zunehmendem Druck pD in der Kammer ab und kann durch folgende Beziehung beschrieben werden

Figure imgb0029

Werden alle akustischen und mechanischen Elemente auf die elektrische Seite transformiert so läßt sich eine äquivalente elektrische Ersatzschaltung (Fig. 8) angeben. Die linearen Elemente des mechano-akustischen Systems werden in der komplexen Impedanz
Figure imgb0030

zusammengefaßt.The second non-linear mechanism is caused by the (adiabatic) compression of the air in the pressure chamber. The resilience of the enclosed air volume V decreases with increasing pressure p D in the chamber and can be described by the following relationship
Figure imgb0029

If all acoustic and mechanical elements are transformed to the electrical side, an equivalent electrical equivalent circuit (FIG. 8) can be specified. The linear elements of the mechano-acoustic system are in the complex impedance
Figure imgb0030

summarized.

Weiterhin erscheinen die äquivalenten elektrische Größe der akustische Horneingangsimpedanz

Figure imgb0031

und die äquivalenten nichtlinearen Größen der akustische Druckkammernachgiebigkeit
Figure imgb0032

und der akustischen Dämpfung
Figure imgb0033

die in einen konstanten Anteil No, Ro und einen abhängigen Teil N(iD) und R(uK) aufgespalten sind.The equivalent electrical quantity of the acoustic horn input impedance also appears
Figure imgb0031

and the equivalent non-linear magnitudes of acoustic pressure chamber compliance
Figure imgb0032

and acoustic damping
Figure imgb0033

which are split into a constant part N o , R o and a dependent part N (i D ) and R (u K ).

Von dem Ersatzschaltbild läßt sich folgende nichtlineare Gleichung (IDG) im Zeitbereich ableiten

u L - L⁻¹{ W ̲ (s)}*(N(i D )·[u K *L⁻¹{ Z ̲ (s)}] + N(i D )·u K ·R(u K )) - L⁻¹{ F ̲ (s)}*[u K ·R(u K )]

Figure imgb0034

= L⁻¹{ W ̲ ₁(s)· Z ̲ (s) + W(s)·( Z ̲ (s).N o + 1/s)}*u K    (31)
Figure imgb0035


unter Benutzung der Faltungsoperation (*), der inversen Laplacetransformation (L⁻¹{ }), des Laplaceoperators (s) und folgender Summenimpedanzen
Figure imgb0036

F ̲ (s) = N o · W ̲ (s) + W ̲ ₁(s),   (33)
Figure imgb0037


und
Figure imgb0038
The following nonlinear equation (IDG) in the time domain can be derived from the equivalent circuit diagram

u L - L⁻¹ { W ̲ (s)} * (N (i D ) · [U K * L⁻¹ { Z ̲ (s)}] + N (i D ) U K · R (u K )) - L⁻¹ { F ̲ (s)} * [u K · R (u K )]
Figure imgb0034

= L⁻¹ { W ̲ ₁ (s) Z ̲ (s) + W (s) · ( Z ̲ (s) .N O + 1 / s)} * u K (31)
Figure imgb0035


using the convolution operation (*), the inverse Laplace transform (L⁻¹ {}), the Laplace operator (s) and the following sum impedances
Figure imgb0036

F ̲ (s) = N O · W ̲ (s) + W ̲ ₁ (s), (33)
Figure imgb0037


and
Figure imgb0038

Durch Vorschalten eines geeigneten Entzerrers mit der Übertragungsfunktion

u L (t) = f[u(t)]   (35)

Figure imgb0039


soll das Gesamtsystem linearisiert und die folgende lineare Gleichung (IDG) erfüllt werden:

u(t) = L⁻¹{ W ̲ ₁(s)· Z ̲ (s) + W ̲ (s)·[ Z ̲ (s)·N o + 1/s]} * u K    (36)
Figure imgb0040

By connecting a suitable equalizer with the transfer function

u L (t) = f [u (t)] (35)
Figure imgb0039


the entire system should be linearized and the following linear equation (IDG) should be fulfilled:

u (t) = L⁻¹ { W ̲ ₁ (s) Z ̲ (s) + W ̲ (s) · [ Z ̲ (s) · N O + 1 / s]} * u K (36)
Figure imgb0040

Das nichtlineare Entzerrernetzwerk muß hierfür die folgende Übertragungsfunktion besitzen:

u L (t) = u(t) + L⁻¹{ W ̲ (s)} * N A (i D(t) ) + L⁻¹{ F ̲ (s)} * N R (u K(t) )   (37)

Figure imgb0041


mit

i D (t) = [u K (t) * L⁻¹{ Z ̲ (s)}] + N R (u K (t))}
Figure imgb0042


und

u K (t) = u(t) * L⁻¹{ Y ̲ (s)}].
Figure imgb0043

The nonlinear equalizer network must have the following transfer function for this:

u L (t) = u (t) + L⁻¹ { W ̲ (s)} * N A (i D (t) ) + L⁻¹ { F ̲ (s)} * N R (u K (t) ) (37)
Figure imgb0041


With

i D (t) = [u K (t) * L⁻¹ { Z ̲ (s)}] + N R (u K (t))}
Figure imgb0042


and

u K (t) = u (t) * L⁻¹ { Y ̲ (s)}].
Figure imgb0043

Da nach Vorschaltung der Entzerrung das Gesamtsystem die lineare Gleichung (IDG) erfüllt, kann das Steuersignal uK(t) durch ein lineares System mit folgender Übertragungsfunktion

Figure imgb0044

nachgebildet werden.Since the overall system fulfills the linear equation (IDG) after the equalization, the control signal u K (t) can be carried out by a linear system with the following transfer function
Figure imgb0044

be replicated.

Für die frequenzunabhängigen nichtlinearen Funktionen lassen sich folgende Beziehungen

N A (i D ) = N(i D )·i D ,   (39)

Figure imgb0045


N R (u K ) = u K ·R(u K )   (40)
Figure imgb0046


zu den Wandlerparametern angeben.The following relationships can be used for the frequency-independent nonlinear functions

N A (i D ) = N (i D ) · I D , (39)
Figure imgb0045


N R (u K ) = u K · R (u K ) (40)
Figure imgb0046


specify the converter parameters.

Die nichtlineare Übertragungsfunktion des Entzerrers läßt sich unmittelbar in eine Schaltung umsetzen. Die Faltungsoperationen werden durch lineare Filter mit den Übertragungsfunktionen Y(s), F(s), Z(s), W(s) und die nichtlinearen Funktionen NA und NR werden durch gedächtnislose, nichtlineare Übertragungssysteme realisiert. Die Verknüpfung der Signale erfolgt entsprechend der algebraischen Struktur der Entzerrerfunktion (32) mit Addierern und Multiplizierern.The non-linear transfer function of the equalizer can be converted directly into a circuit. The convolution operations are carried out by linear filters with the transfer functions Y (s), F (s), Z (s), W (s) and the non-linear functions N A and N R are implemented by memoryless, non-linear transfer systems. The signals are linked in accordance with the algebraic structure of the equalizer function (32) with adders and multipliers.

So ergibt sich für das Dreitor DA (Fig. 15), das eine gewünschte Veränderung bzw. Kompensation der adiabatischen Kompression in der angekoppelten Schallführung eines Schallsenders bewirkt, die folgende Struktur: Der Eingang E₂ des Dreitors DA ist über ein Übertragungsglied (115) mit dem Eingang eines gedächtnislosen, nichtlinearen Übertragungsgliedes NA (114) verbunden. Der Ausgang des Zweitores NA ist über den linearen Übertragungszweitores W (113) mit dem ersten Eingang eines Addierers (103) und der zweite Eingang des Addierers ist mit dem Eingang E₁ des Dreitors verbunden. Der Ausgang des Addierers ist mit dem Ausgang A des Dreitors DA zusammengeschaltet.This results in the following structure for the three-port D A (FIG. 15), which effects a desired change or compensation of the adiabatic compression in the coupled sound guide of a sound transmitter: The input E 2 of the three-port D A is via a transmission element (115) connected to the input of a memoryless, non-linear transmission element N A (114). The output of the two-port N A is connected via the linear transfer two-port W (113) to the first input of an adder (103) and the second input of the adder is connected to the input E 1 of the three-way monitor. The output of the adder being connected together to the output A of the D Dreitors A.

Für das Dreitor DR (Fig. 16), das eine gewünschte Veränderung bzw. Kompensation der schnelleabhängigen Strömungsverluste in der angekoppelten Schallführung eines Schallsenders bewirkt, ergibt sich die folgende Schaltungsstruktur: Der Eingang E₂ des Dreitors DR ist über ein lineares, dynamisches Übertragungsglied Y (118) mit dem Eingang eines gedächtnislosen, nichtlinearen Übertragungsgliedes NR (119) verbunden. Der Ausgang des Zweitores NR ist über das lineare Übertragungsglied F (120) mit dem ersten Eingang eines Addierers (103) und der zweite Eingang des Addierers ist mit dem Eingang E₁ des Dreitors verbunden. Der Ausgang des Addierers ist mit dem Ausgang A des Dreitors DR zusammengeschaltet.For the Dreitor D R (Fig. 16), which causes a desired change or compensation of the fast-dependent flow losses in the coupled sound guide of a sound transmitter, the following circuit structure results: The input E₂ of the Dreitor D R is via a linear, dynamic transmission element Y (118) connected to the input of a memoryless, non-linear transmission element N R (119). The output of the two-port N R is connected via the linear transmission element F (120) to the first input of an adder (103) and the second input of the adder is connected to the input E 1 of the three-way monitor. The output of the adder is connected to the output A of the three-phase D R.

Die Schaltung kann auf Kosten der Genauigkeit der Kompensation in bestimmten Frequenzgebieten stark vereinfacht werden. Unter Benutzung der Beziehungen

Z ̲ (s) < W ̲ ₁(s) < W ̲ ₂(s),   (41)

Figure imgb0047


Z ̲ (s) < R o ,   (42)
Figure imgb0048


Realteil { Z ̲ H (s) } < Imaginärteil { Z ̲ H (s) },   (43)
Figure imgb0049


kann das lineare Netzwerk

W ̲ (s) ≈ s   (44)
Figure imgb0050


als einfacher Differenzierer und die linearen Netzwerke

F ̲ (s) ≈ W ̲ ₁(s) ≈ Realteil( W ̲ ₁(s)) = R₁   (45)
Figure imgb0051
Figure imgb0052

können als einfache, frequenzunabhängige Verstärker ausgeführt werden.The circuit can compromise the accuracy of the compensation be greatly simplified in certain frequency areas. Using relationships

Z ̲ (s) < W ̲ ₁ (s) < W ̲ ₂ (s), (41)
Figure imgb0047


Z ̲ (s) <R O , (42)
Figure imgb0048


Real part { Z ̲ H (s)} <imaginary part { Z ̲ H (s)}, (43)
Figure imgb0049


can the linear network

W ̲ (s) ≈ s (44)
Figure imgb0050


as a simple differentiator and the linear networks

F ̲ (s) ≈ W ̲ ₁ (s) ≈ real part ( W ̲ ₁ (s)) = R₁ (45)
Figure imgb0051
Figure imgb0052

can be designed as simple, frequency-independent amplifiers.

