EP3811634A1 - Verfahren zum gleichzeitigen betreiben einer lautsprecheranordnung in einer lautsprecherfunktion und in einer mikrofonfunktion sowie lautsprecheranordnung - Google Patents

Verfahren zum gleichzeitigen betreiben einer lautsprecheranordnung in einer lautsprecherfunktion und in einer mikrofonfunktion sowie lautsprecheranordnung

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EP3811634A1
EP3811634A1 EP19728371.6A EP19728371A EP3811634A1 EP 3811634 A1 EP3811634 A1 EP 3811634A1 EP 19728371 A EP19728371 A EP 19728371A EP 3811634 A1 EP3811634 A1 EP 3811634A1
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EP
European Patent Office
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coil
membrane
function
loudspeaker
magnet
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19728371.6A
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English (en)
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Inventor
Florian Bock
Lars Hinrichsen
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Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a method for simultaneously operating a loudspeaker arrangement in a loudspeaker function and in a microphone function, the loudspeaker arrangement comprising a coil which is movably mounted in the magnetic field of a magnet, and a membrane which is mechanically coupled to the coil, the magnet generates a magnetic flux density, the coil having an effective length in the magnetic field, the membrane having a surface. It also relates to a loudspeaker arrangement which comprises a coil which is movably mounted in the magnetic field of a magnet, and a membrane which is mechanically coupled to the coil, the magnet being designed to generate a magnetic flux density, the coil being a effective length in the magnetic field, wherein the membrane has a surface.
  • an ANC active noise cancellation
  • loudspeakers as actuators to generate the counter-sound
  • microphones as sensors to detect the sound field, which at best can be canceled out by a control circuit.
  • Speakers and microphones are also provided as separate, independent components in mobile telephones.
  • DE 10 2005 058 175 A1 discloses a loudspeaker arrangement for sound reinforcement in a motor vehicle, the loudspeaker also being a Microphone is used.
  • the speaker can be used in one position as a microphone and / or as an acoustic damping element, in another position in addition to its sound radiation function, it can also be used as an image projection surface for visual infotainment applications.
  • This publication does not indicate that a loudspeaker can be used in a loudspeaker function and in a microphone function at the same time.
  • DE 200 13 346 U1 discloses a loudspeaker arrangement in a driver's cabin, in which it is proposed to use at least one of the loudspeakers as a microphone for voice input. This publication also does not show that the loudspeaker arrangement can be used simultaneously in a loudspeaker function and in a microphone function.
  • EP 3 185 244 A1 describes a speech recognition system with a microphone and at least one loudspeaker which is used as a microphone.
  • the loudspeaker is also used in this publication either in its loudspeaker function or in its microphone function, but not simultaneously in both functions.
  • the object of the present invention is therefore to simultaneously provide a loudspeaker function and a microphone function with a reduced space requirement, reduced weight and the lowest possible cost.
  • the present invention is based on the knowledge that a skilful analysis of the conditions in a loudspeaker arrangement opens up the possibility of operating the loudspeaker arrangement simultaneously in a loudspeaker function and in a microphone function.
  • the loudspeaker serves simultaneously as a measuring device, ie as a sensor, and as a conventional loudspeaker, ie as an actuator.
  • the loudspeaker arrangement comprising a coil which is movably mounted in the magnetic field of a magnet, and a membrane which is mechanically coupled to the coil, wherein the magnet generates a magnetic flux density B, the coil having an effective length l 12 in the magnetic field, the membrane having a surface A, the external sound pressure p acting on the membrane is determined in the microphone function as follows: a) Setting a first calibration state, in which an external sound pressure p on the membrane is zero, and measuring a current I flowing into the coil and a voltage U falling across the coil;
  • a loudspeaker function and a microphone function can be implemented simultaneously by a method according to the invention and by a loudspeaker arrangement according to the invention, so that a separate microphone can be dispensed with. This results in a reduction in the installation space required, the costs, the weight and the effort for wiring and connections.
  • a one-off calibration, for example at the factory, is sufficient to determine the relevant transfer functions.
  • a preferred embodiment is characterized in that the sound pressure p on the membrane 16 is calculated in accordance with
  • a preferred embodiment is characterized in that the first and the second transfer function are determined as a function of frequency.
