[0001] Besonders im Bereich der Grundresonanz des dynamischen Lautsprechers und tiefer Gehäuseresonanzen
folgt die Lautsprechermembran nicht genau der angelegten Signalspannung, weil die
mehr oder weniger fest an die Membran angekoppelten mechanischen Schwingkreise bei
impulsartiger Anregung zu Eigenschwingungen neigen, die selbst dann noch stören, wenn
sie infolge von Dämpfung erheblich kleiner als das eigentliche Signal sind. Außerdem
hat die massebehaftete Lautsprechermembran Schwierigkeiten, z.B. impulsförmigen Signalspannungen
zu folgen. Die Durchsichtigkeit der Wiedergabe hängt aber zumindest im Mitteltonbereich
(200 Hz bis 1 kHz) ganz wesentlich vom richtigen Phasenverhalten ab, d.h. ein Lautsprecher
sollte in der Lage sein, in diesem Frequenzbereich rechteckförmige Schalldruckverläufe
einigermaßen richtig wiedergeben zu können. Dies bedeutet, daß die Lautsprecher des
Tief- und Mitteltonteils zur Vermeidung von Laufzeit unterschieden engbenachbart eingebaut
werden müssen, was im allgemeinen zu kleinen Lautsprechergehäusen führt. Wegen der
erforderlichen Volumenschnelle des Tieftonlautsprechers wird daher die Kontrolle der
Membranbewegung noch dringlicher.
[0002] Es sind in letzter Zeit Schaltungen (Fig. 1: 1 Addierer, 2 Endverstärker, 3 Lautsprecher,
4 Rückmeldeverstärker) zur Rückkopplung einer Bewegungsgröße (z.B. der Schnelle) /1/
bekannt geworden, bei denen zur Abtastung der Membranbewegung zusätzlich ein spezieller
Wandler (z.B. Beschleunigungsaufnehmer) verwendet wurde. Dies hat den Nachteil, daß
der Lautsprecher durch eine' zusätzliche Wandlermasse zunächst verschlechtert wird,
und kein serienmäßiges Lautsprechersystem verwendet werden kann. Naheliegend ist daher,
die Bewegungsspannung des Lautsprechers zur Rückkopplung selbst zu verwenden. Dies
bedingt, daß die Lautsprecherklemmenspannung von den Anteilen, die von der Signalspannung
herrühren, befreit werden muß. Seit geraumer Zeit ist vorgeschlagen worden /2/, zur
Auskopplung der
Bewegungsspannung eine Brückenschaltung zu verwenden, die im wesentlichen aus den Impedanzen
des bewegten und fest gebremsten Lautsprechers besteht. Diese Schaltung hat - so bestechend
einfach sie auf den ersten Blick aussieht - den Nachteil, daß auf grund der.Niederohmigkeit
ihre Verlustleistung relativ hoch ist, und sich deshalb die Genauigkeit der Nachbildung
bei hoher Belastung verschlechtert, weil sich das festgebremste System thermisch anders
verhält. Andererseits aber ist die richtige Phasenlage der Rückemeldespannung Voraussetzung
für ein stabiles Verhalten bei den'erforderlichen Gegenkopplungsgraden. Hier bereitet
die Brückenschaltung Schwierigkeiten, weshalb sie bislang kaum Anwendung fand.
