EP3477967A1 - Verfahren zur auslegung und herstellung von lautsprechern für insbesondere in kraftfahrzeuginnenräumen eingesetzte beschallungsanlagen - Google Patents

Verfahren zur auslegung und herstellung von lautsprechern für insbesondere in kraftfahrzeuginnenräumen eingesetzte beschallungsanlagen Download PDF

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EP3477967A1
EP3477967A1 EP18000669.4A EP18000669A EP3477967A1 EP 3477967 A1 EP3477967 A1 EP 3477967A1 EP 18000669 A EP18000669 A EP 18000669A EP 3477967 A1 EP3477967 A1 EP 3477967A1
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EP
European Patent Office
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loudspeaker
speaker
produced
design
loudspeakers
Prior art date
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Ceased
Application number
EP18000669.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Dr. Olszewski
Vitalie BOTAN
Matthias Munzel
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Paragon GmbH and Co KGaA
Original Assignee
Paragon GmbH and Co KGaA
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Filing date
Publication date
Application filed by Paragon GmbH and Co KGaA filed Critical Paragon GmbH and Co KGaA
Publication of EP3477967A1 publication Critical patent/EP3477967A1/de
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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
    • H04R3/04Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R29/00Monitoring arrangements; Testing arrangements
    • H04R29/001Monitoring arrangements; Testing arrangements for loudspeakers

Definitions

  • the invention relates to a method for the design and manufacture of loudspeakers for particular in automotive interiors used public address systems.
  • a model of the loudspeaker is usually first created as part of a measurement, taking into account its linear and, to some extent, its non-linear transmission properties. Subsequently, the current and voltage of the loudspeaker in operation are evaluated, compared with this model and then influenced accordingly.
  • the relevant parameters of a loudspeaker or a loudspeaker chassis are usually qualified in the open air, ie in the non-installed state. This is unproblematic in the case of small diaphragm deflections, since the spring stiffness, usually assumed to be linear, of the air mass enclosed in the interior of the loudspeaker housing also influences the loudspeaker parameters only linearly.
  • manufacturing parameter tolerances can lead to strong deviations of the speaker characteristics with each other, which ultimately the above-described electronic optimization can be used only within narrow limits and - in certain circumstances - even lead to a deterioration of the performance of the speakers.
  • the present invention seeks to provide a method for the design and manufacture of loudspeakers for particular used in automotive interiors public address systems available by means of which the design optimization of such speakers and the electronic compensation of the same are coordinated can be that both reduces the cost of the production of such speakers and the speakers produced by the method can be created with technically more sophisticated properties at the same time.
  • This object is achieved by a method for the design and manufacture of loudspeakers for particular used in the automotive interior public address systems, in the mechanical, electrical and acoustic targets be specified for the specification of the speaker to be produced, in which for electronic optimization of the speaker to be produced parameters for linearization of the speaker dynamics are given in which, taking into account the targets for the specification of the speaker and the parameters specified for linearization of the speaker dynamics electromechanical requirements for the produced Loudspeakers are determined, and compared with the electrical input variables of the loudspeaker with associated acoustic output variables and determined in this comparison deviations are compensated by means of electronic optimization, adjusting the parameters specified for the linearization of the speaker dynamics.
  • the design optimization of the speaker or the speaker chassis and the electronic optimization of the speaker to determine linear and nonlinear parameters of speaker dynamics and electronic compensation of non-linear components on the one hand with the optimization of constructive details of the speaker or the speaker chassis connected on the other side.
  • maximum permissible values for the membrane surface, the membrane stroke, the installation volume and the weight are specified as mechanical targets for the specification of the loudspeaker to be produced.
  • the maximum available impedance as electrical target specifications for the specification of the loudspeaker to be produced Power and the voice coil inductance specified.
  • the resonant frequency in the installed state, the maximum sound pressure and the maximum permissible distortions can be specified in the said method as acoustic targets for the specification of the loudspeaker to be produced.
  • the mechanical, electrical and acoustic targets for the specification of the loudspeaker to be produced and the parameters predetermined for the linearization of the loudspeaker dynamics for the electronic optimization of the loudspeaker to be produced can be iteratively coordinated with one another.
  • a database is expediently used in determining the setpoint values, in which data regarding electrical, mechanical, acoustic and economic parameters of individual constructive elements and components of the loudspeaker are stored.
  • a mathematical Mödell of the loudspeaker are used, for comparison with internal model sizes Relevant variables are determined directly or indirectly, eg through a real-time evaluation of current and voltage at the voice coil.
  • a data set of design details such as force factor, stiffness of the diaphragm suspension, voice coil inductance, friction and maximum diaphragm stroke is taken into account.
  • a record can be generated at the end of the manufacturing process by means of a measurement.
  • a further considerable simplification for the method according to the invention can be achieved if the data record is stored in a memory component arranged in or on the loudspeaker or loudspeaker chassis and the data record stored in the memory component is read out by a readout module and this data record is read by the readout module to an optimization module the electronic optimization is forwarded.