  • the current and voltage measurement in steps a), c) and e) is preferably also frequency-dependent.
  • steps a) to d) are repeated after the loudspeaker arrangement has been installed in an operating environment, in particular at predeterminable time intervals or upon user input.
  • This measure supports This takes into account the fact that, depending on the operating environment, ie depending on the installation location, different attenuations and reflections can occur, which lead to different frequency responses of the transmission functions compared to the values determined in the factory. It can also be used to adapt to aging effects, different temperatures or air humidity. Because the calibration is carried out in the operating environment, the method according to the invention can thus be optimized, which results in a particularly low-distortion reproduction of the loudspeaker signals and a low-distortion recording of microphone signals. Further preferred embodiments result from the subclaims.
  • the present invention also relates to a loudspeaker arrangement which comprises a coil which is movably mounted in the magnetic field of a magnet, and a membrane which is mechanically coupled to the coil, the magnet being designed to generate a magnetic flux density B, the coil has an effective length 112 in the magnetic field, the membrane having an area A.
  • a loudspeaker arrangement according to the invention further comprises a memory device in which a first transfer function ZM and a second transfer function ZC are stored. Furthermore, it comprises a measuring device which is designed to measure a current I flowing into the coil and a voltage U dropping across the coil.
  • a computing device a computing device which is designed to work simultaneously with a loudspeaker function the microphone arrangement of the loudspeaker arrangement to calculate the external sound pressure p on the membrane 16 taking into account the magnetic flux density B, the effective length 112 of the coil 12 in the magnetic field of the magnet 14, the first transfer function ZM, the second transfer function ZC, the area A of the Membrane 16 and the current I measured by the measuring device and the voltage U measured by the measuring device.
  • the loudspeaker arrangement can have a calibration device which is designed to carry out steps a) to d) repeatedly.
  • a predefinable time interval is stored in the memory device, in which the calibration is repeated.
  • the loudspeaker arrangement preferably comprises a time measuring device, a control device being provided which is designed to repeat the calibration steps for determining both transmission functions at the time intervals stored in the memory device, the computing device being designed to calculate the external sound pressure on the membrane to access the currently determined transfer functions.
  • a manual operating device can be provided in order to manually trigger a calibration process by a user.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a loudspeaker arrangement according to the invention.
  • FIG. 2 shows a signal flow graph for representing an imaging function within the scope of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a loudspeaker arrangement 10 with a coil 12 which is movably mounted in the magnetic field of a magnet 14.
  • the loudspeaker arrangement 10 comprises a membrane 16, which is mechanically coupled to the coil 12.
  • the magnet 14 generates a magnetic flux density B.
  • the coil 12 has an effective length l 12 in the magnetic field of the magnet 14.
  • the membrane 16 has an area A. 1 shows the sizes for a mechanical circuit that can be defined in the loudspeaker arrangement, see FIG. 1 on the right, and an electrical circuit, see FIG. 1 on the left.
  • R is the ohmic resistance of the coil 12; u (t) a voltage applied to the coil 12; and i (t) a current flowing through the coil 12.
  • the electromotive force e (t) arises due to the movement of the coil 12 in the magnetic field of the magnet 14.
  • reaction force f a of the loudspeaker on connection can be determined as follows:
  • the upper line accordingly shows the mechanical conditions, while the lower line shows the electrical conditions of the loudspeaker arrangement 10.
  • s is the Laplace variable.
  • This equation represents an equation system for the two unknowns sX-i (s) and Ap (s) if the two variables l (s) and U (s) are specified. I.e. if the current I (s) and the voltage U (s) are known, the sound pressure p (s) or the external force Ap (s) on the membrane 16 can be calculated.
  • An elimination of the relative speed sX-i (s) in the last equation gives:
  • Z c (s) can be determined by setting a second calibration state in which a movement sX-i (s) of the membrane 16 is suppressed. To do this the coil 12 and the magnet 14 are firmly clamped to one another in a fixed position, so that sX-i (s) is equal to zero. The current I (s) flowing into the coil and the voltage U (s) dropping across the coil are then determined again. The transfer function Z c (s) can be determined from the measured values
  • the sound pressure p (t) acting on the membrane 16 can be determined, although the membrane 16 is operated simultaneously in a loudspeaker function.