Der elektrodynamische Schallempfänger (Mikrofon) erzeugt bei großem Schalldruck im unteren Frequenzbereich ebenfalls nichtlineare Signalverzerrungen. Der physikalische Hintergrund wird zunächst an Hand einer Modellierung des elektrodynamischen Sensors mit konzentrierten elektrischen und mechanischen Elementen erläutert und daran anschließend das Entzerrernetzwerk abgeleitet.The electrodynamic sound receiver (microphone) also generates non-linear signal distortions when there is high sound pressure in the lower frequency range. The physical background is first explained using a model of the electrodynamic sensor with concentrated electrical and mechanical elements, and then the equalizer network is derived.

Alle wirksamen akustischen Elemente des Sensors werden durch äquivalente mechanische Elemente beschrieben. Mit Hilfe einer Membran mit der Fläche SM wird ein Schalldrucksignal pm(t) in ein Kraftsignal F(t) gewandelt, das das mechanische Schwingungssystem antreibt.All effective acoustic elements of the sensor are described by equivalent mechanical elements. With the help of a membrane with the area S M , a sound pressure signal p m (t) is converted into a force signal F (t) which drives the mechanical vibration system.

Die Steifigkeit der Membranaufhängung sT(x) und die Steifigkeit des angekoppelten Luftvolumens sB(x) wird in einer konstanten Gesamtsteifigkeit so und in einer auslenkungsabhängigen Gesamtsteifigkeit sG(x) zusammengefaßt.

s o + s G (X) = s T (x) +s B (x)   (48)

Figure imgb0053

The stiffness of the membrane suspension s T (x) and the stiffness of the coupled air volume s B (x) are summarized in a constant overall stiffness s o and in a deflection-dependent overall stiffness s G (x).

s O + s G (X) = s T (x) + s B (x) (48)
Figure imgb0053

Die Abhängigkeit von der Auslenkung wird auch beim wirkenden elektrodynamischen Wandlerparameter Bl(x) berücksichtigt und die akustisch-mechanische Gesamtdämpfung in einen konstanten Teil zo und in einen auslenkungsabhängigen Teil z(x) aufgespalten.The dependence on the deflection is also taken into account in the acting electrodynamic transducer parameter Bl (x) and the acoustic-mechanical total damping is split into a constant part z o and a deflection-dependent part z (x).

Alle Elemente des mechanisch-akustischen Schwingungssystems, die konstante Parameter aufweisen, werden in der mechanischen Impedanz

Figure imgb0054

zusammengefaßt.All elements of the mechanical-acoustic vibration system that have constant parameters are in the mechanical impedance
Figure imgb0054

summarized.

Der an den Sensor angeschlossene Verstärker soll einen ausreichend hohen Innenwiderstand aufweisen, so daß der Widerstand und die Induktivität der Schwingspule vernachlässigt werden kann.The amplifier connected to the sensor should have a sufficiently high internal resistance so that the resistance and inductance of the voice coil can be neglected.

Unter Benutzung des Laplaceoperator s, der inversen Laplacetransformation und der Faltungsoperation kann die nichtlineare Gleichung (IDG) im Zeitbereich aufgestellt werden

F(t) = v(t)*L⁻¹{ z ̲ (s)} + v(t)·z(x(t)) + x(t)·s G (x(t))   (50)

Figure imgb0055

Using the Laplace operator s, the inverse Laplace transform and the convolution operation, the nonlinear equation (IDG) can be set up in the time domain

F (t) = v (t) * L⁻¹ { e.g. ̲ (s)} + v (t) * z (x (t)) + x (t) * s G (x (t)) (50)
Figure imgb0055

Die Kraft F ist hierbei die Eingangsgröße des Wandlers und die Schwingspulenauslenkung x wirkt als parameterverändernde Zustandsgröße. Die Spannung an den Wandlerklemmen ergibt sich aus

u L (t) = v(t)·Bl(x(t))   (51)

Figure imgb0056

The force F is the input variable of the transducer and the voice coil deflection x acts as a parameter-changing state variable. The voltage at the converter terminals results from

u L (t) = v (t) Bl (x (t)) (51)
Figure imgb0056

Durch Nachschalten eines geeigneten Entzerrers mit der Übertragungsfunktion

u(t) = f[u L (t)]   (52)

Figure imgb0057


soll das Gesamtsystem linearisiert und die folgende lineare Gleichung (IDG) erfüllt werden
Figure imgb0058
By connecting a suitable equalizer with the transfer function

u (t) = f [u L (t)] (52)
Figure imgb0057


the entire system is to be linearized and the following linear equation (IDG) is to be fulfilled
Figure imgb0058

Das nichtlineare Entzerrernetzwerk muß hierfür die folgende Übertragungsfunktion im Zeitbereich

Figure imgb0059

mit den Abkürzungen
Figure imgb0060

und
Figure imgb0061

besitzen. Aus den abhängigen Parametern des Sensors ergeben sich die frequenzunabhängigen, nichtlinearen Funktionen
Figure imgb0062

wobei die Hilfsfunktion NU(x) der Beziehung
Figure imgb0063

genügt.The nonlinear equalizer network must do the following transfer function in the time domain
Figure imgb0059

with the abbreviations
Figure imgb0060

and
Figure imgb0061

have. The frequency-independent, non-linear functions result from the dependent parameters of the sensor
Figure imgb0062

where the auxiliary function N U (x) of the relationship
Figure imgb0063

enough.

Die nichtlineare Übertragungsfunktion des Entzerrers läßt sich unmittelbar in eine Schaltung umsetzen. Diese Schaltung ist eine Kettenschaltung zweier nichtlinearer, dynamischer Zweitore Z₂ und Z₃. Das Zweitor Z₂, das unmittelbar dem Schallempfänger folgt, enthält das Dreitor DBE zur Kompensation des elektrodynamischen Koppelfaktors. Das an den Ausgang des Dreitors DBE angeschlossene zweite Zweitor enthält die Dreitore zur Kompensation der auslenkungsabhängigen Dämpfung und der Steifigkeit.The non-linear transfer function of the equalizer can be converted directly into a circuit. This circuit is a chain connection of two non-linear, dynamic two-port Z₂ and Z₃. The two-port Z₂, which immediately follows the sound receiver, contains the three-port D BE for compensation of the electrodynamic coupling factor. The second two-port connected to the output of the three-way D BE contains the three-way to compensate for the deflection-dependent damping and the rigidity.

Das Dreitor DBE (Fig. 19) bewirkt eine Kompensation des auslenkungsveränderlichen, Kopplungsparameters. Der Eingang E₂ des Dreitors ist seriell über ein Integrierglied (129), ein seriell angekoppeltes gedächtnisloses, nichtlineares Übertragungsglied NBE (130) mit dem einen Eingang eines Multiplizierers (131) verbunden. Der Eingang E₁ ist mit dem zweiten Multiplizierereingang und der Ausgang des Multiplizierers ist mit dem Ausgang A des Dreitors DBE zusammengeschaltet.The three port D BE (FIG. 19) compensates for the coupling parameter which is variable in terms of deflection. The input E₂ of the Dreitor is connected in series via an integrating element (129), a serially coupled memoryless, non-linear transmission element N BE (130) to the one input of a multiplier (131). The input E 1 is connected to the second multiplier input and the output of the multiplier is connected to the output A of the rotator D BE .

Das Dreitor DSE (Fig. 17) bewirkt eine gewünschte Veränderung bzw. Kompensation der auslenkungsveränderlichen Steifigkeit der Membranaufhängung. Der Eingang E₂ des Dreitors DSE ist über ein Integrierglied (123), ein gedächtnisloses, nichtlineares Übertragungsglied NSE (122) und ein lineares Zweitor Q (121) mit dem einen Eingang eines Addierers (103) verbunden. Der zweite Eingang des Addierers ist mit dem Eingang E₁ und der Ausgang des Addierers ist mit dem Ausgang A des Dreitors DSE zusammengeschaltet.The three-port D SE (FIG. 17) effects a desired change or compensation of the stiffness of the diaphragm suspension which is variable in terms of deflection. The input E₂ of the Dreitor D SE is connected via an integrating element (123), a memoryless, non-linear transmission element N SE (122) and a linear two-port Q (121) to the one input of an adder (103). The second input of the adder is connected to the input E 1 and the output of the adder is connected to the output A of the Dreitor D SE .

Das Dreitor DDE (Fig. 18) bewirkt eine gewünschte Veränderung bzw. Kompensation des auslenkungsveränderlichen Steifigkeit der Membranaufhängung. Der Eingang E₂ des Dreitors DDE ist sowohl direkt mit dem einen Eingang eines Multiplizierers (107) als auch über die Kettenschaltung eines Integriergliedes (126) und eines gedächtnislosen, nichtlinearen Übertragungsgliedes NDE (128) mit dem zweiten Eingang des Multiplizierers verbunden. Der Ausgang des Multiplizierers ist über ein lineares Zweitor Q (121) mit dem Eingang eines Addierers verbunden, der zweite Eingang des Addierers ist mit dem Eingang E₁ und der Ausgang des Addierers ist mit dem Ausgang A des Dreitors DDE zusammengeschaltet.The Dreitor D DE (Fig. 18) effects a desired change or compensation of the stiffness of the diaphragm suspension which is variable in terms of deflection. The input E₂ of the Dreitor D DE is connected both directly to the one input of a multiplier (107) and via the chain connection of an integrating element (126) and a memory-free, non-linear transmission element N DE (128) to the second input of the multiplier. The output of the multiplier is connected via a linear two-port Q (121) to the input of an adder, the second input of the adder is connected to the input E 1 and the output of the adder is connected to the output A of the three-phase D DE .

Beim elektrostatische Sensor (Kondensatormikrofon) entstehen die nichtlinearen Signalverzerrungen durch das Wirken einer konstanten Parallelkapazität Cp, durch die auslenkungsabhängige elektrische Anziehung zwischen Membran und Gegenelektrode und durch die auslenkungsabhängige Nachgiebigkeit des Luftpolsters oder der Membran.In the electrostatic sensor (condenser microphone), the non-linear signal distortion is caused by the action of one constant parallel capacitance C p , through the deflection-dependent electrical attraction between the membrane and counterelectrode and through the deflection-dependent compliance of the air cushion or the membrane.

Diese Nichtlineariäten lassen sich ebenso durch ein Entzerrernetzwerk nach dem beschriebenen Grundaufbau kompensieren. Die Membran mit der Fläche SM wandelt das Schalldrucksignal pm(t) in ein Kraftsignal F(t), das im interessierenden Frequenzbereich auf die Gesamtnachgiebigkeit wirkt.These non-linearities can also be compensated for by an equalizer network according to the basic structure described. The membrane with the area S M converts the sound pressure signal p m (t) into a force signal F (t), which acts on the overall compliance in the frequency range of interest.

Im Hinblick auf das Entzerrernetzwerk sollen die Steifigkeiten der Membran sT(x), des angekoppelten Luftpolsters sB(x) und die Wirkung der elektrischen Anziehungskraft in einer konstanten Gesamtsteifigkeit so und in einer auslenkungsabhängigen Gesamtsteifigkeit sG(x)

s o + s G (x) = s T (x) + S B (x) + s A (x, U o ).   (59)

Figure imgb0064


zusammengefaßt werden.With regard to the equalizer network, the stiffness of the membrane s T (x), the coupled air cushion s B (x) and the effect of the electrical force of attraction should be in a constant overall stiffness s o and in a deflection-dependent overall stiffness s G (x)

s O + s G (x) = s T (x) + S B (x) + s A (x, U O ). (59)
Figure imgb0064


be summarized.