[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Netzwerk für die Nachbildung
des fest gebremsten Lautsprechers zu entwickeln, das lediglich aus Kondensatoren und
Widerständen besteht und bis in den Frequenzbereich von ca. 50 kHz die notwendige
Genauigkeit besitzt. In Abweichung von der üblichen Technik wird der Lautsprecher
in dieser Schaltung (Fig. 2: 1 Addierer, 2 spannungsgesteuerte Stromquelle mit Endverstärker,
3 Lautsprecher, 4 Netzwerke zur Nachbildung des Spannungsabfalles an der Impendanz
des fest gebremsten Lautsprechers, 5 Rückmeldeverstärker) mit eingeprägtem Strom -
d.h. an einem Endverstärker mit sehr hohem Innenwiderstand - betrieben, um einerseits
die Rückwirkung der Schwingspulenverzerrungen /3/ auf den Strom gering zu halten und
andererseits bei Zeitmultiplexbetrieb - wie später erläutert - die induzierte Bewegungsspannung
unbelastet abgreifen zu können. Eine Spannung, dem dem vom Lautsprecher aufgenommenen
Strom I
L proportional ist, wird über das Nachbildungsnetzwerk A' fgeführt und von der separat
abgegriffenen Lautsprecherklemmenspannung U
L subtrahiert (Fig. 2, Fig. 3a). Man erhält so auf recht einfache Weise die "innere"
Induktionss
pannung UM der bewegten Membran, die auf andere Weise nicht zu messen ist. Aufbau und Dimensionierung
des Nachbildungsnetzwerkes ergibt sich aus folgenden Überlegungen.
[0004] Fig. 4a zeigt die typische Ortskurve eines festgebremsten Lautsprechers. Ihr charakteristischer
Verlauf ist im wesentlichen auf die Existens von Wirbelströmen im leitenden Kern-
und Magnetmaterial bei wechselstromdurchflossener Spule zurückzuführen.
[0005] Gemäß der Lenzschen Regel schwächen sie das Originalfeld zunehmend mit wachsender
Frequenz, wobei die elektrische Energie zusammen mit den Hystereseverlusten im leitenden
Material in Wärmeenergie umgesetzt wird /3/. Dieser Sachverhalt kann in einem Ersatzschaltbild
nach Fig. 4b dargestellt werden.
[0006] Für tiefe Frequenzen sind R
K und L
K frequenzunabhängig. Bei hohen Frequenzen wird sich aufgrund der Feldverdrängung (Skineffekt)
für jede Frequenz f eine andere räumliche Feldverteilung einstellen. Die Flußverkettung
mit dem Originalfeld und demzufolge L
K und R
K werden frequenzabhängig.
[0007] Die Impedanz Z
K läßt sich mit hinreichender Genauigkeit durch ein Netzwerk nach Fig. 4c beschreiben.
Für die bisher benutzten Lautsprecher genügten 3 bis 5 Kettenglieder. Dieses Ersatzschaltbild
berücksichtigt selbstverständlich keine Nichtlinearitäten. Dazu gehören vor allem
Feldverzerrungen bei großer Aussteuerung durch die Hysterese, die Abhängigkeit von
der jeweiligen Lage der Schwingspule durch inhomogenen Feldverlauf und Temperatureinfluß.
[0008] Die einzelnen Elemente der Nachbildung lassen sich mit geringem mathematischen Aufwand
und guter Genauigkeit durch die Antwort des Systems auf ein definieres "Testsignal"
bestimmen. Dazu eignet sich z.B. ein Stromsprung, zur Zeit t = 0, wobei die abfallende
Spannung als Antwort gemessen wird. Aus meßtechnischen Gründen ist es jedoch günstiger,
anstelle des einmaligen Sprungs eine Folge von Rechtecksignalen zu verwenden. Die
halbe Periodendauer muß dabei so groß gewählt werden, daß die Antwort des Systems
in dieser Zeit auf einen vernachlässigbaren Endwert abklingt (Fig. 5a, 5b, 5c). Teilt
man nun die Spannungsantwort U
K(t) in n-Zeitbereiche (n ≙ Anzahl der gewünschten Kettenglieder) mit jeweils 2 Stützwerten
auf, so läßt sich die Impedanz Z
K durch ein zulässiges Näherungsverfahren einfach berechnen /4/.
[0009] Der Einsatz von Spulen bei der Nachbildung der Impedanz Z bringt Nachteile mit sich
weil technische Spulen keine reinen Induktivitäten darstellen. Sie beinhalten bereits
Verlustwiderstände, die die Nachbildung besonders bei hohen Frequenzen beträchtlich
erschweren.
[0010] Aus Gründen der schnellen praktischen Realisierbarkeit bei fast idealem Frequenzverhalten
und hoher Genauigkeit ist es deshalb besser, Kondensatoren an ihrer Stelle zu verwenden.