  • a microphone function and a loudspeaker function of the loudspeaker arrangement 10 are made possible at the same time.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gleichzeitigen Betreiben einer Lautsprecheranordnung (10) in einer Lautsprecherfunktion und in einer Mikrofonfunktion, wobei die Lautsprecheranordnung (10) eine Spule (12) umfasst, die im Magnetfeld eines Magneten (14) bewegbar gelagert ist, sowie eine Membran (16), die mit der Spule (12) mechanisch gekoppelt ist, wobei der Magnet (14) eine magnetische Flussdichte (B) erzeugt, wobei die Spule (12) eine wirksame Länge (l12) im Magnetfeld aufweist, wobei die Membran (16) eine Fläche (A) aufweist. Zur Bestimmung einer ersten Übertragungsfunktion ZM ein erster Kalibierzustand eingestellt, in dem ein äußerer Schalldruck (p) auf die Membran (16) gleich Null ist. Zur Bestimmung einer zweiten Übertragungsfunktion Zc wird ein zweiter Kalibrierzustand eingestellt, in dem eine Bewegung der Membran (16) unterdrückt ist. Anschließend wird im Normalbetrieb der durch die Spule (12) fließende Strom (I) und die an der Spule (12) abfallende Spannung (U) gemessen und der äußere Schalldruck (p) auf die Membran (16) ermitteltunter Berücksichtigung der magnetischen Flussdichte (B), der wirksamen Länge (l12) der Spule (12) im Magnetfelddes Magneten (14), der ersten Übertragungsfunktion (ZM), der zweiten Übertragungsfunktion (ZC), der Fläche (A) der Membran (16) sowie des von der Messvorrichtungim Normalbetriebgemessenen Stroms (I) und der von der Messvorrichtung im Normalbetrieb gemessenen Spannung (U). Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Lautsprecheranordnung (10).

Description

Verfahren zum gleichzeitigen Betreiben einer Lautsprecheranordnung in einer Lautsprecherfunktion und in einer Mikrofonfunktion sowie Lautspre- cheranordnung
BESCHREIBUNG:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum gleichzeitigen Betreiben einer Lautsprecheranordnung in einer Lautsprecherfunktion und in einer Mikrofonfunktion, wobei die Lautsprecheranordnung eine Spule umfasst, die im Magnetfeld eines Magneten bewegbar gelagert ist, sowie eine Membran, die mit der Spule mechanisch gekoppelt ist, wobei der Magnet eine magneti- sche Flussdichte erzeugt, wobei die Spule eine wirksame Länge im Magnet- feld aufweist, wobei die Membran eine Fläche aufweist. Sie betrifft überdies eine Lautsprecheranordnung, die eine Spule umfasst, die im Magnetfeld eines Magneten bewegbar gelagert ist, sowie eine Membran, die mit der Spule mechanisch gekoppelt ist, wobei der Magnet ausgelegt ist, eine mag- netische Flussdichte zu erzeugen, wobei die Spule eine wirksame Länge im Magnetfeld aufweist, wobei die Membran eine Fläche aufweist.
Es ist bekannt, Schallereignisse in der Luft, beispielsweise Geräusche, mit- hilfe von Mikrofonen zu messen. Beispielsweise benötigt ein ANC (active noise cancellation = aktive Lärmkompensation) neben Lautsprechern als Aktuatoren zum Erzeugen des Gegenschalls auch Mikrofone als Sensoren zum Detektieren des Schallfelds, welches durch einen Regelkreis bestenfalls ausgelöscht werden kann. Auch in Mobiltelefonen sind Lautsprecher und Mikrofone als getrennte unabhängige Bauteile vorgesehen.
Aus der DE 10 2005 058 175 A1 ist eine Lautsprecheranordnung zur Be- schallung in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei der Lautsprecher auch als Mikrofon verwendet wird. Dabei ist der Lautsprecher in einer Stellung als Mikrofon und/oder als akustisches Dämpfungselement einsetzbar, in einer anderen Stellung neben seiner Schallabstrahlungsfunktion gleichzeitig auch als Bildprojektionsfläche für visuelle Infotainmentapplikationen. Einen Laut- sprecher gleichzeitig in einer Lautsprecherfunktion und in einer Mikrofonfunk- tion zu nutzen, kann dieser Druckschrift nicht entnommen werden.