Zwischen der Membran und der Gegenelektrode des elektrostatische Sensors sei eine Polarisationsspannung Uo aufgebaut und der Eingangswiderstand des angekoppelten Verstärkers sei so hoch, daß bei den interessierenden Signalfrequenzen keine Ladungen abfließen können. Zusätzlich zu der Kapazität Co zwischen Membran und Gegenelektrode, die durch die Auslenkung der Membran gesteuert wird, wirkt eine zweite konstante Parallelkapazität Cp.A polarization voltage U o is built up between the membrane and the counter electrode of the electrostatic sensor and the input resistance of the coupled amplifier is so high that no charges can flow off at the signal frequencies of interest. In addition to the capacitance C o between the membrane and counterelectrode, which is controlled by the deflection of the membrane, a second constant parallel capacitance C p acts.

So ergibt sich für den Zusammenhang zwischen Auslenkung x und Signalausgangsspannung

Figure imgb0065
This results in the relationship between deflection x and signal output voltage
Figure imgb0065

Durch Nachschalten eines geeigneten Entzerrers mit der Übertragungsfunktion

u(t) = f[u L (t)]   (61)

Figure imgb0066


soll das Gesamtsystem linearisiert und die folgende lineare Übertragungsfunktion
Figure imgb0067

erfüllt werden. Das nichtlineare Entzerrernetzwerk muß hierfür die folgende Übertragungsfunktion im Zeitbereich besitzen.
Figure imgb0068

mit
Figure imgb0069

Das Entzerrernetzwerk ist frequenzunabhängig und entspricht einem einfachen gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitor.By connecting a suitable equalizer with the transfer function

u (t) = f [u L (t)] (61)
Figure imgb0066


the entire system should be linearized and the following linear Transfer function
Figure imgb0067

be fulfilled. For this, the nonlinear equalizer network must have the following transfer function in the time domain.
Figure imgb0068

With
Figure imgb0069

The equalizer network is frequency-independent and corresponds to a simple, memory-free, non-linear two-port.

Nachdem nun für verschiedene elektroakustische Wandler die Schaltungsstruktur der nichtlinearen Entzerrernetzwerke entwickelt wurde, soll nun auch das Problem der Anpassung dieser Entzerrernetzwerke an den Wandler gelöst werden. Die nichtlinearen Verzerrungen im Gesamtsystem können nur unter 1 % gesenkt werden, wenn die Kennlinien in den gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitoren mindestens in der gleichen Größenordnung an die Optimalwerte geführt werden.Now that the circuit structure of the non-linear equalizer networks has been developed for various electroacoustic transducers, the problem of adapting these equalizer networks to the transducer is now to be solved. The nonlinear distortions in the overall system can only be reduced below 1% if the characteristic curves in the memoryless, nonlinear two-ports are brought to the optimum values at least in the same order of magnitude.

Erfindungsgemäß weist das Entzerrernetzwerk veränderliche Eigenschaften auf, d.h. über mindestens einen Steuereingang können die Parameter des Entzerrernetzwerkes insbesondere die nichtlinearen, gedächtnislosen Zweitore verändert werden. An den Steuerleitungen der Parametersteuerung sind Hilfsmittel zur Speicherung des eingestellten Steuerwertes (Halteschaltungen) um auch nach Bendigung des Anpaßvorganges die ermittelte Parametereinstellung zu bewahren. Zur Anpassung des Netzwerkes wird ein weiteres schaltungstechnisches Hilfsmittel aktiviert. Es besteht aus einem Generierungsteil zur Erzeugung eines Anregungssignales und aus einem Analyseteils zur Erfassung und Auswertung eines Meßsignales und zur Erzeugung von Steuersignalen für die Einstellung der Entzerrerparameter.According to the invention, the equalizer network has changeable properties, ie the parameters of the equalizer network, in particular the non-linear, memoryless two-ports, can be changed via at least one control input. On the control lines of the parameter control there are aids for storing the set control value (holding circuits) in order to retain the determined parameter setting even after the adjustment process has ended. A further circuit-technical aid is activated to adapt the network. It consists of a generation part for generating an excitation signal and an analysis part for recording and evaluating a measurement signal and for generating control signals for setting the equalizer parameters.

Die Anpaßanordnung kann als Regelschaltung oder als Steuerschaltung ausgeführt werden.The adapter arrangement can be designed as a control circuit or as a control circuit.

Bei der Steuerschaltung ist eine getrennte Anpassung möglich, bei der der Wandler zunächst ohne Entzerrernetzwerk mit der Anpaßanordnung zu einer Meßkette verschalten ist und die nichtlinearen Wandlerparameter bestimmt und in den Halteschaltungen gespeichert werden. Nach der Messung der Wandlerparameter wird das Entzerrernetzwerk an den Wandler wieder angekoppelt und die Ausgänge der Halteschaltungen mit den Steuereingängen des Entzerrernetzwerkes verbunden.A separate adaptation is possible in the control circuit, in which the converter is initially connected to the measuring arrangement to form a measuring chain without an equalizer network, and the nonlinear converter parameters are determined and stored in the holding circuits. After measuring the converter parameters, the equalizer network is coupled to the converter again and the outputs of the holding circuits are connected to the control inputs of the equalizer network.

Vorteilhafter erscheint eine gleichzeitige Anpassung, bei der das Generierungsteil mit dem Wandler-Entzerrer-System und dem Analyseteil zu einer Meßkette verschalten sind.A simultaneous adaptation appears to be more advantageous, in which the generation part is connected to the transducer-equalizer system and the analysis part to form an electrode.

Der Ausgang des Analyseteil ist mit dem Steuereingang des Entzerrernetzwerkes verbunden, so daß die Steuersignale, die im Analyseteil erzeugt werden, die Parameter des Entzerrernetzwerks verändern und das System an den Wandler anpassen. Ein Hauptsteuersystem übernimmt während des Anpaßvorganges die Kontrolle und Steuerung der Teilsysteme.The output of the analysis section is connected to the control input of the equalization network, so that the control signals generated in the analysis section change the parameters of the equalization network and adapt the system to the converter. A main control system takes over the control and control of the subsystems during the adjustment process.

Bei der Anpassung von Entzerrernetzwerken an Schallsender wird das Generierungsteil über das Entzerrernetzwerk mit den Eingangsklemmen des Wandlers verbunden. Das Meßsignal kann über eine Impedanzmessung oder über eine akustische Messung abgeleitet werden. Die akustische Messung erfordert zwar einen zusätzlichen Schallempfänger, vermindert jedoch den technischen Aufwand im nachfolgenden Analyseteil.When adapting equalizer networks to sound transmitters, the generation part is connected to the input terminals of the converter via the equalizer network. The measurement signal can be derived via an impedance measurement or via an acoustic measurement. The acoustic measurement requires an additional sound receiver, but reduces the technical effort in the subsequent analysis section.

Für die praktische Realisierung ist es erstrebenswert, nur eine Parameterveränderung von nichtlinearen, gedächtnislosen Zweitoren im Entzerrernetzwerk vorzunehmen und eine Veränderung der linearen, frequenzabhängigen Zweitorparmeter weitestgehend zu vermeiden. Beim elektrodynamischen Schallsender kann durch die vorhandenen Dreitore der Dämpfungs- und Steifigkeitskompensation die Gesamtanordnung an das Übertragungsverhalten des Zweitors X angepaßt werden. Dadurch kann der Anpaßaufwand gesenkt und gleichzeitig ein gewünschtes lineares Gesamtübertragungsverhalten realisiert werden.For practical implementation, it is desirable to only change the parameters of non-linear, memoryless two-ports in the equalizer network and to largely avoid changing the linear, frequency-dependent two-port parameters. In the case of the electrodynamic sound transmitter, the overall arrangement can be adapted to the transmission behavior of the two-port X by means of the three-port damping and stiffness compensation. As a result, the adaptation effort can be reduced and, at the same time, a desired linear overall transmission behavior can be realized.

Im Analyseteil werden aus dem aufgenommenen Meßsignal (Mikrofonsignal) die einzelnen Verzerrungskomponenten mit einer Spektral- oder Korrelationsanalyse separiert und die Steuersignale abgeleitet.In the analysis part, the individual distortion components are separated from the recorded measurement signal (microphone signal) with a spectral or correlation analysis and the control signals are derived.

Bei der Korrelationsanalyse ist es zunächst erforderlich, das Anregungssignal vom Generierungsteil in das Analyseteil zu überführen, und aus dem Anregungssignal Referenzsignale zu bilden. Dazu wird das Anregungssignal über nichtlineare, dynamische Zweitore geführt, die die nichtlinearen Verzerrungsursachen des Wandler synthetisch nachbilden und einzelne Verzerrungskomponenten separieren. Die Frequenz und Phasenlage der Referenzsignale, nicht aber ihre Amplitude ist für die Korrelationsanalyse wichtig. Das Meßsignal und jeweils ein Referenzsignal wird an die beiden Eingänge des Korrelators geführt. Der Korrelator besteht aus einem Multiplizierer und einem nachgeschalteten Tiefpaß. Das Korrelationssignal wird unmittelbar zur Steuerung des Entzerrernetzwerkes benutzt.In the correlation analysis, it is first necessary to transfer the excitation signal from the generation part to the analysis part and to form reference signals from the excitation signal. For this purpose, the excitation signal is conducted via non-linear, dynamic two-ports, which synthetically simulate the non-linear causes of distortion of the converter and separate individual distortion components. The frequency and phase position of the reference signals, but not their amplitude, is important for the correlation analysis. The measurement signal and a reference signal are fed to the two inputs of the correlator. The correlator consists of a multiplier and a downstream low-pass filter. The correlation signal is used directly to control the equalizer network.

Der Anpaßprozeß wird bei verschiedenen Signalaussteuerungen vorgenommen, um eine möglichst gute Übereinstimmung und letztlich Kompensation im Klein- und Großsignalbereich zu erzielen. Bei einem schrittweise wachsenden Anregungssignal können die für geringere Aussteuerung bestimmten optimalen Entzerrerparameter übernommen und nur die für den erweiterten Aussteuerungsbereich relevanten Kurvenabschnitte verändert werden.The adaptation process is carried out with various signal modulations in order to achieve the best possible match and ultimately compensation in the small and large signal range. In the case of a step-by-step excitation signal, the optimal equalizer parameters intended for lower modulation can be adopted and only the curve sections relevant for the extended modulation range can be changed.

Für den Fall, daß das Wandler-Entzerrersystem seine Aussteuerungsgrenzen erreicht hat und zum Beispiel die Auslenkung der Schwingspule oder die zugeführte und in Wärme umgesetzte Leistung zur Zerstörung des Wandlers führen kann, empfielt sich die Anordnung eines nichtlinearen, dynamischen Zweitores ZSS im Entzerrernetzwerk. Das Zweitor ZSS hat die gleiche Struktur, wie die anderen nichtlinearen Entzerrerbausteine. Es enthält nichtlineare, dynamische Dreitore DSS zur Aussteuerungsbegrenzung und zur Leistungsbegrenzung.In the event that the converter equalizer system has reached its modulation limits and, for example, the deflection of the voice coil or the power supplied and converted into heat can destroy the converter, it is advisable to arrange a non-linear, dynamic two-port Z SS in the equalizer network. The two-port Z SS has the same structure as the other non-linear equalizer blocks. It contains non-linear, dynamic three-port D SS for modulation limitation and for power limitation.