  • the method according to the invention for the design and manufacture of loudspeakers can also be used for the design of smartphone and / or headphone loudspeakers.
  • the optimization module may include software for electronic optimization from a third location, e.g. an app store, download and save.
  • the record of the loudspeaker can be retrieved from a database in the inventive method and installed on the memory component.
  • loudspeakers or loudspeaker chassis can be manufactured with a considerably lower economic and technical complexity compared to the prior art.
  • the speaker or loudspeaker chassis produced can have a significantly reduced weight, as on the constructive side targeted cuts can be accepted, however, which can be compensated by taking place in the operation of the speaker or speaker chassis electronic optimization. Accordingly, with the same size of speaker or loudspeaker chassis less distortion at the same maximum volume and lower economic outlay, equal distortions at higher maximum volume and lower economic outlay and equal distortions at the same maximum volume and lower economic cost can be achieved.
  • the entire production process including the design, the construction, the production up to the application of the loudspeaker or loudspeaker chassis, is optimized in such a way that the economic outlay and the weight are reduced and further factors described above are optimized.
  • this parameter set contains statements about the performance of the underlying algorithm for the linearization of loudspeaker dynamics, eg the maximum possible extension of the linear usable diaphragm lift, the maximum possible sound pressure increase by increasing the diaphragm stroke, the maximum possible distortion reduction with constant diaphragm stroke, the maximum increase of the voice coil current with full excitation of the extended linear useful range etc.
  • iterative method steps can be performed in order to coordinate the aspects of the target specification and the parameter specification of the electronic optimization.
  • electromechanical requirements are determined for the loudspeaker to be produced or for the loudspeaker chassis to be produced, e.g. the required magnetic air strength in the air gap, the required dimensions of the air gap, such as length, width, diameter, etc., the required voice coil diameter, the required voice coil wire cross-section, the required dimensioning of ventilation openings, etc.
  • optimally suitable design details of the components or the voice coil are selected, taking account of economic aspects and / or other specifications, with which the loudspeaker or loudspeaker chassis is subsequently produced.
  • this structural compromises can be taken into account, which also have a weight-reducing production result in a reduction of the economic effort and whose electro-acoustic effects on the manufactured speaker or loudspeaker chassis produced by the occurring in later operation electronic optimization are compensated again ,
  • this data set can be done within the manufacturing process or at the end of the same in the form of a measurement or simplifying without a measurement directly from the sum of the known effects of the selected design details are derived.
  • the readout module can be designed, for example, as an independent hardware module or as a software module, which in turn can be embedded in a hardware platform or in a software framework.
  • the reading itself can both wired, for example via a digital bus, as well as wireless, for example by means of RFID technology.
  • the read-out module transmits the corresponding data to the module containing the electronic optimization, so that it can be integrated directly as a mathematical model and the electronic optimization can be carried out, e.g. as part of the application in an automobile.
  • the readout module as well as the optimization module serving for electronic optimization can be embodied both within one and the same hardware component as well as in different or separate hardware components.
  • the two modules may e.g. be implemented in a central amplifier of a public address system used in an automobile both in close proximity to a loudspeaker and speaker chassis and further away from it.
  • both may be e.g. be implemented on different, separate components, which may be part of a bus-based, distributed public address system, for example.
  • the inventive method for the design and manufacture of speakers for smartphones and / or headphones can be used.
  • the readout module may be part of the smartphone or a headphone amplifier here, while the optimization module may also be implemented as a module within the smartphone or the headphone amplifier.
  • the optimization module essentially contains software for electronic optimization, wherein these Software as an application (app) from a third party, eg from an App Store, downloadable and installable and executable on the respective platform.
  • the speaker-side data set can also be downloaded from a database and installed on the memory component.

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Abstract

Um ein Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern für insbesondere in Kraftfahrzeuginnenräumen eingesetzte Beschallungsanlagen zur Verfügung zu stellen, mittels dem Lautsprecher bzw. Lautsprecher-Chassis mit einem erheblich reduzierten wirtschaftlichen Aufwand oder mit besseren akustischen Eigenschaften herstellbar sind, wird eine Vorgehensweise vorgeschlagen, bei der mechanische, elektrische und akustische Zielvorgaben für die Spezifikation des herzustellenden Lautsprechers vorgegeben werden, bei der für eine elektronische Optimierung des herzustellenden Lautsprechers Parameter zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik vorgegeben werden, bei der unter Berücksichtigung der Zielvorgaben für die Spezifikation des Lautsprechers und der zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik vorgegebenen Parameter elektromechanische Anforderungen an den herzustellenden Lautsprecher ermittelt werden, und bei dem elektrische Eingangsgrößen des Lautsprechers mit zugeordneten akustischen Ausgangsgrößen verglichen und bei diesem Vergleich ermittelte Abweichungen mittels elektronischer Optimierung unter Anpassung der zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik vorgegebenen Parameter ausgeglichen werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern für insbesondere in Kraftfahrzeuginnenräumen eingesetzte Beschallungsanlagen.
