Vorrichtung zur Verbesserung der Baßwiedergabe bei Lautsprechersystemen mit geschlossenen Gehäusen.
Die Erfindung betrifft ein Lautsprechersystem zur Wiedergabe niederfrequenter akustischer Töne, das mit einem geschlossenen Gehäuse kleinen Volumens arbeitet.
Bei herkömmlichen Lautsprechersystemen mit akustisch geschlossenen Lautsprechergehäusen stellt sich das Problem, aß ein kleines Gehäusevolumen die Tieftonwiedergabe stark beeinträchtigt. Bei zu kleinem Gehäusevolumen beeinträchtigen Gasdruckkräfte, d.h. Kompressionskräfte, die Bewegungen der schallabstrahlenden Lautsprechermembran. Diese Druckkräfte werden dadurch hervorgerufen, daß die abstrahlende Lautsprechermembran durch ihre Auslenkung das Volumen der im Gehäuse eingeschlossenen Gase verändert, die Gase komprimiert bzw. dekomprimiert . Diese Druckkräfte wirken als Federkräfte auf die Lautsprechermembran ein und erhöhen die Resonanzfrequenz und zusätzlich die Güte des Gesamtsystems.
Um eine gute Tieftonwiedergabe zu ermöglichen, werden daher entweder unhandlich große Gehäuse verwendet, oder es werden die die Lautsprecher treibenden Signale einer Frequenzgangkorrektur unterzogen, oder es werden die abstrahlenden Lautsprechermembranen direkt in korrigierende Regelkreise eingebunden. Die beiden letzteren Maßnahmen verursachen selbst wiederum akustische Verfälschungen, insbesondere das Impulsverhalten wird durch die notwendigen Frequenzweichen beeinträchtigt.
Weiters sind Verfahren bekannt ( Tiefenbrun; US-Pat. 4008374) , die durch Einwirkung einer innenliegenden Lautsprechermembran eine wirkungsmäßige Volumsvergrößerung des Gehäuses bezwecken. Bei diesem Verfahren wird jedoch das Problem auf den innenliegenden Lautsprecher verlagert. Um befriedigende Ergebnisse zu erzielen, sind wiederum große Volumina erforderlich. Außerdem entstehen Verzerrungen durch
Phasenunterschiede in den Bewegungen der beiden Lautsprechermembranen.
Die Erfindung gemäß den Ansprüchen ermöglicht eine weitgehend unbehinderte Tieftonabstrahlung bei Verwendung kleiner Lautsprechergehäuse und großflächiger Lautsprecher in Tiefton- Lautsprechersystemen, wobei eine direkte, aktiv korrigierende Beeinflussung der die abstrahlenden Lautsprecher treibenden Signale nicht vorgenommen werden muß.
Die gestellte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Vorrichtungen, die in den Ansprüchen 1 bis 6 beschrieben werden, gelöst.
Die Vorrichtungen zeichnen sich dadurch aus, daß die von den Auslenkungen der abstrahlenden Lautsprechermembran durch Volumsänderungen des Innenvolumens verursachten Druckdifferenzen zwischen dem Gasdruck im Gehäuseinneren und dem zeitlich gemittelten Gasdruck im Außenraum des Gehäuses durch die Wirkung eines Regelkreises stark verringert werden.
Druckunterschiede zwischen Innen- und Außenraum werden mittels eines Gasdrucksensors erfaßt und durch die Wirkung einer Regelung vermindert. Diese Verminderung der Druckdifferenzen erfolgt durch die Bewegungen einer an das Innenvolumen angrenzenden Membran eines innerhalb des Gehäuses angeordneten elektrodynamischen Wandlers, der als Glied eines Regelkreises arbeitet. Der zu dem Regelkreis gehörende Regler verarbeitet das Signal, das die Druckunterschiede beschreibt. Mittels des nachgeschalteten Leistungsverstärkers regt der Regler die Membran des innenliegenden elektrodynamischen Wandlers zu Bewegungen an, die die auftretenden Druckunterschiede stark verringern.
Bild 1 zeigt eine einfache Vorrichtung gemäß der Erfindung. Der Außenlautsprecher LA wird direkt durch das Eingangssignal e(t) angetrieben. Der elektrodynamische Wandler TR ist in eine Regelschleife eingebunden, die aus dem Drucksensor P, dem Substrahierglied D, dem Regler R, dem Leistungsverstärker A und
eben aus dem elektrodynamischen Wandler TR besteht. Dem Substrahierglied wird als Sollwert die zeitlich gemittelte Größe des Gasdruckes, der außerhalb des Gehäuses G herrscht, zugeführt. Die Zeitdauer der Mittelwertsbildung ist dabei groß gegenüber den längsten Signalperioden, z.B. 100 Sekunden. Am invertierenden Eingang des Substrahiergliedes wird das dem Gasdruck in VI proportionale Ausgangssignal des Sensors P angelegt. Der Regler R ist so bemessen, daß die Regelabweichung, und somit die Druckdifferenz, möglichst klein gehalten wird. Im einfachsten Fall wird als Regler R ein Proportionalglied mit angemessener Verstärkung eingesetzt.