Zwischen dem Eingang E₁ und dem Ausgang A der Dreitore ist ein steuerbares, nichtlineares Netzwerk H geschaltet, das zum Beispiel eine Hochpaßcharakteristik besitzt. Der Eingang E₂ ist über ein lineares Netzwerk O, über ein gedächtnisloses, nichtlineares Zweitor NO und über ein weiteres lineares Zweitor B mit dem Steuereingang des Zweitores H verbunden.Between the input E₁ and the output A of the three-gate a controllable, non-linear network H switched, which has, for example, a high-pass characteristic. The input E₂ is connected via a linear network O, via a memoryless, non-linear two-port N O and via a further linear two-port B to the control input of the two-port H.

Zur Realisierung des Auslenkungsschutzes besitzt das lineare Zweitor O die Übertragungsfunktion X(s) und erzeugt ein auslenkungsäquivalentes Signal. Das nichtlineare Zweitor NO ist ein Gleichrichter und das nachgeschaltete Zweitor besitzt eine Tiefpaßcharakteristik.To implement the deflection protection, the linear two-port O has the transfer function X (s) and generates a deflection-equivalent signal. The non-linear two-port N O is a rectifier and the downstream two-port has a low-pass characteristic.

Zur Begrenzung der Verlustleistung im Wandler besitzt das lineare Zweitor O eine aus der elektrischen Eingangsimpedanz abgeleiteten Übertragungsfunktion. Das nichtlineare Zweitor NO enthält einen Quadrierer und das nachfolgende lineare Zweitor B ist ein Integrator, dessen Integrationszeit mit der Aufheizzeit (bestimmt durch Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit) des Wandlers korrespondiert.To limit the power loss in the converter, the linear two-port O has a transfer function derived from the electrical input impedance. The non-linear two-port N O contains a squarer and the subsequent linear two-port B is an integrator, the integration time of which corresponds to the heating-up time (determined by thermal capacity and thermal conductivity) of the converter.

Durch eine Veränderung der linearen Übertragungseigenschaften des Zweitores H (z. B. Absenkung der Baßsignale durch einen Hochpaß) wird beim Erreichen der Aussteuerungsgrenze (max. Auslenkung, max. Verlustleistung) eine Zerstörung des Wandlers bzw. die Erzeugung nichtlinearer Verzerrungen vermieden.A change in the linear transmission properties of the two-port H (e.g. lowering of the bass signals through a high-pass filter) prevents the converter from being destroyed or the generation of non-linear distortions when the modulation limit (max. Deflection, max. Power loss) is reached.

In den Zeichnungen zeigen

  • Fig. 1: das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung des Entzerrernetzwerk für den Schallsender (a) und den Schallempfänger (b),
  • Fig. 2 a rückwirkungsfreie Zusammenschaltung einzelner nichtlinearer, dynamischer Dreitore D zu einem Zweitor Z, Fig. 2 b: rückwirkende Zusammenschaltung einzelner nichtlinearer, dynamischer Dreitore D zu einem Zweitor Z,
  • Fig. 3: Innenaufbau eines nichtlinearen, dynamischen Dreitors D,
  • Fig. 4: Struktur des Entzerrernetzwerkes für einen elektrodynamischen Schallsender,
  • Fig. 5: Struktur des Entzerrernetzwerkes für ein elektrodynamisches Mikrofon,
  • Fig. 6: Struktur des Entzerrernetzwerkes für ein Kondensatormikrofon,
  • Fig. 7 a: elektromechanisches Ersatzschaltbild für einen elektrodynamischen Schallsender,
  • Fig. 7 b: Beschreibung des Übertragungsverhaltens eines elektrodynamischen Schallsender mit einem Signalflußplan,
  • Fig. 8: Ersatzschaltbild des elektroakustischen Wandlers mit Hornschallführung (Druckkammerlautsprecher),
  • Fig. 9: Dreitor DS zur Kompensation der auslenkungsabhängigen Steifigkeit bei einem Schallsender,
  • Fig. 10: Dreitor DB zur Kompensation der auslenkungsabhängigen, elektrodynamischen Antriebes bei einem Schallsender,
  • Fig. 11: Dreitor DD zur Kompensation der auslenkungsabhängigen Dämpfung bei einem Schallsender,
  • Fig. 12: Dreitor DMU zur Kompensation des elektromagnetischen Antriebes bei einem Schallsender mit Konstantspannungsspeisung,
  • Fig. 13: Dreitor DMI zur Kompensation des elektromagnetischen Antriebes bei einem Schallsender mit Konstantstromspeisung,
  • Fig. 14: Dreitor DL zur Kompensation der auslenkungsabhängigen Induktivität bei einem Schallsender,
  • Fig. 15: Dreitor DA zur Kompensation der adiabatischen Kompression in der angekoppelten Schallführung eines Schallsenders,
  • Fig. 16: Dreitor DR zur Kompensation der turbulenten Strömung in der angekoppelten Schallführung eines Schallsenders,
  • Fig. 17: Dreitor DSE zur Kompensation der auslenkungsabhängigen Steifigkeit eines elektrodynamischen Schallempfängers, Fig. 18: Dreitor DDE zur Kompensation der auslenkungsabhängigen Dämpfung eines elektrodynamischen Schallempfängers,
  • Fig. 19: Dreitor DBE zur Kompensation des auslenkungsabhängigen, elektrodynamischen Antriebes bei einem Schallempfänger,
  • Fig. 20 a: Grobstruktur (Signalflußplan) eines Entzerrerungssystems für den elektrodynamischen Lautsprecher,
  • Fig. 20 b: Ausführungsbeispiel für ein Entzerrernetzwerk für einen elektrodynamischen Lautsprecher zur Kompensation der auslenkungsabhängigen Steifigkeit, Dämpfung und des Kopplungsfaktors,
  • Fig. 21: Ausführungsbeispiel für ein steuerbares, gedächtnisloses, nichtlineares Zweitor,
  • Fig. 22: Prinzipschaltbild der Anordnung zur selbständigen, automatischen Anpassung des Entzerrernetzwerkes an den Wandler,
  • Fig. 23: Ausführungsbeispiel für die automatische Anpaßanordnung.
  • Fig. 24: Dreitor DT zur Kompensation der auslenkungsabhängigen Laufzeit (Dopplereffekt) bei einem Schallsender,
In den Zeichnungen verkörpern die Ziffern folgende Elemente: Entzerrernetzwerk (1), Schallsender (2), Schallempfänger (3), lineare und nichtlineare Übertragungssysteme (4, 5, 6, 8, 9, 10), Verstärker (7), Eingang des Zweitores Z (11), Ausgang des Zweitores Z (12), nichtlineare, dynamische Übertragungsdreitore D (14, 15, 16, 17), Eingänge des ersten Dreitores (18, 19), Ausgang des letzten Dreitores (20), Eingang E₁ des Dreitores D (21), Eingang E₂ des Dreitores D (22), nichtlineares Übertragungssystem U (23), Verknüpfungselement (24), Ausgang A des Dreitors D (25), gedächtnisloses, nichtlineares Zweitor NK (26), Entzerrernetzwerk (27), Multiplizierer (28, 33), Addierer (29, 30), Eingang des Entzerrers (31), Ausgang des Entzerrers (32), lineares Netzwerk mit der Übertragungsfunktion X(s) (34), gedächtnisloses, nichtlineares Zweitor (35, 37, 38), Differenzierer (36), Steuereingänge zur Parameterveränderung (39, 40, 41), Steuereingang zur Arbeitspunktumschaltung (42), Relais (43), Umschalter (44, 45, 46), Eingang des veränderbaren, gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitores N (47), Halteschaltungen (48, 49, 50, 51, 52), Addierer (53, 54, 55, 56), Multiplizierer (57, 58, 59), spannungsgesteuerte Verstärker (60, 61, 62, 63), Ausgang des nichtlinearen Zweitores N (64), Tongeneratoren (65, 66), Addierer (67), lineares Netzwerk mit der Eingangsspannung-Auslenkung-Übertragungsfunktion des Wandlers (68, 69), Multiplizierer (70, 71, 72), lineare Netzwerke mit der Übertragungsfunktion des Wandlers (73, 74), Generierungsteil (75), Analyseteil (76), Multiplizierer (77, 78, 79, 80), Tiefpässe (81, 82, 83, 84), Differenzierer (85, 86), Umschalter (87), Relais (88), Hauptsteuersystem (89), spannungsgesteuerter Verstärker VCA (91), Audioeingang (93), Multiplizierer (95), Dreitor DMI zur Kompensation des elektromagn. Antriebes bei Konstantspannungsspeisung (96), Dreitor DMU zur Kompensation des elektromagn. Antriebes bei Stromspeisung (97), Dreitor DL zur Induktivitätskompensation (98), Dreitor DS zur Steifigkeitskompensation (99), lineares Netzwerk X zur Nachbildung der Auslenkung (100), gedächtnisloses, nichtlineares Zweitor NS (101), Dreitor DB zur elektrodyn. Antriebskompensation (102), Addierer (103), gedächtnisloses, nichtlineares Zweitor NB (104), Multiplizierer (105), gedächtnisloses, nichtlineares Zweitor ND (106), Multiplizierer (107), Differenzierer (108), Dreitor DD zur Dämpfungskompensation (109), gedächtnisloses, nichtlineares Zweitor NM (110), dynamisches Zweitor zur Nachbildung des Wandlereingangsstromes (111), Differenzierer (112), lineares Netzwerk W (113), gedächtnisloses, nichtlineares Netzwerk NA (114), dynamisches Zweitor (115), Dreitor DA zur Kompensation der adiabatischen Kompression (116), Dreitor DR zur Kompensation der turbulenten Strömung (117), lineares Netzwerk Y (118), gedächtnisloses, nichtlineares Zweitor NR (119), lineares Netzwerk F (120), lineares Netzwerk Q (121), gedächtnisloses, nichtlineares Zweitor NSE (122), Integrator 1/s (123), Dreitor DSE zur Steifigkeitskompensation (124), Dreitor DDE zur Dämpfungskompensation (125), Integrator 1/s (126), gedächtnisloses, nichtlineares Zweitor NDE (128), Integrierer (129), gedächtnisloses, nichtlineares Zweitor NBE (130), Multiplizierer (131), Dreitor DBE zur Kompensation des elektrodyn. Antriebes (132), Dreitor DT zur Kompensation der auslenkungsabhängigen Laufzeit im akustischen System, Addierer (134), Subtrahierer (135), Addierer (136), Multiplizierer (137), Verzögerungsglied mit konstanter Verzögerungszeit (138), Addierer (139), Multiplizierer (140), Addierer (142 - 143), lineares Übertragungssystem X(s) (144), Übertragungsglied mit veränderlicher, steuerbarer Laufzeit (145), lineares Übertragungssystem (146), nichtlineares Übertragungssysteme (147 - 152), lineares Übertragungssystem (153), Signaleingang (154), Verzögerungsglied mit entgegengesetzter Steuercharakteristik (155), Subtrahierglieder (156 - 158, 160), Dividierglied (159), lineares Übertragungssystem (161), nichtlineare Übertragungsglieder (162 - 166), lineares Übertragungssystem (167), Quadrierer (168), Multiplizierer (169).Show in the drawings
  • 1: the basic circuit diagram of the solution according to the invention of the equalizer network for the sound transmitter (a) and the sound receiver (b),
  • 2a a non-reactive interconnection of individual non-linear, dynamic three-port doors D to form a two-port Z, FIG. 2 b: retroactive interconnection of individual non-linear, dynamic three-port doors D to form a two-port Z,
  • 3: internal structure of a non-linear, dynamic Dreitor D,
  • 4: Structure of the equalizer network for an electrodynamic sound transmitter,
  • 5: structure of the equalizer network for an electrodynamic microphone,
  • 6: structure of the equalizer network for a condenser microphone,
  • 7 a: electromechanical equivalent circuit diagram for an electrodynamic sound transmitter,
  • 7 b: Description of the transmission behavior of an electrodynamic sound transmitter with a signal flow plan,
  • 8: equivalent circuit diagram of the electroacoustic transducer with horn sound guide (pressure chamber loudspeaker),
  • 9: Dreitor D S for compensation of the deflection-dependent stiffness in a sound transmitter,
  • 10: Dreitor D B for compensation of the deflection-dependent, electrodynamic drive in a sound transmitter,
  • 11: Dreitor D D for compensation of the deflection-dependent damping in a sound transmitter,
  • 12: Dreitor D MU for compensation of the electromagnetic drive in a sound transmitter with constant voltage supply,
  • 13: Dreitor D MI for compensation of the electromagnetic drive in a sound transmitter with constant current supply,
  • 14: Dreitor D L for compensation of the deflection-dependent inductance in a sound transmitter,
  • 15: three-port D A to compensate for the adiabatic compression in the coupled sound guide of a sound transmitter,
  • 16: three-port D R for compensation of the turbulent flow in the coupled sound guide of a sound transmitter,
  • 17: Dreitor D SE for compensation of the deflection-dependent stiffness of an electrodynamic sound receiver, Fig. 18: Dreitor D DE for compensation of the deflection-dependent damping of an electrodynamic sound receiver,
  • 19: Dreitor D BE for compensation of the deflection-dependent, electrodynamic drive in a sound receiver,
  • 20 a: rough structure (signal flow diagram) of an equalization system for the electrodynamic loudspeaker,
  • 20 b: exemplary embodiment of an equalizer network for an electrodynamic loudspeaker to compensate for the deflection-dependent stiffness, damping and the coupling factor,
  • 21: exemplary embodiment of a controllable, memoryless, non-linear two-port,
  • 22: basic circuit diagram of the arrangement for independent, automatic adaptation of the equalizer network to the converter,
  • Fig. 23: Exemplary embodiment for the automatic matching arrangement.
  • 24: Dreitor D T for compensating the deflection-dependent transit time (Doppler effect) in a sound transmitter,
In the drawings, the numbers represent the following elements: equalizer network (1), sound transmitter (2), sound receiver (3), linear and non-linear transmission systems (4, 5, 6, 8, 9, 10), amplifier (7), input of the two-port Z (11), output of the two-port Z (12), non-linear, dynamic transmission three-ports D (14, 15, 16, 17), inputs of the first three-port (18, 19), output of the last three-port (20), input E 1 of the three-port D (21), input E₂ of the three-port D (22), non-linear transmission system U (23), logic element (24), output A of the three-port D (25), memoryless, non-linear two-port N K (26), equalizer network (27), Multiplier (28, 33), adder (29, 30), input of the equalizer (31), output of the equalizer (32), linear network with the transfer function X (s) (34), memoryless, non-linear two-port (35, 37, 38), differentiator (36), control inputs for changing parameters (39, 40, 41), control input for switching the operating point (42), rel ais (43), changeover switch (44, 45, 46), input of the changeable, memoryless, non-linear two-port N (47), holding circuits (48, 49, 50, 51, 52), adders (53, 54, 55, 56) , Multipliers (57, 58, 59), voltage-controlled amplifiers (60, 61, 62, 63), output of the non-linear two-port N (64), tone generators (65, 66), adders (67), linear network with the input voltage deflection transfer function of the converter (68, 69), multipliers (70, 71, 72), linear networks with the transfer function of the converter (73, 74), Generation section (75), analysis section (76), multiplier (77, 78, 79, 80), low pass filter (81, 82, 83, 84), differentiator (85, 86), changeover switch (87), relay (88), main control system (89), voltage-controlled amplifier VCA (91), audio input (93), multiplier (95), three-port D MI to compensate for the electromagn. Drive with constant voltage supply (96), three-port D MU to compensate the electromagn. Actuator with power supply (97), three-port D L for inductance compensation (98), three-port D S for stiffness compensation (99), linear network X for simulation of the deflection (100), memoryless, non-linear two-port N S (101), three-port D B for electrodyn. Drive compensation (102), adder (103), memoryless, non-linear two-port N B (104), multiplier (105), memoryless, non-linear two-port N D (106), multiplier (107), differentiator (108), three-port D D for damping compensation (109), memoryless, non-linear two-port N M (110), dynamic two-port for simulating the converter input current (111), differentiator (112), linear network W (113), memory-free, non-linear network N A (114), dynamic two-port (115 ), Three-port D A to compensate for adiabatic compression (116), three-port D R to compensate for turbulent flow (117), linear network Y (118), memoryless, non-linear two-port N R (119), linear network F (120), linear network Q (121), memoryless, non-linear two-port N SE (122), integrator 1 / s (123), three-port D SE for stiffness compensation (124), three-port D DE for damping compensation (125), integrator 1 / s (126) , memoryless, non-linear two-port N DE (128), integrator (129), memoryless, non-linear two-port N BE (130), multiplier (131), three-port D BE for compensation of the electrodyne. Drive (132), three-port D T for compensation of the displacement-dependent travel time in the acoustic system, adder (134), Subtractors (135), adders (136), multipliers (137), delay elements with constant delay time (138), adders (139), multipliers (140), adders (142-143), linear transmission system X (s) (144), Transmission element with variable, controllable transit time (145), linear transmission system (146), non-linear transmission systems (147-152), linear transmission system (153), signal input (154), delay element with opposite control characteristic (155), subtracting elements (156-158, 160) ), Divider (159), linear transmission system (161), non-linear transmission elements (162-166), linear transmission system (167), squarer (168), multiplier (169).