  • Für derartige, zur Schallerzeugung verwendete elektrodynamische Lautsprecher wird eine möglichst lineare Übertragungsfunktion zwischen den elektrischen Eingangsgrößen einerseits und den akustischen Ausgangsgrößen angestrebt. Hierdurch soll eine möglichst originalgetreue Wiedergabequalität erreicht werden, da Nichtlinearitäten der Übertragungsfunktion zu einer unerwünschten Verzerrung des vom Lautsprecher abgegebenen akustischen Signals führen.
  • Technische bzw. mechanische Ursachen solcher zu unerwünschten Nebenwirkungen führenden Nichtlinearitäten sind z.B. eine inhomogene Magnetfeldverteilung im Luftspalt, eine progressive und/oder asymmetrische Steifigkeit der mechanischen Aufhängung, eine Abhängigkeit der Schwingspuleninduktivität von der Auslenkung.
  • Um einen elektrodynamischen Lautsprecher bzw. ein Lautsprecher-Chassis mit einem möglichst linearen Übertragungsverhalten zu schaffen, sind aufwändige und mit einem erheblichen wirtschaftlichen Aufwand einhergehende Konstruktions- und Herstellungsverfahren bekannt. Beispielsweise werden Mehrfachzentrierungen eingesetzt, wobei z.B. zwei identische Zentrierungen invers zueinander montiert werden, um Asymmetrien der auslenkungsabhängigen Steifigkeiten zu kompensieren. Auch wird eine besonders lange Schwingspule konstruiert, welche zum einen eine hohe Auslenkbarkeit verbunden mit einer hohen mechanischen Belastungsgrenze realisiert und zusammen mit einem ebenfalls langen Luftspalt und einem daraus resultierend langen, teuren und schweren Magneten eine über einen möglichst großen Auslenkungsbereich als linear anzunehmende Kraftkopplung ermöglicht, einhergehend mit dem Nachteil eines geringen Wirkungsgrades. Darüber hinaus ist die Verwendung von breiteren und somit entsprechend schwereren und teureren Magnetringen bekannt, um den oben genannten Wirkungsgradverlust durch Erhöhung der magnetischen Feldstärke im Luftspalt auszugleichen. Auch das Einbringen von Ventilationsöffnungen in den Polkern und/oder den Schwingspulenträger wird realisiert, um eine Abfuhr der in der Schwingspule entstehenden Wärme zu gewährleisten und hierdurch die elektrische Belastungsgrenze zu erhöhen. Darüber hinaus gibt es spezielle Magnetkonstruktionen, bestehend z.B. aus einer Scheibe des magnetischen Materials A im Polkern und einem diesen umschließenden magnetischen Ring des Materials B, die bei einer entsprechenden Dimensionierung und Materialauswahl Gewicht und Volumen reduzieren sowie die geforderten Magnetfeldparameter bestimmen und optimieren.
  • Bei bekannten Verfahren zur elektrischen Optimierung derartiger elektrodynamischer Lautsprecher werden die nichtlinearen Übertragungseigenschaften eines Lautsprechers ermittelt und teilweise kompensiert, so dass das Übertragungsverhalten des betreffenden Lautsprechers in einem definierten Auslenkungsbereich linearisiert und somit Verzerrungen reduziert werden können. Einige dieser bekannten Verfahren kommen ohne einen zusätzlichen Sensor aus und werten lediglich den Strom und die Spannung des Lautsprechers aus.
  • Bei derartigen Verfahren wird üblicherweise zunächst im Rahmen einer Einmessung ein Modell des Lautsprechers erstellt, das seine linearen und bis zu einem gewissen Grad auch seine nichtlinearen Übertragungseigenschaften berücksichtigt. Anschließend werden Strom und Spannung des im Betrieb befindlichen Lautsprechers ausgewertet, mit diesem Modell verglichen und dann entsprechend beeinflusst.
  • Die relevanten Parameter eines Lautsprechers bzw. eines Lautsprecher-Chassis werden üblicherweise in freier Luft, also im nicht eingebauten Zustand qualifiziert. Dies ist bei kleinen Membranauslenkungen unproblematisch, da die üblicherweise als linear angenommene Federsteifigkeit der im Inneren des Lautsprechergehäuses eingeschlossenen Luftmasse die Lautsprecherparameter ebenfalls nur linear beeinflusst.