Die Erfindung gemäß den Ansprüchen 2 und 3 gewährleistet eine einfache und unproblematische Einsetzbarkeit des Verfahrens, das durch Anwendung einer Druckregelung die Auswirkungen eines endlich großen Innenvolumens auf die Wiedergabe tiefer Frequenzen stark abschwächt.
Insbesondere wird ein von den tatsächlichen Gehäuseabmessungen weitgehend unbeeinflußter Einsatz der Regelung ermöglicht. Dadurch wird die Fertigung eines einfach einzusetzenden Produktes, das auch von technisch weniger gebildeten Personen angewendet und gebraucht werden kann, ermöglicht. Es soll der einfache Einsatz einer Regelung ermöglicht werden, die weitgehend unabhängig von den Gehäuseabmessungen in erwünschter Art und Weise arbeitet (Ausregelung von Druckunterschieden, kein Schwingen durch Totzeiten bzw. Laufzeiten im Innenvolumen, keine Verzerrungen durch Einschwingvorgänge etc.), und die außerdem von akustischen, höherfrequenten NutzSignalkomponenten nicht angeregt wird.
Die Vorrichtungen, die in den Kennzeichen der Ansprüche 2, 3 und 4 beschrieben sind, lösen obige Aufgaben.
Die Lösung wird einerseits erreicht, indem die Regelstrecke, also das Gasvolumen, auf das die Membran des innenliegenden
elektrodynamischen Wandlers einwirkt, beim Auftreten schneller Druckänderungen wirkungsmäßig konstante und geeignet festgelegte Eigenschaften aufweist. Andererseits muß sichergestellt werden, daß die Regelstrecke durch höherfrequente Störungen, das sind die höherfreguenten Komponenten des von dem abstrahlenden Lautsprecher erzeugten akustischen Signales, nicht beeinflußt wird.
Beide Ziele werden gemäß Bild 2 erreicht, indem als Regelstrecke ein angemessen kleines Teilvolumen V2 des Innenvolumens des Lautsprechergehäuses gewählt wird. Dieses kleine Teilvolumen wird mittels einer schallisolierenden Wand Tl gegenüber dem restlichen Innenvolumen VI abgegrenzt, das an die Membran des in den Außenraum Schall abstrahlenden Lautsprechers LA angrenzt. Ein weiteres, drittes Innenvolumen V3 ist als annähernd gasdichte Kammer, die durch eine εchallisolierende Wand T2 und die Membran M des innenliegenden elektrodynamischen Wandlers TR von dem ersteren, kleinen Innenvolumen V2 getrennt ist, aufgebaut.
Die schallisolierende Wand Tl ist mit Durchbrüchen D versehen, über die das mittlere Teilvolumen V2 mit dem Volumen VI verbunden ist. Die Durchbrüche sind derart gestaltet und so mit schalldämpfenden Faser- oder Schaumstoffen ausgefüllt, daß eine Schall- und Druckübertragung von dem mittleren Teilvolumen V2 in das Volumen VI und auch in umgekehrter Richtung zeitlich gemäß einer übertragungsfunktion mit TiefpaßCharakteristik erfolgt. In diesem kleinen, mittleren Teilvolumen V2 wird durch einen dort angeordneten Gasdrucksensor P der Gasdruck gemessen und werden, in Zusammenwirkung mit einem elektronischen Regler R und einem elektrischen Leistungsverstärker A und durch Einwirkung der Membran M des elektrodynamischen Wandlers TR auf dieses Teilvolumen V2, die momentanen Druckdifferenzen zwischen dem Gasdruck in V2 und dem mittleren Außendruck verschwindend klein gehalten. Die dritte, gasdichte Kammer V3 verhindert dabei Einwirkungen der Rückseite der Membran M des Wandlers auf die übrigen Volumina VI, V2 oder auf das Außenvolumen. Da das Tiefpaßfilter langsame Druckänderungen fast unbeeinflußt überträgt, werden langsame Druckänderungen relativ zu dem mittleren Außendruck auch im Innenvolumen VI annähernd
unterdrückt. Schnelle, durch den innenliegenden elektrodynamischen Wandler verursachte Druckänderungen wirken jedoch nur in dem genau definierten kleinen Teilvolumen V2. Totzeiten und die damit verbundene Schwingneigung des Regelkreises können so einfach beherrscht werden. Zusätzlich werden Einschwingvorgänge des Regelkreises von dem Außenlautsprecher ferngehalten, außerdem werden höherfrequente, vom abstrahlenden Außenlautsprecher erzeugte Schallanteile von dem Regelkreis ferngehalten (Vorfilterwirkung) .