Aus der DE 200 13 346 U1 ist eine Lautsprecheranordnung in einer Fahrer- kabine bekannt, in der vorgeschlagen wird, mindestens einen der Lautspre- cher als Mikrofon zur Spracheingabe einzusetzen. Die Lautsprecheranord- nung gleichzeitig in einer Lautsprecherfunktion und in einer Mikrofonfunktion zu nutzen, kann dieser Druckschrift ebenfalls nicht entnommen werden.
Die EP 3 185 244 A1 beschreibt ein Spracherkennungssystem mit einem Mikrofon und mindestens einem Lautsprecher, der als Mikrofon benutzt wird. Allerdings wird auch in dieser Druckschrift der Lautsprecher entweder in seiner Lautsprecherfunktion oder in seiner Mikrofonfunktion genutzt, aber nicht gleichzeitig in beiden Funktionen.
Um gleichzeitig eine Lautsprecherfunktion und eine Mikrofonfunktion bereit- zustellen, werden deshalb zusätzlich zu den Lautsprechern weitere Kompo- nenten benötigt, insbesondere Mikrofone, Mikrofon Verstärker, Vorrichtungen zur Signalkonditionierung, Leitungen und dergleichen. Dies resultiert in höhe- ren Kosten, zusätzlichem Gewicht und zusätzlichem Bauraumbedarf.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, gleichzeitig einer Lautsprecherfunktion und einer Mikrofonfunktion bei reduziertem Bau- raumbedarf, reduziertem Gewicht und möglichst geringen Kosten bereitzu- stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Pa- tentanspruch 1 sowie durch eine Lautsprecheranordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 6. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine geschickte Analyse der Verhältnisse in einer Lautsprecheranordnung eine Möglichkeit eröffnet, die Lautsprecheranordnung gleichzeitig in einer Lautsprecherfunkti- on und in einer Mikrofonfunktion zu betreiben. Der Lautsprecher dient zeit- gleich als Messgerät, d.h. als Sensor, und als konventioneller Lautsprecher, d.h. als Aktuator.
Um das Verständnis der nachfolgenden Ausführungen zu erleichtern, werden bereits an dieser Stelle Bezugszeichen verwendet, auf die im Weiteren unter Bezugnahme auf Figur 1 noch näher eingegangen werden wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum gleichzeitigen Betreiben einer Lautsprecheranordnung in einer Lautsprecherfunktion und in einer Mikrofon- funktion, wobei die Lautsprecheranordnung eine Spule umfasst, die im Mag- netfeld eines Magneten bewegbar gelagert ist, sowie eine Membran, die mit der Spule mechanisch gekoppelt ist, wobei der Magnet eine magnetische Flussdichte B erzeugt, wobei die Spule eine wirksame Länge l12 im Magnet- feld aufweist, wobei die Membran eine Fläche A aufweist, wird der auf die Membran wirkende äußere Schalldruck p in der Mikrofonfunktion wie folgt ermittelt: a) Einstellen eines ersten Kalibrierzustands, in dem ein äußerer Schall druck p auf die Membran gleich null ist, und Messen eines in die Spu- le fließenden Stroms I und einer an der Spule abfallenden Spannung U;
b) aus den Messwerten von Schritt a): Bestimmen einer ersten Übertra- gungsfunktion ZM=U/I;
c) Einstellen eines zweiten Kalibrierzustands, in dem eine Bewegung der Membran unterdrückt ist, und Messen eines in die Spule fließenden Stroms I und einer an der Spule abfallenden Spannung U;
d) aus den Messwerten von Schritt c): Bestimmen einer zweiten Über- tragungsfunktion ZC=U/I;
e) im Normalbetrieb: Messen des durch die Spule fließenden Stroms I und der an der Spule abfallenden Spannung U; und f) Ermitteln des äußeren Schalldrucks p auf die Membran 16 unter Be- rücksichtigung der magnetischen Flussdichte B, der wirksamen Länge 112 der Spule 12 im Magnetfeld des Magneten 14, der ersten Übertra- gungsfunktion ZM, der zweiten Übertragungsfunktion Zc, der Fläche A der Membran 16 sowie des in Schritt e) gemessenen Stroms I sowie der in Schritt e) gemessenen Spannung U.
Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren sowie durch eine erfindungsgemä- ße Lautsprecheranordnung lassen sich eine Lautsprecherfunktion und eine Mikrofonfunktion zeitgleich realisieren, sodass auf ein separates Mikrofon verzichtet werden kann. Dies resultiert in einer Reduktion des benötigten Bauraums, der Kosten, des Gewichts sowie des Aufwands für Verdrahtung und Anschlüsse. Es genügt eine einmalige, beispielsweise werksseitige Kalibrierung zur Bestimmung der relevanten Übertragungsfunktionen.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Schalldruck p auf die Membran 16 berechnet wird gemäß
wobei B für die vom Magneten 14 erzeugte magnetische Flussdichte steht,
112 für die wirksame Länge der Spule 12 im Magnetfeld des Magneten 14, A für die Fläche der Membran 16, I für den in Schritt e) gemessenen Strom und U für die in Schritt e) gemessene Spannung.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die erste und die zweite Übertragungsfunktion frequenzabhängig bestimmt werden. Bevorzugt erfolgt auch die Strom- und Spannungsmessung in den Schritten a), c) und e) frequenzabhängig.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schritte a) bis d) nach dem Einbau der Lautsprecheranordnung in eine Betriebsumgebung wiederholt, insbesondere in vorgebbaren zeitlichen Abständen oder auf eine Benutzereingabe hin. Diese Maßnahme trägt dem Umstand Rechnung, dass je nach Betriebsumgebung, d.h. nach Einbauort, unterschiedliche Dämpfungen und Reflexionen auftreten können, die zu unterschiedlichen Frequenzgängen der Übertragungsfunktionen führen im Vergleich zu den werksseitig ermittelten Werten. Auch lässt sich dadurch eine Anpassung an Alterungseffekte, unterschiedliche Temperaturen oder die Luftfeuchtigkeit erzielen. Dadurch, dass die Kalibrierung in der Be- triebsumgebung vorgenommen wird, kann somit das erfindungsgemäße Verfahren optimiert werden, was in einer besonders verzerrungsarmen Wie- dergabe der Lautsprechersignale sowie einem verzerrungsarmen Aufzeich- nen von Mikrofonsignalen resultiert. Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Lautsprecheranordnung, die eine Spule umfasst, die im Magnetfeld eines Magneten bewegbar gelagert ist, sowie eine Membran, die mit der Spule mechanisch gekoppelt ist, wobei der Magnet ausgelegt ist, eine magnetische Flussdichte B zu erzeugen, wobei die Spule eine wirksame Länge 112 im Magnetfeld aufweist, wobei die Memb- ran eine Fläche A aufweist. Eine erfindungsgemäße Lautsprecheranordnung umfasst weiterhin eine Speichervorrichtung, in der eine erste Übertragungs- funktion ZM und eine zweite Übertragungsfunktion ZC abgespeichert ist. Weiterhin umfasst sie eine Messvorrichtung, die ausgelegt ist zur Messung eines in die Spule fließenden Stroms I und einer an der Spule abfallenden Spannung U. Schließlich umfasst sie eine Rechenvorrichtung, eine Rechen- vorrichtung, die ausgelegt ist, in einer gleichzeitig mit einer Lautsprecher- funktion der Lautsprecheranordnung ausgeführten Mikrofonfunktion den äußeren Schalldruck p auf die Membran 16 zu berechnen unter Berücksich- tigung der magnetischen Flussdichte B, der wirksamen Länge 112 der Spule 12 im Magnetfeld des Magneten 14, der ersten Übertragungsfunktion ZM, der zweiten Übertragungsfunktion ZC, der Fläche A der Membran 16 sowie des von der Messvorrichtung gemessenen Stroms I und der von der Mess- vorrichtung gemessenen Spannung U.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen bevor- zugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für die erfindungsgemäße Lautsprecheranordnung. Insbesonde- re kann die Lautsprecheranordnung über eine Kalibriervorrichtung verfügen, die ausgelegt ist, die Schritte a) bis d) wiederholt durchzuführen. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass in der Speichervorrichtung ein vorgebbarer zeitlicher Abstand abgespeichert ist, in dem die Kalibrierung wiederholt wird. Bevorzugt umfasst in diesem Zusammenhang die Lautspre- cheranordnung eine Zeitmessvorrichtung, wobei eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die ausgelegt ist, zu den in der Speichervorrichtung abge- speicherten zeitlichen Abständen die Kalibrierungsschritte zur Bestimmung beider Übertragungsfunktionen zu wiederholen, wobei die Rechenvorrichtung ausgelegt ist, zur Berechnung des äußeren Schalldrucks auf die Membran auf die jeweils aktuell ermittelten Übertragungsfunktionen zuzugreifen. Alter- nativ kann eine manuelle Bedienvorrichtung vorgesehen sein, um einen Kalibriervorgang durch einen Benutzer manuell auszulösen.
Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher be- schrieben. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Laut- sprecheranordnung; und
Fig. 2 einen Signalflussgrafen zur Darstellung einer Abbildungsfunkti- on im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Lautsprecheranordnung 10 mit einer Spule 12, die im Magnetfeld eines Magneten 14 bewegbar gelagert ist. Die Lautsprecheranordnung 10 umfasst eine Membran 16, die mit der Spule 12 mechanisch gekoppelt ist. Der Magnet 14 erzeugt eine magneti- sche Flussdichte B. Die Spule 12 weist eine wirksame Länge l12 im Magnet- feld des Magneten 14 auf. Die Membran 16 weist eine Fläche A auf. Die Darstellung von Fig. 1 zeigt die Größen für einen bei der Lautsprecher- anordnung definierbaren mechanischen Kreis, siehe Figur 1 rechts, sowie einen elektrischen Kreis, siehe Figur 1 links.
Die nachfolgende Analyse geht aus von der folgenden Gleichung für einen Massenschwinger:
Dabei bezeichnet:
Xi die Verschiebung der Kombination aus Membran 16 und Spule 12 im Magnetfeld des Magneten 14; x-i die Geschwindigkeit der Kombination aus Membran 16 und Spule
12;
Xi die Beschleunigung der Kombination aus Membran 16 und Spule 12; m-i die Masse der Kombination aus Membran 16 und Spule 12; di2 eine Dämpfungseigenschaft begründet durch eine federnde Lage- rung der Kombination aus Membran 16 und Spule 12; ki2 die Steifigkeit dieser Lagerung, d.h. die Fähigkeit, die Kombination aus Membran 16 und Spule 12 in die Ausgangslage zurückzubrin- gen; die Lorentz-Kraft;
A die Fläche der Membran 16; und p(t) den äußeren Schalldruck auf die Membran 16. Für die Lorentz-Kraft gilt:
Die Lorentz-Kraft entsteht demnach, indem ein Strom i(t) durch die im Mag- netfeld des Magneten 14 angeordnete Spule 12 fließt. Diese Gleichung be- schreibt die Lautsprecherfunktion der Lautsprecheranordnung.
Hinsichtlich der Mikrofonfunktion sind folgende Gleichungen einschlägig:
Zunächst die elektro-motorische Kraft e(t), die sich durch den Betrieb der Membran 12 in der Mikrofonfunktion ergibt:
Aus dem elektrischen Kreis lässt sich unter Verwendung des Maschensatzes folgende Gleichung aufstellen:
Dabei bedeuten:
L die Induktivität der Spule 12;
R der Ohmsche Widerstand der Spule 12; u(t) eine an die Spule 12 angelegte Spannung; und i(t) ein die Spule 12 durchfließender Strom.
entspricht daher die Änderung der Amplitude dieses Stroms in Abhän-
gigkeit von der Zeit. Die elektro-motorische Kraft e(t) entsteht aufgrund der Bewegung der Spule 12 im Magnetfeld des Magneten 14.