  • Insbesondere bei in der Kraftfahrzeugtechnik und im Automobilbau eingesetzten Lautsprechern werden jedoch sehr kleine Gehäusevolumina gefordert. Hierdurch wird eine Verringerung der Membranfläche notwendig, welche zum Beibehalten eines gewünschten Schalldruckpegels durch eine höhere Membranauslenkung kompensiert werden muss. Mit immer kleineren Gehäusevolumina nimmt jedoch nicht nur die Federsteifigkeit der Luftmasse im Innenraum des Gehäuses zu, sondern es werden zunehmend auch deren nichtlineare Eigenschaften bemerkbar. Dem vormals linear konstruierten und qualifizierten Lautsprecher-Chassis wird somit ein zunehmend nichtlineares Verhalten aufgeprägt.
  • Zusätzlich können fertigungsbedingte Parameter-Toleranzen zu starken Abweichungen der Lautsprechereigenschaften untereinander führen, wodurch letzten Endes die vorstehend geschilderte elektronische Optimierung nur in engen Grenzen eingesetzt werden kann und - bei bestimmten Umständen - sogar zu einer Verschlechterung des Betriebsverhaltens der Lautsprecher führen kann.
  • Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern für insbesondere in Kraftfahrzeuginnenräumen eingesetzte Beschallungsanlagen zur Verfügung zu stellen, mittels dem die konstruktive Optimierung derartiger Lautsprecher und die elektronische Kompensation derselben so aufeinander abgestimmt werden können, dass sich gleichzeitig sowohl der wirtschaftliche Aufwand für die Herstellung derartiger Lautsprecher reduziert und die mittels des Verfahrens hergestellten Lautsprecher mit technisch anspruchsvolleren Eigenschaften geschaffen werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern für insbesondere im Kraftfahrzeuginnenraum eingesetzte Beschallungsanlagen gelöst, bei dem mechanische, elektrische und akustische Zielvorgaben für die Spezifikation des herzustellenden Lautsprechers vorgegeben werden, bei dem für eine elektronische Optimierung des herzustellenden Lautsprechers Parameter zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik vorgegeben werden, bei dem unter Berücksichtigung der Zielvorgaben für die Spezifikation des Lautsprechers und der zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik vorgegebenen Parameter elektromechanische Anforderungen an den herzustellenden Lautsprecher ermittelt werden, und bei dem elektrische Eingangsgrößen des Lautsprechers mit zugeordneten akustischen Ausgangsgrößen verglichen und bei diesem Vergleich ermittelte Abweichungen mittels elektronischer Optimierung unter Anpassung der zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik vorgegebenen Parameter ausgeglichen werden. Erfindungsgemäß werden die konstruktive Optimierung des Lautsprechers bzw. des Lautsprecher-Chassis und die elektronische Optimierung des Lautsprechers zur Ermittlung linearer und nichtlinearer Parameter der Lautsprecherdynamik sowie zur elektronischen Kompensation nichtlinearer Anteile auf der einen Seite mit der Optimierung konstruktiver Details des Lautsprechers bzw. des Lautsprecher-Chassis auf der anderen Seite verbunden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als mechanische Zielvorgaben für die Spezifikation des herzustellenden Lautsprechers maximal zulässige Werte für die Membranfläche, den Membranhub, das Einbauvolumen und das Gewicht vorgegeben.
  • Gemäß einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern werden als elektrische Zielvorgaben für die Spezifikation des herzustellenden Lautsprechers die Impedanz, die maximal verfügbare Leistung und die Schwingspuleninduktivität vorgegeben.
  • Vorteilhafterweise können bei dem genannten Verfahren als akustische Zielvorgaben für die Spezifikation des herzustellenden Lautsprechers die Resonanzfrequenz im eingebauten Zustand, der maximale Schalldruck und die maximal zulässigen Verzerrungen vorgegeben werden.
  • Des Weiteren ist es für das erfindungsgemäße Verfahren in einer Weiterbildung vorteilhaft, wenn für die elektronische Optimierung des herzustellenden Lautsprechers als Parameter zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik maximale Werte für die Erweiterung des linear nutzbaren Membranhubs und/oder für die Schalldruckerhöhung durch Erhöhung des Membranhubs und/oder für die Verzerrungsreduktion bei gleichbleibendem Membranhub und/oder für die Erhöhung des Schwingspulenstroms bei größtmöglicher Erweiterung des linearen Nutzbereichs vorgegeben werden.
  • Vorteilhaft können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die mechanischen, elektrischen und akustischen Zielvorgaben für die Spezifikation des herzustellenden Lautsprechers und die zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik für die elektronische Optimierung des herzustellenden Lautsprechers vorgegebenen Parameter iterativ aufeinander abgestimmt werden.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden erreicht, wenn als elektromechanische Anforderungen an den herzustellenden Lautsprecher Sollwerte für die magnetische Feldstärke im Luftspalt und/oder für die Abmessungen, wie Länge, Breite, Durchmesser etc. des Luftspalts und/oder für den Schwingspulendurchmesser und/oder für den Schwingspulendrahtquerschnitt und/oder für die Dimensionierung von Ventilationsöffnungen ermittelt werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern wird zweckmäßigerweise bei der Ermittlung der Sollwerte auf eine Datenbank zurückgegriffen, in der Daten betreffend elektrische, mechanische, akustische und wirtschaftliche Parameter einzelner konstruktiver Elemente und Bauteile des Lautsprechers abgespeichert sind.