Die Erfindung soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel und anhand der Figuren 20, 21, 22 und 23 näher erläutert werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde ein einfaches Beispiel gewählt. Das Prinzip ist auf andere und mehrere Parameter sinngemäß übertragbar. Ein elektrodynamischer Konuslautsprechers (2), montiert in ein Kompaktgehäuse, wird über eine Konstantstromquelle gespeist. Der elektrodynamische Antrieb erweist sich bei diesem Lautsprecher als die entscheidende Verzerrungsursache, so daß nur ein nichtlinearer Wandlerparameter kompensiert werden muß. Das benutzte Entzerrernetzwerk ist in Fig. 20 dargestellt. Es erlaubt eine Korrektur des elektrodynamischen Antriebes, der Dämpfung und der Steifigkeit der Wandlerparameter. Das Netzwerk enthält einen linearen Tiefpaß (34) zweiter Ordnung X(s), ein Differenzierglied s (36), drei gedächtnislose, nichtlineare Zweitore NS (35), NB (38), ND (37) und drei Multiplizierer (33, 28, 95) und zwei Addierstufen (29, 30). Der Eingang des Addierers (30) und der Eingang des Tiefpasses X (34) sind an den Eingang (31) des Entzerrernetzwerkes angeschlossen. Der Ausgang des Tiefpasses X (34), der ein auslenkungsäquivalentes Signal führt, ist sowohl mit allen Eingängen der gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitore (35, 37, 38) und des Differenziergliedes (36) als auch mit dem einen Eingang des Multiplizierers (95) verbunden. Der zweite Eingang des Multiplizierers (95) ist mit dem Ausgang des nichtlinearen Zweitores NS (35) verknüpft. Der Ausgang des Multiplizierers (95) wird im Addierer (30) mit dem unverzerrten Signal überlagert. Der Ausgang des Differenziergliedes (36) und der Ausgang des nichtlinearen Zweitores ND (37) sind an die Eingänge des Multiplizierers (33) angeschlossen. Der Ausgang des Multiplizierers wird über das Addierglied (29) mit dem vorverzerrten Signal verknüpft und zu dem einen Eingang des Multiplizierers (28) geführt. Der zweite Eingang des Multiplizierers (28) ist mit dem Ausgang des gedächtnislosen Zweitors NB (38) verbunden. Der Ausgang des Multiplizierers (28) ist über einen Verstärker (7) mit Konstantstromspeisung mit dem Lautsprecher verbunden.The invention will be explained in the following using an exemplary embodiment and with reference to Figures 20, 21, 22 and 23. A simple example was chosen for reasons of clarity. The principle can be applied analogously to other and several parameters. An electrodynamic cone loudspeaker (2), mounted in a compact housing, is fed via a constant current source. With this loudspeaker, the electrodynamic drive proves to be the decisive cause of the distortion, so that only a nonlinear converter parameter has to be compensated for. The equalizer network used is shown in FIG. 20. It allows correction of the electrodynamic drive, the damping and the rigidity of the converter parameters. The network contains a linear low-pass filter (34) of second order X (s), a differentiator s (36), three memoryless, non-linear two-ports N S (35), N B (38), N D (37) and three multipliers (33 , 28, 95) and two adding stages (29, 30). The input of the adder (30) and the input of the low pass X (34) are connected to the input (31) of the equalizer network. The output of the low-pass filter X (34), which carries a deflection-equivalent signal, is connected both to all inputs of the memoryless, non-linear two-ports (35, 37, 38) and the differentiating element (36) and to one input of the multiplier (95) . The second The input of the multiplier (95) is linked to the output of the non-linear two-port N S (35). The output of the multiplier (95) is superimposed in the adder (30) with the undistorted signal. The output of the differentiating element (36) and the output of the non-linear two-port N D (37) are connected to the inputs of the multiplier (33). The output of the multiplier is linked to the predistorted signal via the adder (29) and is fed to one input of the multiplier (28). The second input of the multiplier (28) is connected to the output of the memoryless two-port N B (38). The output of the multiplier (28) is connected to the loudspeaker via an amplifier (7) with constant current supply.

Das lineare Netzwerk ist als aktives RC-Filter aufgebaut. Die Güte und die Resonanzfrequenz des Tiefpasses X(s) zweiter Ordnung wird entsprechend dem gewünschten linearem Übertragungsverhalten festgelegt. Mit Hilfe der in der Entzerrerschaltung enthaltenen Dreitore DD und DS kann für beliebige Lautsprecher mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz und Güte das Gesamtsystem auf die geforderten linearen Eigenschaften korrigiert werden. Die Übereinstimmung zwischen Tiefpaßfunktion X(s) und linerem Übertragungsverhalten der Gesamtanordnung ist eine notwendige Voraussetzung für Funktionstüchtigkeit des nichtlinearen Entzerrers.The linear network is constructed as an active RC filter. The quality and the resonance frequency of the second order low-pass filter X (s) is determined in accordance with the desired linear transmission behavior. With the help of the three-port D D and D S contained in the equalizer circuit, the overall system can be corrected for the required linear properties for any loudspeaker with different resonance frequency and quality. The correspondence between the low-pass function X (s) and the linear transmission behavior of the overall arrangement is a necessary prerequisite for the functionality of the nonlinear equalizer.