Der Vollständigkeit halber lässt sich die Reaktionskraft fa des Lautsprechers auf Anbindung (ground) wie folgt ermitteln:
Unter Verwendung der Gleichung für den Massenschwinger, siehe oben, ergibt sich:
Wird die Gleichung zur Lorentz-Kraft in die Gleichung des Massenschwin- gers eingesetzt, ergibt sich:
Werden die beiden Gleichungen betreffend die Mikrofonfunktion ineinander eingesetzt, ergibt sich:
Die letzten beiden Gleichungen, dargestellt im Laplacebereich ohne An- fangsbedingungen, lauten wie folgt:
Die obere Zeile gibt demnach die mechanischen Verhältnisse wieder, wäh- rend die untere Zeile die elektrischen Verhältnisse der Lautsprecheranord- nung 10 anzeigt. Dabei ist s die Laplace-Variable. Es gilt: wobei i die imaginäre Einheit mit i2 = -1 ist, und w=2pί, wobei f für
die Frequenz steht.
Durch Zusammenfassen ergibt sich Folgendes:
Es werden folgende Abkürzungen eingeführt:
als mechanische Übertragungsfunktion im Frequenzbereich,
als elektrische Übertragungsfunktion im Frequenzbereich.
Die letzte Gleichung lässt sich damit wie folgt umformen:
Diese Gleichung stellt ein Gleichungssystem für die zwei Unbekannten sX-i(s) und Ap(s) dar, wenn die beiden Variablen l(s) und U(s) vorgegeben sind. D.h. kennt man den Strom l(s) und die Spannung U(s), so lässt sich der Schalldruck p(s) bzw. die äußere Kraft Ap(s) auf die Membran 16 berechnen. Eine Eliminierung der Relativgeschwindigkeit sX-i(s) in der letzten Gleichung ergibt:
Diese Gleichung lässt sich wie folgt umformen:
Aus der Abkürzung
folgt:
Eingesetzt in die drittletzte Gleichung folgt:
Diese Gleichung ist in Fig. 2 in Form eines Signalflußgraphen dargestellt. Daraus lassen sich folgende Konsequenzen ableiten:
Wird ein erster Kalibrierzustand eingestellt, in dem die äußere Kraft Ap(s) und damit der Schalldruck p auf die Membran 16 gleich null ist, d.h. man lässt die Membran 16 inklusive der Spule 12 mit der kombinierten Masse m-i frei schwingen (rein aktorischer Betrieb), und für diesen freien Einmassen- schwinger den in die Spule fließenden Strom l(s) und die an der Spule 12 abfallende Spannung U(s) misst, lässt sich die Übertragungsfunktion ZM(s) bestimmen gemäß
Zc(s) lässt sich bestimmen durch Einstellen eines zweiten Kalibrierzustands, in dem eine Bewegung sX-i(s) der Membran 16 unterdrückt ist. Dazu werden die Spule 12 und der Magnet 14 in fixer Position zueinander fest einge- spannt, sodass sX-i(s) gleich null ist. Anschließend wird wieder der in die Spule fließende Strom l(s) und die an der Spule abfallende Spannung U(s) bestimmt. Aus den Messwerten lässt sich die Übertragungsfunktion Zc(s) bestimmen zu
Damit sind die beiden Übertragungsfunktionen ZM(s) und Zc(s) bestimmt. Wird nun im Normalbetrieb der durch die Spule fließende Strom l(s) und die an der Spule abfallende Spannung U(s) bestimmt, so lässt sich durch Um- formung der oben genannten Gleichung der äußere Schalldruck p(s) be- stimmen zu
Mit anderen Worten lässt sich durch die Auswertung dieser Gleichung der auf die Membran 16 wirkende Schalldruck p(t) bestimmen, obwohl die Membran 16 gleichzeitig in einer Lautsprecherfunktion betrieben wird. Im Ergebnis wird gleichzeitig eine Mikrofonfunktion und eine Lautsprecherfunk- tion der Lautsprecheranordnung 10 ermöglicht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zum gleichzeitigen Betreiben einer Lautsprecheranordnung (10) in einer Lautsprecherfunktion und in einer Mikrofonfunktion, wobei die Lautsprecheranordnung (10) eine Spule (12) umfasst, die im Mag- netfeld eines Magneten (14) bewegbar gelagert ist, sowie eine Memb- ran (16), die mit der Spule (12) mechanisch gekoppelt ist, wobei der Magnet (14) eine magnetische Flussdichte (B) erzeugt, wobei die Spule (12) eine wirksame Länge (I12) im Magnetfeld aufweist, wobei die Membran (16) eine Fläche (A) aufweist, wobei der auf die Membran (16) wirkende äußere Schalldruck (p) in der Mikrofonfunktion wie folgt ermittelt wird:
a) Einstellen eines ersten Kalibrierzustands, in dem ein äußerer Schalldruck (p) auf die Membran (16) gleich Null ist, und Messen ei- nes in die Spule (12) fließenden Stroms (I) und einer an der Spule abfallenden Spannung (U);
b) aus den Messwerten von Schritt a): Bestimmen einer ersten Über- tragungsfunktion ZM = U/l;
c) Einstellen eines zweiten Kalibrierzustands, in dem eine Bewegung der Membran (16) unterdrückt ist, und Messen eines in die Spule (12) fließenden Stroms (I) und einer an der Spule (12) abfallenden Spannung (U);
d) aus den Messwerten von Schritt c): Bestimmen einer zweiten Über- tragungsfunktion Zc = U/l;
e) im Normalbetrieb: Messen des durch die Spule (12) fließenden Stroms (I) und der an der Spule (12) abfallenden Spannung (U); und f) Ermitteln des äußeren Schalldrucks (p) auf die Membran (16) unter Berücksichtigung der magnetischen Flussdichte (B), der wirksamen Länge (I12) der Spule (12) im Magnetfeld des Magneten (14), der ersten Übertragungsfunktion (ZM), der zweiten Übertragungsfunktion (Zc), der Fläche (A) der Membran (16), des in Schritt e) gemesse- nen Stroms (I) sowie der in Schritt e) gemessenen Spannung (U).
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schalldruck (p) auf die Membran (16) berechnet wird gemäß
wobei B für die vom Magneten (14) erzeugte magnetische Flussdichte (B) steht, 112 für die wirksame Länge der Spule (12) im Magnetfeld des Magneten (14), A für die Fläche der Membran (16), I für den in Schritt e) gemessenen Strom und U für die in Schritt e) gemessene Spannung.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste (ZM = U/l) und die zweite Übertragungsfunktion (Zc = U/l) fre- quenzabhängig bestimmt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strom- und Spannungsmessung in den Schritten a), c) und e) fre- quenzabhängig erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schritte a) bis d) nach dem Einbau der Lautsprecheranordnung (10) in einer Betriebsumgebung wiederholt werden, insbesondere in vorgeb- baren zeitlichen Abständen.
6. Lautsprecheranordnung (10), die eine Spule (12) umfasst, die im Mag- netfeld eines Magneten (14) bewegbar gelagert ist, sowie eine Memb- ran (16), die mit der Spule (12) mechanisch gekoppelt ist, wobei der Magnet (14) ausgelegt ist, eine magnetische Flussdichte (B) zu erzeu- gen, wobei die Spule (12) eine wirksame Länge (I12) im Magnetfeld aufweist, wobei die Membran (16) eine Fläche (A) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lautsprecheranordnung (10) weiterhin umfasst:
- eine Speichervorrichtung, in der eine erste Übertragungsfunktion ZM und eine zweite Übertragungsfunktion Zc abgespeichert ist,
- eine Messvorrichtung, die ausgelegt ist zur Messung eines in die Spule (12) fließenden Stroms (I) und einer an der Spule (12) abfal- lenden Spannung (U);
- eine Rechenvorrichtung, die ausgelegt ist, in einer gleichzeitig mit einer Lautsprecherfunktion der Lautsprecheranordnung ausgeführ- ten Mikrofonfunktion den äußeren Schalldruck (p) auf die Membran (16) zu berechnen unter Berücksichtigung der magnetischen Fluss- dichte (B), der wirksamen Länge (I12) der Spule (12) im Magnetfeld des Magneten (14), der ersten Übertragungsfunktion (ZM), der zwei- ten Übertragungsfunktion (Zc), der Fläche (A) der Membran (16) sowie des von der Messvorrichtung gemessenen Stroms (I) und der von der Messvorrichtung gemessenen Spannung (U).
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