  • Um den wirtschaftlichen Aufwand für die Herstellung von Lautsprechern zu reduzieren, ist es vorteilhaft, wenn bei der Ermittlung der Sollwerte betreffend die elektromechanischen Anforderungen wirtschaftliche Parameter für solche technischen Eigenschaften stärker als elektrische, mechanische und akustische Parameter gewichtet werden, die mittels der elektronischen Optimierung kompensier- bzw. ausgleichbar sind.
  • Zweckmäßigerweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern bei der elektronischen Optimierung, bei der elektrische Eingangsgrößen und diesen zugeordnete akustische Ausgangsgrößen des Lautsprechers verglichen und Abweichungen ausgeglichen werden, ein mathematisches Mödell des Lautsprechers zugrunde gelegt werden, wobei für den Vergleich mit internen Modellgrößen relevante Größen direkt oder indirekt ermittelt werden, z.B. durch eine Echtzeitauswertung von Strom und Spannung an der Schwingspule.
  • Hierbei ist es gemäß einer Weiterbildung vorteilhaft, wenn für die Erstellung des mathematischen Modells des Lautsprechers ein Datensatz aus konstruktiven Details, wie Kraftfaktor, Steifigkeit der Membranaufhängung, Schwingspuleninduktivität, Reibung und maximalem Membranhub berücksichtigt wird. Zweckmäßigerweise kann ein derartiger Datensatz am Ende des Fertigungsprozesses mittels einer Messung erzeugt werden.
  • Vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren ist es, wenn der Datensatz unmittelbar aus der Summe der bekannten Auswirkungen der gewählten konstruktiven Details abgeleitet wird.
  • Eine weitere erhebliche Erleichterung für das erfindungsgemäße Verfahren ist erreichbar, wenn der Datensatz in einem im oder am Lautsprecher bzw. Lautsprecher-Chassis angeordneten Speicherbauteil abgelegt wird und der im Speicherbauteil abgelegte Datensatz von einem Auslesemodul ausgelesen wird und dieser Datensatz vom Auslesemodul an ein Optimierungsmodul zur Durchführung der elektronischen Optimierung weitergeleitet wird.
  • Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern auch für die Auslegung von Smartphone- und/oder Kopfhörer-Lautsprechern einsetzbar.
  • Bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Optimierungsmodul Software zur elektronischen Optimierung von einer dritten Stelle, z.B. einem App-Store, herunterladen und abspeichern.
  • Der Datensatz des Lautsprechers kann beim erfindungsgemäßen Verfahren von einer Datenbank abgerufen und auf dem Speicherbauteil installiert werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern können im Vergleich zum Stand der Technik Lautsprecher bzw. Lautsprecher-Chassis mit einem erheblich geringeren wirtschaftlichen und technischen Aufwand hergestellt werden. Die hergestellten Lautsprecher bzw. Lautsprecher-Chassis können ein erheblich reduziertes Gewicht aufweisen, da auf der konstruktiven Seite gezielt Abstriche in Kauf genommen werden können, die jedoch durch die im Betrieb der Lautsprecher bzw. Lautsprecher-Chassis erfolgende elektronische Optimierung kompensiert werden können. Entsprechend können bei gleicher Baugröße der Lautsprecher bzw. Lautsprecher-Chassis weniger Verzerrungen bei gleicher Maximallautstärke und geringerem wirtschaftlichen Aufwand, gleiche Verzerrungen bei höherer Maximallautstärke und geringerem wirtschaftlichen Aufwand und gleiche Verzerrungen bei gleicher Maximallautstärke und geringerem wirtschaftlichen Aufwand erreicht werden.
  • Erfindungsgemäß wird der technisch-konstruktive Aufwand zur Realisierung der Linearität auf der mechanischen Seite des Herstellungsverfahrens für Lautsprecher zurückgefahren bzw. reduziert, da die gewünschten Eigenschaften auch hochwertiger Lautsprecher bzw. Lautsprecher-Chassis durch mit einem erheblich geringeren wirtschaftlichen Aufwand einhergehende Maßnahmen auf der elektrischen Seite erreicht bzw. verbessert werden können. Erfindungsgemäß wird der gesamte Produktionsprozess unter Einschluss der Auslegung, der Konstruktion, der Fertigung bis hin zur Anwendung des Lautsprechers bzw. des Lautsprecher-Chassis so optimiert, dass der wirtschaftliche Aufwand und das Gewicht reduziert und weitere vorstehend geschilderte Faktoren optimiert werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert.