Da in dem vorliegenden Beispiel der Lautsprecher keine Steifikeits- und Dämpfungsnichtlinearitäten aufweist, werden nur konstante Werte in den Zweitore NS (35) und ND (37) abgelegt. Die nichtlineare Kennlinie des gedächtnislosen Zweitores NB (38) muß jedoch an den Wandler angepaßt werden.Since in the present example the loudspeaker has no stiffness and damping non-linearities, only constant values are stored in the two gates N S (35) and N D (37). The non-linear characteristic of the memoryless two-port N B (38) must, however, be adapted to the converter.

Jedes dieser gedächtnislosen nichtlinearen Zweitore besteht nach Fig. 21 aus einer Parallelschaltung von einzelnen Zweigen, wobei jeder Zweig ein Potenzierglied (57, 58, 59) und einen spannungsgesteuerten Verstärker (60, 61, 62, 63) enthält, die über ein Addierglied (53, 54, 55, 56) vor dem Ausgang (64) zusammengefaßt werden. Entsprechend der Taylorreihenentwicklung nimmt die Ordnung der Potenzen von Zweig zu Zweig schrittweise zu und die Verstärkungsveränderung der VCA ermöglicht die Approximation einer beliebigen Kurvenform. An die Steuereingänge der Verstärker ist eine Halteschaltung (48, 49, 50, 51, 42) angeschlossen, die die optimal eingestellte Steuerspannung nach dem Anpassungsvorgang speichert. Die Steuerspannung der linearen (49, 60) und kubischen Zweige (51, 58, 62) verändern die Unsymmetrie der Kennlinie. Wird die Verstärkung in den Potenziergliedern gerader Ordnung (61, 63) erhöht, nehmen die symmetrischen Kennlinienveränderungen zu.21 consists of a parallel connection of individual branches, each branch containing an exponentiation element (57, 58, 59) and a voltage-controlled amplifier (60, 61, 62, 63) which are connected via an adder element (53 , 54, 55, 56) before the exit (64) are summarized. In accordance with the Taylor series development, the order of the powers increases gradually from branch to branch and the gain change the VCA enables the approximation of any curve shape. A hold circuit (48, 49, 50, 51, 42) is connected to the control inputs of the amplifiers and stores the optimally set control voltage after the adaptation process. The control voltage of the linear (49, 60) and cubic branches (51, 58, 62) change the asymmetry of the characteristic. If the gain in the even-order potentiometers (61, 63) is increased, the symmetrical changes in the characteristic curve increase.

Die Steuerleitungen der geraden und ungeraden Systeme sind jeweils an einen Umschalter (44, 45, 46) zusammengeführt die vom Hauptsteuerwerk (89) über das Relais (43) gleichzeitig geschalten werden. Die Läufer der Umschalter führen zu den konstanten (39), symmetrischen (41) und unsymmetrischen (40) Korrektureingänge. Neben dem Signaleingang und Ausgang, enthält das veränderbare nichtlineare "Zweitor" noch eine Steuerleitung (42) mit der die Umschalter geschaltet und verschiedene Arbeitspunkte in den Kennlinien angewählt werden können. Für sehr kleine Eingangssignale am EntzerrerWandler-System werden im untersten Arbeitspunkt die Koeffizienten der linearen (49) und quadratischen (50) Glieder optimiert. Die Ordnung des Taylorreihenansatzes bzw. die Anzahl der parallelen Zweige in dem gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitor bestimmt die Anzahl weiterer Arbeitspunkte. Sie werden in zweckmäßigen Abstand über den weiteren Aussteuerungsbereich des Wandlers verteilt.The control lines of the even and odd systems are each connected to a changeover switch (44, 45, 46) which are switched simultaneously by the main control unit (89) via the relay (43). The rotors of the changeover switches lead to the constant (39), symmetrical (41) and asymmetrical (40) correction inputs. In addition to the signal input and output, the changeable non-linear "two-port" also contains a control line (42) with which the changeover switch can be switched and various operating points can be selected in the characteristic curves. For very small input signals on the equalizer-converter system, the coefficients of the linear (49) and quadratic (50) elements are optimized in the lowest operating point. The order of the Taylor series approach or the number of parallel branches in the memoryless, non-linear two-port determines the number of additional operating points. They are appropriately distributed over the further modulation range of the converter.

Das Generierungsteil (75) besteht aus zwei Signalgeneratoren (65, 66), die einen sinusförmigen Ton in der Nähe der Resonanzfrequenz und einen zweiten höherfrequenten Ton erzeugen. Beide Signale werden in einer Addierstufe (67) addiert und über einen spannungsgesteuerten Verstärker (91) an das Entzerrernetzwerk (1) über den Umschalter (87) ausgegeben. Das Hauptsteuerwerk (89) stellt diese Verbindung über das Relais (88) während des Anpaßvorganges her und schaltet nach erfolgter Anpassung wieder auf den normalen Signaleingang (93) zurück. Das Entzerrernetzwerk (1) ist über einen gleichspannungsübertragenden Verstärker (7) mit dem Wandler (2) verbunden.The generating part (75) consists of two signal generators (65, 66) which generate a sinusoidal tone near the resonance frequency and a second higher-frequency tone. Both signals are added in an adder stage (67) and output to the equalizer network (1) via the switch (87) via a voltage-controlled amplifier (91). The main control unit (89) establishes this connection via the relay (88) during the adaptation process and switches back to the normal signal input (93) after adaptation. The equalizer network (1) is connected to the converter via a DC voltage-transmitting amplifier (7) (2) connected.

Über ein Mikrofon (3) wird während des Anpaßvorganges der Schalldruck in der Nähe des Lautsprechers gemessen und das elektrische Mikrofonsignal dem Analyseteil (76) zugeführt. Das Analyseteil enthält für jeden anzupassenden Parameter einen Korrelator, der mit Hilfe eines Multiplizierers (77, 78, 79, 80) und eines nachgeschalteten Tießpasses (81, 82, 83, 84) realisiert wurde. Auf den einen Eingang des Korrelators wird das Mikrofonsignal, auf den anderen Eingang ein aus dem Anregungssignal abgeleitetes Referenzsignal geführt. Die Amplitude der Referenzsignale ist willkürlich und trägt keinen Informationswert. Die Frequenz und Phasenlage der Referenzsignale stimmt jedoch mit den Grundtönen, Harmonischen bzw. Intermodulationen im Mikrofonsignal überein. Das Referenzsignal R(f₁) und R(f₂) an den Multiplizierern (77, 78) wird durch lineare Filterung (68, 89) mit der Übertragungsfunktion X(s) des linearen Zweitors der Entzerrerschaltung aus dem Anregungssignales gewonnen.A microphone (3) is used to measure the sound pressure in the vicinity of the loudspeaker during the adjustment process and the electrical microphone signal is fed to the analysis part (76). The analysis part contains a correlator for each parameter to be adjusted, which was implemented with the aid of a multiplier (77, 78, 79, 80) and a downstream free pass (81, 82, 83, 84). The microphone signal is routed to one input of the correlator and a reference signal derived from the excitation signal to the other input. The amplitude of the reference signals is arbitrary and has no information value. However, the frequency and phase position of the reference signals correspond to the basic tones, harmonics or intermodulations in the microphone signal. The reference signal R (f₁) and R (f₂) at the multipliers (77, 78) is obtained by linear filtering (68, 89) with the transfer function X (s) of the linear two-port of the equalizer circuit from the excitation signal.

Das Referenzsignales R(f₁) wird im Korrelator (77, 81) mit dem Mikrofonsignal verknüpft, anschließend über ein Differenzierglied (85) an den Steuereingang (39) des gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitores der Steifigkeitskompensation geführt. In gleicher Weise wird das Referenzsignal R(f₂) dem Korrelator (78, 82) zugeführt und dessen Ausgang über ein Differenzierglied (86) mit dem Steuereingang (39) der Dämpfungskompensation verbunden. Durch beide Steuersignale wird der konstante Anteile der gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitore NS und ND so verändert, daß das lineare Übertragungsverhalten (Resonanzfrequenz und Güte) des Entzerrernetzwerk-Wandler-Systems mit dem Übertragungsverhalten X(s) übereinstimmt und das Ausgangssignal an den Integratoren (81) und (82) maximal wird.The reference signal R (f 1) is linked in the correlator (77, 81) with the microphone signal, then passed through a differentiator (85) to the control input (39) of the memory-free, non-linear two-port stiffness compensation. In the same way, the reference signal R (f₂) is fed to the correlator (78, 82) and its output is connected to the control input (39) of the damping compensation via a differentiating element (86). Both control signals change the constant portion of the memoryless, non-linear two gates N S and N D so that the linear transmission behavior (resonance frequency and quality) of the equalizer network converter system matches the transmission behavior X (s) and the output signal at the integrators ( 81) and (82) becomes maximum.

Die Referenzsignale R(f₁+f₂) und R(2·f₁+f₂) werden in einer elektronischen Nachbildung des nichtlinearen Wandlers synthetisch erzeugt. Dieses Netzwerk ist eine schaltungstechnische Umsetzung der Modellierung des Übertragungsverhaltens mit der VOLTERRA-Reihe.The reference signals R (f₁ + f₂) and R (2 · f₁ + f₂) are synthetically generated in an electronic replica of the nonlinear converter. This network is a circuit implementation of the modeling of the transmission behavior with the VOLTERRA series.

Zunächst werden die Signale f₁ und f₂ über lineare Filter X (68, 89) geführt, in (72) miteinander multipliziert und mit der linearen Übertragungsfunktion des Wandlers (74) nochmals gefiltert. Das so erhaltene Referenzsignal R(f₁+f₂) entspricht in Phase und Frequenz den Intermodulationen die durch Unsymmetrien in der Kennlinie des elektrodynamischen Kopplungsfaktors erzeugt werden ([6] Klippel, W.:Dynamical Measurement of Non-Linear Parameters of Electrodynamical Loudspeakers and their Interpretation. 88. Conv. of the Audio Eng. Soc., März 1990, preprint 2903). Zur Bildung des Referenzsignales R(2·f₁+f₂) wird das Signal f1 vor der Multiplikation zusätzlich quadriert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers (71) wird ebenfalls einer linearen Filterung (74) mit der Übertragungungsfunktion X unterzogen.First, the signals f 1 and f 2 are passed through linear filters X (68, 89), multiplied together in (72) and filtered again with the linear transfer function of the converter (74). The reference signal R (f 1 + f 2) obtained in this way corresponds in phase and frequency to the intermodulations which are generated by asymmetries in the characteristic curve of the electrodynamic coupling factor ([6] Klippel, W.: Dynamic Measurement of Non-Linear Parameters of Electrodynamical Loudspeakers and their Interpretation 88. Conv. Of the Audio Eng. Soc., March 1990, preprint 2903). To form the reference signal R (2 · f₁ + f₂), the signal f1 is additionally squared before multiplication. The output signal of the multiplier (71) is also subjected to linear filtering (74) with the transfer function X.