Die Vorrichtung ermöglicht eine weitgehend unbehinderte Abstrahlung niedriger Tonfrequenzen durch den Außenlautsprecher LA dadurch, daß die eine Bewegung der Lautsprechermembran behindernden, im Gehäuseinneren entstehenden Kompressionskräfte weitgehend eliminiert werden.
Die Vorrichtung gemäß den Kennzeichen aus Anspruch 3 erfüllt die Aufgabe der leichten und problemlosen Anwendbarkeit der Druckregelung in Lautsprechergehäusen. Sie stellt eine mechanische Einheit dar, die wie ein Lautsprecherchassis im Fachhandel einfach gekauft werden kann und danach problemlos in ein beliebiges geschlossenes Gehäuse eingebaut werden kann. Der Regelkreis ist dabei schon optimal abgeglichen, ein weiteres Einstellen erübrigt sich.
Die Kennzeichen aus Anspruch 4 beschreiben einen geeigneten elektrodynamischen Wandler. Dieser Wandler ist im Prinzip wie ein Baßlautsprecher aufgebaut, also mit Korb, Membranaufhängung, Membran, Schwingspule, Magnet, Magnetkreis unf Luftspalt. Die Besonderheiten betreffen die Fläche der Membran und den möglichen Membranhub: Die Fläche der Membran ist relativ klein, der mögliche Membranhub ist groß. Beide Forderungen ergeben sich aus der Tatsache, daß der Wandler ein kleines Gasvolumen, V2 in Bild 1 bzw. V3 in Bild 2 , komprimieren oder dekomprimieren muß und entsprechende Kräfte aufbringen muß. Bei gleichem Hubvolumen wirkt auf eine kleine Membran eine entsprechend kleinere axiale Reaktionskraft als auf eine große, die Druckdifferenz zwischen dem Druck innerhalb der Kammer und demjenigen außerhalb der Kammer bleibt bei konstantem Hubvolumen und somit konstanter
Veränderung des Kammervolumenε auch konstant. Kleine Membranen und somit kleine Reaktionskräfte, die als Federkräfte wirken, halten die Resonanzfrequenz des Systems Wandler Kompressionskammer angenehm niedrig. Außerdem sinken die Anforderungen an die mechanische Festigkeit des Wandlers. Insgesamt ist- der Wandler auf Druckerzeugung optimiert, nicht auf Schallabstrahlung.
Die Vorrichtung gemäß den Kennzeichen aus Anspruch 6 bezweckt die direkte Messung der Differenz zwischen dem zu regelnden Innengasdruck und dem zeitlichen Mittelwert des Gasdruckes außerhalb des Lautsprechergehäuses. Das im Inneren der Meßkammer sich befindende Gasvolumen ist dazu über eine sehr kleine Öffnung mit dem die Kammer timgebenden Volvunen verbunden. Durch diese Öffnung findet ein Druckausgleich statt, dessen Zeitkonstante groß im Vergleich zu den Perioden der akustischen Druckschwankungen ist. Die Auεlenkungen der Membran und damit das erzeugte Signal sind der Druckdifferenz proportional. Das Signal kann ohne Zwischenschaltung eines Substrahiergliedes dem Regler zugeführt werden. Um Gleichanteile des Signals vom Regler abzuhalten, wird in den Signalweg noch ein Hochpaßfilter 1. Ordnung mit sehr niedriger Eckfreguenz eingefügt.
Beschreibung der Zeichnungen.
Die Bilder 1, 2 und 3 zeigen Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1, 2 und 3.
Bild 1 Das ϊnnenvolumen des Lautsprechergehäuses G ist durch eine gasdichte Trennwand T in 2 Volumina VI, V2 aufgeteilt. Den Außenlautsprecher LA treibt direkt das Eingangssignal e(t). Der innenliegende elektrodynamische Wandler TR ist in eine Regelschleife eingebunden, die aus dem Drucksensor P, dem Substrahierglied D, dem Regler R, dem Leistungsverstärker A und dem elektrodynamischer Wandler TR besteht. Dem Substrahierglied wird als Sollwert die zeitlich gemittelte Größe des Gasdruckes, der außerhalb des Gehäuses G herrscht, zugeführt. A invertierenden Eingang des Substrahiergliedes wird das dem
Gasdruck in VI proportionale Ausgangssignal des Sensors P angelegt.
Bild 2 Es werden im Schnittbild das Lautsprechergehäuse G , der äußere Lautsprecher LA, der innere elektrodynamischer Wandler TR mit seiner Membran M, die erste Trennwand Tl mit einem Durchbruch D, die zweite Trennwand T2, das erste Volumen VI, das mittlere Volumen V2, das letzte Volumen V3 , der Drucksensor P, der Regler R und der Verstärker A gezeigt.
Bild 3 Es werden im Schnittbild das Gehäuse G mit einem Durchbruch D, der umlaufende Falz F, die Trennwand T, der elektrodynamische Wandler TR mit seiner Membran M, das eine Volumen VI, das andere Volumen V2, der Drucksensor P, der Regler R und der Verstärker A gezeigt.