  • Zu dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern für insbesondere in Kraftfahrzeuginnenräumen eingesetzte Beschallungsanlagen gehört zunächst eine möglichst detaillierte und anwendungsorientierte Spezifikation des herzustellenden Lautsprechers unter Berücksichtigung mechanischer, elektrischer und akustischer Aspekte. Mechanische Aspekte sind hierbei die maximal zulässige Membranfläche, der maximal zulässige Membranhub, das maximal zulässige Einbauvolumen, das maximal zulässige Gewicht etc. Zu berücksichtigende elektrische Aspekte sind die Impedanz, die maximal verfügbare Leistung, die Schwingspuleninduktivität etc. Zu berücksichtigende akustische Aspekte sind die Resonanzfrequenz im eingebauten Zustand des Lautsprechers bzw. des Lautsprecher-Chassis, der maximale Schalldruck, die maximal zulässigen Verzerrungen etc.
  • Die später bei der Anwendung der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Lautsprecher bzw. Lautsprecher-Chassis als Bestandteil von Beschallungsanlagen für Kraftfahrzeuginnenräume zum Einsatz kommende elektronische Optimierung des Lautsprechers bzw. Lautsprecher-Chassis geht als Parametersatz in den Produktionsprozess ein. Im Wesentlichen enthält dieser Parametersatz Aussagen über die Leistungsfähigkeit des zugrunde liegenden Algorithmus zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik, z.B. die maximal mögliche Erweiterung des linear nutzbaren Membranhubs, die maximal mögliche Schalldruckerhöhung durch Erhöhung des Membranhubs, die maximal mögliche Verzerrungsreduktion bei gleichbleibendem Membranhub, die maximale Erhöhung des Schwingspulenstroms bei voller Ausreizung des erweiterten linearen Nutzbereichs etc.
  • Gegebenenfalls können iterative Verfahrensschritte vorgenommen werden, um die Aspekte der Zielvorgabe und der Parameter-Vorgabe der elektronischen Optimierung aufeinander abzustimmen.
  • Aus den vorstehend geschilderten Vorgaben werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern bzw. Lautsprecher-Chassis elektromechanische Anforderungen an den zu produzierenden Lautsprecher bzw. an das zu produzierende Lautsprecher-Chassis ermittelt, z.B. die erforderliche magnetische Luftstärke im Luftspalt, die erforderlichen Abmessungen des Luftspalts, wie Länge, Breite, Durchmesser etc., der erforderliche Schwingspulendurchmesser, der erforderliche Schwingspulendrahtquerschnitt, die erforderliche Dimensionierung von Ventilationsöffnungen etc.
  • Bei diesem Verfahrensschritt wird eine Datenbank konsultiert, in der Informationen und Daten über elektrische, mechanische, akustische und wirtschaftliche Parameter einzelner konstruktiver Bauteile eines Lautsprechers bzw. eines Lautsprecher-Chassis abgespeichert sind. Dies wird im Folgenden am Beispiel der Auswahl einer besonders langen Schwingspule beschrieben:
    • Elektrische Belastbarkeit: kein Einfluss
    • Elektromechanischer Wirkungsgrad: Verringerung um 60 %
    • Mechanische Auslenkbarkeit: Erhöhung um 5 mm
    • Anforderung an mechanische Aufhängung: Verringerung der Steifigkeit um 50 %, Erhöhung der Auslenkbarkeit um 5 mm
    • Maximaler Schalldruck:
      • <60Hz: Erhöhung um 3 dB
      • 60 bis 100 Hz: gleichbleibend
      • >100Hz: Verringerung um 2 dB
  • Abhängig von den ermittelten Anforderungen werden unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Aspekte und/oder anderer Vorgaben optimal geeignete konstruktive Details der Bauteile bzw. der Schwingspule ausgewählt, mit denen der Lautsprecher bzw. das Lautsprecher-Chassis in der Folge produziert wird.
  • Vorteilhaft können hierbei konstruktive Abstriche in Kauf genommen werden, die außer einer Reduzierung des wirtschaftlichen Aufwand auch eine gewichtssenkende Produktion zur Folge haben und deren elektroakustische Auswirkungen auf den hergestellten Lautsprecher bzw. das hergestellte Lautsprecher-Chassis durch die im späteren Betrieb stattfindende elektronische Optimierung wieder kompensiert werden.
  • Bei der elektronischen Optimierung werden elektrische Eingangsgrößen des Lautsprechers bzw. des Lautsprecher-Chassis mit zugehörigen akustischen Ausgangsgrößen verglichen. Bei diesem Vergleich erfasste Abweichungen, die z.B. aus Nichtlinearitäten oder anderen Unzulänglichkeiten der konstruktiven Auslegung resultieren können, werden ausgeglichen. Hierbei können z.B. Konzepte zum Einsatz kommen, die ein mathematisches Modell des Lautsprechers bzw. des Lautsprecher-Chassis konsultieren. Dabei können z.B. die für den Vergleich mit internen Modellgrößen relevanten Größen direkt oder indirekt ermittelt werden, z.B. durch Echtzeitauswertung von Strom und Spannung an der Schwingspule des Lautsprechers bzw. des Lautsprecher-Chassis, wodurch in vorteilhafter Art und Weise die Verwendung aufwändiger Sensoriken entfallen kann. Ermittelte Abweichungen vom idealen Signalverlauf werden dabei kompensiert durch entsprechende Anpassung von Steuergrößen in Abhängigkeit von entsprechenden Eingangsgrößen.