Das Referenzsignales R(f₁+f₂) wird im Korrelator (79, 83) mit dem Mikrofonsignal verknüpft, anschließend dem unsymmetrischen Steuereingang (40) des gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitores der Antriebskompensation NB zugeführt. In gleicher Weise wird das Referenzsignal R(2·f₁+f₂) dem Korrelator (80, 84) zugeführt und dessen Ausgangssignal mit dem symmetrischen Steuereingang (41) der gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitors NB der Antriebskompensation verbunden. Durch beide Steuersignale wird die Kennlinie so verändert, daß die Intermodulationsprodukte zweiter und dritter Ordnung im empfangenen Meßsignal reduziert und das Ausgangssignal der Integratoren (83) und (84) gegen Null läuft. Das Vorzeichen des Korrelationssignals zeigt eine Über- bzw. Unterkompensation durch das Entzerrernetzwerk an und führt zu einer Senkung bzw. Erhöhung der Spannung in den nachfolgenden Halteschaltungen (48, 49, 50, 51, 52) der gedächtnislosen Nichtlinearität. Nachdem die einzelnen Baugruppen des Anpaßsystems beschrieben wurden, abschließend noch eine funktionelle Darstellung des Gesamtsystems. Mit dem Start des Anpassungsvorganges verbindet das Hauptsteuersystem (89) den Entzerrereingang (31) mit dem Generierungsteil (75), schaltet die niedrigste Anregungsspannung über den spannungsgesteuerten Verstärker (91) ein und startet die Anpassung der Konstanten der Zweitor ND, NS und bestimmt den optimalen Spannungswert in der Halteschaltung (48). Gleichzeitig werden im Zweitor NB die Koeffizienten der linearen und quadratischen Zweige verändert und optimale Spannungen in den Halteschaltungen (49, 50) bestimmt. Ist das System eingeschwungen, schaltet das Hauptsteuersystem (89) die zwei höheren Koeffizienten der Taylorentwicklung in NB mit den Umschaltern (44, 45) ein, erhöht die Anregungsspannung und bestimmt die Optimalwert für die Halteschaltungen (51, 52). Die konstanten Parameter im Zweitor NS und ND, d.h. die Werte in den Halteschaltungen (48) werden jedoch nicht mehr verändert. Sind die Arbeitspunkte durchlaufen, dann schaltet das Hauptsteuersystem das Generierungsteil (75) ab und verbindet den Entzerrereingang (31) mit dem allgemeinen Signaleingang (93).The reference signal R (f₁ + f₂) is linked in the correlator (79, 83) with the microphone signal, then fed to the unbalanced control input (40) of the memory-free, non-linear two-port drive compensation N B. In the same way, the reference signal R (2 · f₁ + f₂) is fed to the correlator (80, 84) and its output signal is connected to the symmetrical control input (41) of the memoryless, non-linear two-port N B of the drive compensation. The characteristic curve is changed by both control signals so that the second and third order intermodulation products in the received measurement signal are reduced and the output signal of the integrators (83) and (84) runs towards zero. The sign of the correlation signal indicates over- or under-compensation by the equalizer network and leads to a decrease or increase in the voltage in the subsequent holding circuits (48, 49, 50, 51, 52) of the non-linearity without memory. After the individual assemblies of the adaptation system have been described, finally a functional representation of the overall system. When the adaptation process starts, the main control system (89) connects the equalizer input (31) to the generating part (75), switches on the lowest excitation voltage via the voltage-controlled amplifier (91) and starts the adaptation the constant of the two-port N D , N S and determines the optimal voltage value in the holding circuit (48). At the same time, the coefficients of the linear and quadratic branches are changed in the two-port N B and optimal voltages in the holding circuits (49, 50) are determined. When the system has settled, the main control system (89) switches on the two higher coefficients of the Taylor development in N B with the switches (44, 45), increases the excitation voltage and determines the optimum value for the holding circuits (51, 52). However, the constant parameters in the two-port N S and N D , ie the values in the holding circuits (48), are no longer changed. Once the operating points have been passed through, the main control system switches off the generating part (75) and connects the equalizer input (31) to the general signal input (93).

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, einfache Entzerrernetzwerke zu realisieren, die die wandlertypischen Besonderheiten weitestgehend berücksichtigen und eine minimale Anzahl von Bauelementen erfordern. Das Problem der Anpassung des Entzerrernetzwerkes an den Wandler wurde mit Hilfe einer weiteren Schaltungsanordnung gelöst. Das zeitweise aktivierte Anpaßsystem erlaubt eine selbständige Bestimmung und Einstellung der optimalen Entzerrerparameter. Dadurch kann mit dem an den Wandler angekoppelten Entzerrernetzwerk sowohl eine gewünschte Veränderung der linearen Eigenschaften als auch eine Reduzierung der nichtlinearen Verzerrungen über den gesamten Aussteuerungsbereich des Wandlers erzielt werden.

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The advantages achieved with the invention consist in particular in realizing simple equalizer networks which largely take into account the converter-specific features and require a minimal number of components. The problem of adapting the equalizer network to the converter was solved with the aid of a further circuit arrangement. The adjustment system, which is activated at times, enables the optimum equalizer parameters to be determined and set independently. As a result, with the equalizer network coupled to the converter, both a desired change in the linear properties and a reduction in the non-linear distortions can be achieved over the entire modulation range of the converter.
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Claims (11)

Schaltungsanordnung zur Korrektur des linearen und nichtlinearen Übertragungsverhaltens elektroakustischer Wandler im gesamten Aussteuerungsbereich (Klein- und Großsignalbereich), bestehend aus einem elektroakustischen Wandler und einem, an den Anschlußklemmen angeschlossenen, elektrischen Entzerrernetzwerk,

dadurch gekennzeichnet,

daß das elektrische Entzerrernetzwerk (1) aus einer Kettenschaltung (Hintereinanderschaltung) von Zweitoren (Übertragungsglieder Z₁, Z₂, ... Zn) besteht, wobei wenigstens ein Zweitor (Zi) zwischen seinem Eingangs- und Ausgangstor ein nichtlineares, gedächtnisloses (frequenzunabhängiges, statisches) oder nichtlineares, dynamisches Übervertragungsverhalten aufweist und daß das lineare und nichtlineare Übertragungsverhalten dieser Zweitore mit Hilfe einer Anpaßanordnung, die zeitweilig oder ständig an den Wandler (2, 3) und/oder das Entzerrernetzwerk (1) angeschlossen ist, an den Wandler (2, 3) automatisch angleichbar ist.
Circuit arrangement for correcting the linear and non-linear transmission behavior of electroacoustic transducers in the entire modulation range (small and large signal range), consisting of an electroacoustic transducer and an electrical equalizer network connected to the connection terminals,

characterized,

that the electrical equalizer network (1) consists of a chain connection (series connection) of two gates (transmission links Z₁, Z₂, ... Z n ), with at least one two port (Z i ) between its input and output port a non-linear, memory-free (frequency-independent, has static) or non-linear, dynamic transmission behavior and that the linear and non-linear transmission behavior of these two gates to the converter (2) with the aid of a matching arrangement that is temporarily or permanently connected to the converter (2, 3) and / or the equalizer network (1) , 3) can be automatically adjusted.
Anordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß das nichtlineare Zweitor (Z) mindestens ein Dreitor Di enthält, welches aus einem nichtlinearen, dynamischen Übertragungsglied (23) (Zweitor U) und einem gedächtnislosen Verknüpfungselement V (24) (z. B. Addierer, Multiplizierer, usw.) besteht, daß die beiden Eingangssignale des Verknüpfungselementes (24) über eine algebraische Operation (z. B. Nultiplikation oder Addition) zum Ausgangssignal (25) verknüpft werden, wobei der eine Eingang (21) (E₁) des Dreitors (D) direkt mit dem einen Eingang des Verknüpfungselementes (24) (V) verbunden ist und der andere Eingang (22) (E₂) des Dreitores (D) über das Zweitor (23) (U) mit dem zweiten Eingang des Verknüpfungselementes (24) (V) zusammengeschaltet ist und der Ausgang des Verknüpfungselementes (24) mit dem Ausgang des Dreitors (D) verbunden ist und daß das Zweitor (23) (U) aus dynamischen, linearen Zweitoren und/oder gedächtnislosen, nichtlinearen Zweitoren und/oder Verknüpfungselementen besteht.
Arrangement according to claim 1,

characterized,

that the non-linear two-port (Z) contains at least one three-port D i , which consists of a non-linear, dynamic transmission element (23) (two-port U) and a memory-less logic element V (24) (e.g. adders, multipliers, etc.), that the two input signals of the logic element (24) are linked via an algebraic operation (z. B. multiplication or addition) to the output signal (25), wherein the one input (21) (E₁) of the Dreitor (D) directly with the one input of the linking element (24) (V) is connected and the other input (22) (E₂) of the three-port (D) via the two-port (23) (U) is connected to the second input of the linking element (24) (V) and the Output of the logic element (24) is connected to the output of the three-way gate (D) and that the two-port (23) (U) consists of dynamic, linear two-port and / or memoryless, non-linear two-port and / or link elements.
Anordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennnzeichnet,

daß bei Verwendung eines Dreitors (D) im Zweitor (Z) der Eingang (21) (E₁) des Dreitores (D) mit dem Eingang (11) des Zweitores (Z) und der Ausgang (25) (A) des Dreitores (D) mit dem Ausgang (12) des Zweitores (Z) verbunden ist und daß das verbleibende Eingangstor (22) (E₂) des Dreitores (D) mit dem Eingangstor (11) des Zweitors (Z) oder mit dem Ausgangstor (12) des Zweitors (Z) verbunden ist

oder

daß bei Verwendung mehrerer Dreitore (D₁, ..., Di) im Zweitor (Z) das Eingangstor (21) (E₁) des ersten Eingangstores (D₁) mit dem Eingang (11) des Zweitores (Z), das Ausgangstor (25) des ersten Dreitores (D₁) mit dem Eingang (21) (E₁) des nachfolgenden zweiten Dreitores (D₂) verbunden ist und daß mögliche weitere Dreitore (D₃,..., Di) in gleicher Weise miteinander verbunden sind, so daß alle vorhandenen Dreitore (D₁, ..., Di) in einer Kettenschaltung angeordnet sind und daß das Ausgangstor (25) (A) des letzten Dreitores (Di) mit dem Ausgangstor (12) des Zweitores (Z) verbunden ist und daß die verbleibenden Eingangstore (22) (E₂) aller enthaltenen Dreitore mit dem Eingangstor (11) des Zweitors (Z) oder mit dem Ausgangstor (12) des Zweitors (Z) verbunden sind.
Arrangement according to claim 2,

characterized by

that when using a three-port (D) in the two-port (Z) the input (21) (E₁) of the three-port (D) with the input (11) of the two-port (Z) and the output (25) (A) of the three-port (D ) is connected to the output (12) of the two-port (Z) and that the remaining input gate (22) (E₂) of the three-port (D) with the input port (11) of the two-port (Z) or with the output port (12) of the two-port (Z) is connected