  • Vorteilhaft ist in diesem Fall, wenn bei der Fertigung ein Datensatz von Parametern erzeugt wird, wobei sich diese Parameter aus der speziellen Wahl der konstruktiven Details ergeben und aus denen ein mathematisches Modell des betreffenden Lautsprechers bzw. Lautsprecher-Chassis unmittelbar erstellt werden kann. In diesem Fall wäre die aufwändige Einmessung und Modellerstellung für die elektronische Optimierung überflüssig, wodurch sich eine weitere Reduzierung des technischen und wirtschaftlichen Aufwands des Verfahrens ergibt. Als Parameter kommen hierbei der Kraftfaktor, die Steifigkeit der Membranaufhängung, die Schwingspuleninduktivität, die Reibung und der maximale Membranhub in Frage.
  • Die Erzeugung dieses Datensatzes kann dabei innerhalb des Fertigungsprozesses oder am Ende desselben in Form einer Messung erfolgen oder aber vereinfachend ohne eine Messung direkt aus der Summe der bekannten Auswirkungen der gewählten konstruktiven Details abgeleitet werden.
  • Weiterhin ist es möglich und vorteilhaft, diesen Datensatz in einem im oder am Lautsprecher bzw. Lautsprecher-Chassis integrierten bzw. angebrachten Speicherbauteil abzulegen, so dass dieser Datensatz von einem Auslesemodul ausgelesen werden kann. Das Auslesemodul kann z.B. als eigenständiges Hardware-Modul ausgeführt sein oder als Software-Modul, welches wiederum eingebettet sein kann in eine Hardware-Plattform oder in ein Software-Framework. Das Auslesen selbst kann dabei sowohl drahtgebunden, z.B. über einen digitalen Bus, als auch drahtlos erfolgen, z.B. mittels RFID-Technologie.
  • Das Auslese-Modul übermittelt demjenigen Modul, welches die elektronische Optimierung enthält, die entsprechenden Daten, so dass diese direkt als mathematisches Modell eingebunden und die elektronische Optimierung durchgeführt werden kann, z.B. im Rahmen der Anwendung in einem Automobil.
  • Das Auslese-Modul sowie das der elektronischen Optimierung dienende Optimierungs-Modul können dabei sowohl innerhalb ein und derselben Hardware-Komponente als auch in verschiedenen bzw. voneinander getrennten Hardware-Komponenten ausgeführt sein. Im ersten Fall können die beiden Module z.B. in einem zentralen Verstärker einer in einem Automobil eingesetzten Beschallungsanlage sowohl in unmittelbarer Nähe zu einem Lautsprecher bzw. Lautsprecher-Chassis als auch weiter von diesem entfernt implementiert sein. Im zweiten Fall können beide z.B. auf verschiedenen, voneinander getrennten Komponenten implementiert sein, die beispielsweise Teil einer busbasierten, verteilten Beschallungsanlage sein können.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren für die Auslegung und Herstellung von Lautsprechern für Smartphones und/oder Kopfhörer eingesetzt werden. Das Auslese-Modul kann hier Bestandteil des Smartphones oder eines Kopfhörerverstärkers sein, während das Optimierungsmodul ebenfalls als Modul innerhalb des Smartphones oder des Kopfhörerverstärkers ausgeführt sein kann.
  • Es ist möglich, dass das Optimierungsmodul im Wesentlichen Software zur elektronischen Optimierung enthält, wobei diese Software als Applikation (App) von einer dritten Stelle, z.B. aus einem App-Store, herunterladbar und auf der jeweiligen Plattform installier- und ausführbar ist.
  • Grundsätzlich ist es darüber hinaus möglich, dass auch der lautsprecherseitige Datensatz von einer Datenbank aus herunterladbar und auf dem Speicherbauteil installierbar ist.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern für insbesondere in Kraftfahrzeuginnenräumen eingesetzte Beschallungsanlagen, bei dem mechanische, elektrische und akustische Zielvorgaben für die Spezifikation des herzustellenden Lautsprechers vorgegeben werden, bei dem für eine elektronische Optimierung des herzustellenden Lautsprechers Parameter zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik vorgegeben werden, bei dem unter Berücksichtigung der Zielvorgaben für die Spezifikation des Lautsprechers und der zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik vorgegebenen Parameter elektromechanische Anforderungen an den herzustellenden Lautsprecher ermittelt werden, und bei dem elektrische Eingangsgrößen des Lautsprechers mit zugeordneten akustischen Ausgangsgrößen verglichen und bei diesem Vergleich ermittelte Abweichungen mittels elektronischer Optimierung unter Anpassung der zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik vorgegebenen Parameter ausgeglichen werden.
  2. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach Anspruch 1, bei dem als mechanische Zielvorgaben für die Spezifikation des herzustellenden Lautsprechers maximal zulässige Werte für die Membranfläche, den Membranhub, das Einbauvolumen und das Gewicht vorgegeben werden.
  3. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als elektrische Zielvorgaben für die Spezifikation des herzustellenden Lautsprechers die Impedanz, die maximal verfügbare Leistung und die Schwingspuleninduktivität vorgegeben werden.
  4. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als akustische Zielvorgaben für die Spezifikation des herzustellenden Lautsprechers die Resonanzfrequenz im eingebauten Zustand, der maximale Schalldruck und die maximal zulässigen Verzerrungen vorgegeben werden.
  5. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem für die elektronische Optimierung des herzustellenden Lautsprechers als Parameter zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik maximale Werte für die Erweiterung des linear nutzbaren Membranhubs und/oder für die Schalldruckerhöhung durch Erhöhung des Membranhubs und/oder für die Verzerrungsreduktion bei gleichbleibendem Membranhub und/oder für die Erhöhung des Schwingspulenstroms bei größtmöglicher Erweiterung des linearen Nutzbereichs vorgegeben werden.
  6. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die mechanischen, elektrischen und akustischen Zielvorgaben für die Spezifikation des herzustellenden Lautsprechers und die zur Linearisierung der Lautsprecherdynamik für die elektronische Optimierung des herzustellenden Lautsprechers vorgegebenen Parameter iterativ aufeinander abgestimmt werden.
  7. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem als elektromechanische Anforderungen an den herzustellenden Lautsprecher Sollwerte für die magnetische Feldstärke im Luftspalt und/oder für die Abmessungen wie Länge, Breite, Durchmesser etc. des Luftspalts und/oder für den Schwingspulendurchmesser und/oder für den Schwingspulendrahtquerschnitt und/oder für die Dimensionierung von Ventilationsöffnungen ermittelt werden.
  8. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach Anspruch 7, bei dem bei der Ermittlung der Sollwerte auf eine Datenbank zurückgegriffen wird, in der Daten betreffend elektrische, mechanische, akustische und wirtschaftliche Parameter einzelner konstruktiver Elemente und Bauteile des Lautsprechers abgespeichert sind.
  9. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach Anspruch 7 oder 8, bei dem bei der Ermittlung der Sollwerte betreffend die elektromechanischen Anforderungen wirtschaftliche Parameter für solche technischen Eigenschaften stärker als elektrische, mechanische und akustische Parameter gewichtet werden, die mittels der elektronischen Optimierung kompensier- bzw. ausgleichbar sind.
  10. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem bei der elektronischen Optimierung, bei der elektrische Eingangsgrößen und diesen zugeordnete akustische Ausgangsgrößen des Lautsprechers verglichen und Abweichungen ausgeglichen werden, ein mathematisches Modell des Lautsprechers zugrundegelegt wird, wobei für den Vergleich mit internen Modellgrößen relevante Größen direkt oder indirekt ermittelt werden, z.B. durch eine Echtzeitauswertung von Strom und Spannung an der Schwingspule.
  11. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach Anspruch 10, bei dem für die Erstellung des mathematischen Modells des Lautsprechers ein Datensatz aus konstruktiven Details wie Kraftfaktor, Steifigkeit der Membranaufhängung, Schwingspuleninduktivität, Reibung und maximalem Membranhub berücksichtigt wird.
  12. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach Anspruch 11, bei dem der Datensatz am Ende des Fertigungsprozesses mittels einer Messung erzeugt wird.
  13. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach Anspruch 11, bei dem der Datensatz unmittelbar aus der Summe der bekannten Auswirkungen der gewählten konstruktiven Details abgeleitet wird.
  14. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der Datensatz in einem im oder am Lautsprecher bzw. Lautsprecherchassis angeordneten Speicherbauteil abgelegt wird, bei dem der im Speicherbauteil abgelegte Datensatz von einem Auslesemodul ausgelesen wird und bei dem der Datensatz vom Auslesemodul an ein Optimierungsmodul zur Durchführung der elektronischen Optimierung weitergeleitet wird.
  15. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach einem der Ansprüche 1 bis 14, das für die Auslegung von Smartphone- und/oder Kopfhörer-Lautsprechern eingesetzt wird.
  16. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach Anspruch 14 oder 15, bei dem das Optimierungsmodul Software zur elektronischen Optimierung von einer dritten Stelle, z.B. einem App-Store, herunterlädt und abspeichert.
  17. Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Lautsprechern nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der Datensatz des Lautsprechers von einer Datenbank abgerufen und auf dem Speicherbauteil installiert wird.
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