or

that when using several three gates (D₁, ..., D i ) in the two-port (Z) the entrance gate (21) (E₁) of the first entrance gate (D₁) with the entrance (11) of the two-port gate (Z), the exit gate (25 ) of the first three-port (D₁) is connected to the input (21) (E₁) of the subsequent second three-port (D₂) and that possible further three-ports (D₃, ..., D i ) are connected to each other in the same way, so that all existing three gates (D₁, ..., D i ) are arranged in a chain connection and that the output gate (25) (A) of the last three gate (D i ) is connected to the output gate (12) of the two gates (Z) and that remaining entrance gates (22) (E₂) of all contained three gates are connected to the entrance gate (11) of the two-port gate (Z) or to the output gate (12) of the two-port gate (Z).
Anordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Eingang (22) (E₂) des Dreitores (D) über ein lineares, dynamisches Übertragungsglied (Filter mit Tiefpaßcharakteristik) und über ein nichtlineares, gedächtnisloses Übertragungsglied (Zweitor N) seriell mit dem einen Eingang eines Verknüpfungselementes (V) verbunden ist und der zweite Eingang des Verknüpfungselementes mit dem Eingang (21) (E₁) des Dreitors (D) und der Ausgang des Verknüpfungselementes (V) mit dem Ausgang (25) (A) des Dreitors (D) zusammengeschaltet sind, wobei das Verknüfungselement im Falle der Kompensation des auslenkungsabhängigen Kraftfaktors ein Multiplizierer und in allen anderen Fällen ein Addierer ist.
Arrangement according to claim 2,

characterized,

that the input (22) (E₂) of the three-port (D) via a linear, dynamic transmission element (filter with low-pass characteristic) and via a non-linear, memoryless transmission element (two-port N) is serially connected to the one input of a logic element (V) and the second input of the logic element with the input (21) (E₁) of the Dreitor (D) and the output of the logic element (V) with the output (25) (A) of the Dreitor (D) are interconnected, the logic element in the case of compensation of the deflection-dependent force factor is a multiplier and in all other cases an adder.
Anordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Eingang (22) (E₂) des Dreitors (D) mit einem linearen, dynamischen Übertragungsglied (Filter mit Tiefpaßcharakteristik) verbunden ist, der Ausgang dieses linearen Filters sowohl über ein lineares, dynamisches Übertragungsglied (108) (Differenzierglied) mit dem einen Eingang eines Multiplizierers als auch über ein gedächtnisloses, nichtlineares Übertragungsglied (Zweitor N) mit dem anderen Eingang des Multiplizierers verbunden ist, der Ausgang des Multiplizierers mit einen Eingang eines Addierers, der zweite Eingang des Addierers mit dem Eingang (21) (E₁) des Dreitores und der Ausgang des Addierers mit dem Ausgang (25) (A) des Dreitores (D) zusammengeschaltet sind.
Arrangement according to claim 2,

characterized,

that the input (22) (E₂) of the Dreitor (D) is connected to a linear, dynamic transmission element (filter with low-pass characteristic), the output of this linear filter both via a linear, dynamic transmission element (108) (differentiating element) with one input a multiplier as well as a memoryless, non-linear transmission element (two-port N) is connected to the other input of the multiplier, the output of the multiplier to an input of an adder, the second input of the adder to the input (21) (E 1) of the three-port and the output of the adder are connected to the output (25) (A) of the three port (D).
Anordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Eingang (22) (E₂) eines Dreitors (D) sowohl mit dem Eingang eines linearen, dynamischen Übertragungsgliedes (100) (Filter mit Tiefpaßcharakteristik) als auch im Falle der Stromspeisung des elektrodynamischen Schallsenders direkt mit dem Eingang eines Quadrierers (168) verbunden ist und im Falle der Spannungsspeisung ein zusätzliches dynamisches, nichtlineares Übertragungsglied (111) zwischen Eingang (22) (E₂) des Dreitors (D) und dem Eingang des Quadrierers (168) geschaltet ist, der Ausgang des Quadrierers (168) mit dem Eingang eines Multiplizierers (109) und der Ausgang des linearen Übertragungsgliedes (100) über ein nachgeschaltetes gedächtnisloses, nichtlineares Übertragungsglied (110) (N) seriell mit dem anderen Eingang des Multiplizierers (169) verbunden ist, der Ausgang des Multiplizierers (169) mit dem ersten Eingang eines Addierers (103), der zweite Eingang des Addierers (103) mit dem Eingang (21) (E₁) des Dreitors (D) und der Ausgang des Addierers (103) mit dem Ausgang (25) (A) des Dreitors (D) zusammengeschaltet sind.
Arrangement according to claim 2,

characterized,

that the input (22) (E₂) of a three-way switch (D) is connected both to the input of a linear, dynamic transmission element (100) (filter with low-pass characteristic) and, in the case of power supply to the electro-dynamic sound transmitter, directly to the input of a square (168) is and in the case of voltage supply an additional dynamic, non-linear transmission element (111) between the input (22) (E₂) of the three-phase (D) and the input of the square (168) is connected, the output of the square (168) with the input of a Multiplier (109) and the output of the linear transmission element (100) via a downstream memoryless, non-linear transmission element (110) (N) is connected in series to the other input of the multiplier (169), the output of the multiplier (169) to the first input an adder (103), the second input of the adder (103) with the input (21) (E₁) of the Dreitor (D) and the output of the adder (103) are connected together with the output (25) (A) of the three-way switch (D).
Anordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Eingang (22) (E₂) eines Dreitors (D) sowohl mit dem Eingang eines linearen, dynamischen Übertragungsgliedes (Filter mit Tiefpaßcharakteristik) als auch im Falle der Entzerrung eines elektrodynamischen Mikrofons direkt mit dem Eingang eines Multiplizierers verbunden ist und im Falle der Entzerrung eines elektrodynamischen Lautsprechers über ein zusätzliches dynamisches, nichtlineares Übertragungsglied mit dem Eingang des Multiplizierers verbunden ist, der Ausgang des linearen, dynamischen Übertragungsgliedes über ein nachgeschaltetes gedächtnisloses, nichtlineares Übertragungsglied (N) seriell mit dem anderen Eingang des Multiplizierers verbunden ist, der Ausgang des Multiplizierers über ein weiteres lineares, dynamisches Übertragungsglied, das im Falle der Entzerrung eines elektrodynamischen Lautsprechers ein Differenzierer ist, mit dem ersten Eingang eines Addierers (103), der zweite Eingang des Addierers (103) mit dem Eingang (21) (E₁) und der Ausgang des Addierers (103) mit dem Ausgang (25) (A) des Dreitors (D) zusammengeschaltet sind.
Arrangement according to claim 2,

characterized,

that the input (22) (E₂) of a Dreitor (D) both with the input of a linear, dynamic transmission element (filter with low-pass characteristic) and in the case of equalization of an electrodynamic microphone is directly connected to the input of a multiplier and in the case of equalization an electrodynamic loudspeaker is connected to the input of the multiplier via an additional dynamic, non-linear transmission element, the output of the linear, dynamic transmission element is connected in series to the other input of the multiplier via a downstream memoryless, non-linear transmission element (N), the output of the multiplier is connected another linear, dynamic transmission element, which is a differentiator in the case of equalization of an electrodynamic speaker, with the first input of an adder (103), the second input of the adder (103) with the input (21) (E₁) and the output of Addi erers (103) with the output (25) (A) of the Dreitor (D) are interconnected.
Anordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Eingang (22) (E₂) eines Dreitors (D) über ein dynamisches Übertragungsglied, über ein nachgeschaltetes gedächtnisloses, nichtlineares Übertragungsglied (N) und über ein nachgeschaltetes, weiteres, lineares und dynamisches Übertragungsglied seriell mit einem einen Eingang eines Addierers (103) verbunden ist und der zweite Eingang des Addierers (103) mit dem Eingang (21) (E₁) des Dreitors (D) und der Ausgang des Addierers (103) mit dem Ausgang (25) (A) des Dreitors (D) zusammengeschaltet sind.
Arrangement according to claim 2,

characterized,

that the input (22) (E₂) of a Dreitor (D) via a dynamic transmission element, via a downstream memoryless, non-linear transmission element (N) and via a downstream, further, linear and dynamic transmission element in series with an input of an adder (103) is connected and the second input of the adder (103) with the input (21) (E₁) of the three-way sensor (D) and the output of the adder (103) with the output (25) (A) of the three-way device (D) are connected together.
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

daß beim elektrodynamischen Schallsender das Dreitor (DB) zur Kompensation des elektrodynamischen Antriebes mit den anderen Dreitoren derart in Kette geschaltet ist, daß das Dreitor (DL) zur Kompensation der Induktivitätskompensation an den Ausgang des Dreitors (DB) und alle anderen Dreitore eingangsseitig an das Dreitor (DB) angeschlossen sind.
Arrangement according to one or more of claims 3 to 8,

characterized,

that in the electrodynamic sound transmitter the three-port (D B ) for compensation of the electrodynamic drive is connected in chain with the other three-portors in such a way that the three-port (D L ) for compensation of the inductance compensation at the output of the three-port (D B ) and all other three-port inputs are connected to the three port (D B ).
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

daß zur gleichzeitigen Kompensation des auslenkungsabhängigen, elektrodynamischen Koppelparameters und weiterer Wandlerparameter des elektrodynamischen Schallempfängers das Dreitor (DBE) zur Kompensation des Kopplungsparameters an den Ausgang des Mikrofons (3) oder eines unmittelbar nachgeschalteten Mikrofonverstärkers (7) geschaltet ist und daß der Ausgang des Dreitors (DBE) seriell mit einem weiteren nichtlinearen dynamischen Zweitor verbunden ist, welches die Kompensationsdreitore für die weiteren Wandlerparameter enthält.
Arrangement according to one or more of claims 3 to 8,

characterized,

that for simultaneous compensation of the deflection-dependent, electrodynamic coupling parameter and further transducer parameters of the electrodynamic sound receiver, the three-port (D BE ) for compensation of the coupling parameter is connected to the output of the microphone (3) or an immediately connected microphone amplifier (7) and that the output of the three-way ( D BE ) is connected in series with another non-linear dynamic two-port, which contains the compensation three-ports for the further converter parameters.
Anordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Anpaßordnung aus einem Generierungsteil zur Erzeugung eines Anregungssignales und aus einem Analyseteil zur Erfassung und Auswertung eines Meßsignales besteht, das Generierungsteil mit dem Wandler und/oder mit dem nichtlinearen Entzerrernetzwerk und dem Analyseteil zu einer Meßkette verbunden ist, ein elektrisches oder mechanisches oder akustisches Signal am Wandler durch das Analyseteil gemessen wird, der Ausgang des Analyseteils mit dem Steuereingang des Entzerrernetzwerkes verbunden ist und die übertragenen Steuersignale die Parameter der linearen und nichtlinearen Übertragungsglieder des Entzerrernetzwerks verändern und an den Wandler automatisch anpassen.
Arrangement according to claim 1,

characterized,

that the adapter consists of a generation part for generating an excitation signal and an analysis part for recording and evaluating a measurement signal, the generation part is connected to the converter and / or to the non-linear equalizer network and the analysis part to form a measuring chain, an electrical or mechanical or acoustic signal is measured on the converter by the analysis part, the output of the analysis part is connected to the control input of the equalizer network and the transmitted control signals change the parameters of the linear and non-linear transmission elements of the equalizer network and adapt them automatically to the converter.
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