Prinzipiell ist dies auch in einer Brückenschaltung möglich, wenn man bzw. einen Gyrator
benutzt. Die in vieler Hinsicht günstigere Methode wurde bereits in Fig. 2 vorgestellt.
Dazu wird ein System A'
f benötigt, das auf die Eingangsspannung U
1 = I
L · R mit der Ausgangsspannung U'
f = I
L - Z'
f antwortet. R ist dabei der Widerstand, über den der Lautsprecherstrom gemessen wird.
[0011] Da anstelle der Spulen die Verwendung von Kondensatoren gewünscht ist setzt man eine
Dualitätsbeziehung an.


[0012] Für Z
Cf ergibt sich eine Kettenschaltung nach Fig. 4d.
[0013] Die Ersatzgrößen berechnen sich zu:

[0014] Ein Anwendungsbeispiel für einen 13 cm TT ist Fig. 6 zu entnehmen.
[0015] Die in der Schwingspule induzierte Bewegungsspannung UM (Fig. 3a) beinhaltet außer
den verzerrungsbedingten Abweichungen vor allem den Anteil, der durch das mechanische
Resonanzsystem (Membran nebst Schwingspule, Aufhängung) und angekoppeltem Gehäuse
bestimmt wird (Fig. 3b). Dies läßt sich durch einen elektrischen Schwingkreis mit
konstantem Verlustwiderstand angeben, solange die frequenzabhängigen Verluste durch
Abstrahlung im Bereich der ; Grundresonanz vernachlässigt werden können. Wenn man
daher nur das grundsetzliche Verhalten eines Lautsprechers korrigieren will, bei dem
der Einfluß des linearen Masse-Federsystems über die Nichtlinearitäten bei weitem
dominiert, genügt es, diesen Anteil durch ein Netzwerk AM (Fig. 7a: 1 Addierer, 2
spannungstesteuerte Stromquelle mit Endverstärker, 3 Lautsprecher, 4 Netzwerk zur
Nachbildung des linearen Anteils der Bewegungsspannung, Rückmeldeverstärker) gleicher
Güte und Resonanzfrequenz (Fig. 7b) nachzubilden. Falls die Strahlungsimpedanz Z
s eine Rolle spielt, kann sie gemäß Fig. 7c berücksichtigt werden. Darüber hinaus bringt
die elektrische Kompensation des für die Stromeinprägung notwendigen Widerstandes
R eine zusätzliche Verbesserung der Wiedergabequalität (Fig. 8). Diese Methode ist
besonders für Lautsprecher im Mittel-und Hochtonbereich geeignet, die an sich schon
ein gutes Klirrfaktorverhalten zeigen, und bei denen das System den Einflüssen des
Lautsprechergehäuses durch Abkapselung entzogen ist. Ein Anwendungsbeispiel für eine
Mitteltonkalotte zeigt Fig. 8.
[0016] Eine weitere Möglichkeit, die Bewegungsspannung zu gewinnen besteht darin, den Lautsprecher
ein Zeitmultiplex sowohl als Sender wie auch als Empfänger zu betreiben /5/. Die Grundidee
des Verfahrens besteht darin, daß die Klemmenspannung U
L getastet an den Lautsprecher angelegt wird. Die Tastfrequenz muß außerhalb des Hörbereichs
liegen, z.B. 38 kHz. Das Prinzip sei zunächst an einer Spannungsquelle mit rein ohmschem
Innenwiderstand erläutert (Fig. 9: 1 lineare Torschaltung, 2 Endverstärker, 3 Spannungsquelle
mit ohmschem Widerstand, 4 Tiefpaß).
[0017] In der Abschaltphase kann dann die innere Induktionsspannung über einen kleinen Meßwiderstand
stromproportional abgetastet werden (Fig. 10a). Da die Impedanz des festgebremsten
Lautsprechers jedoch Induktivitäten enthält (Fig. 4c), ergibt sich infolge der gespeicherten
induktiven Energie nach Abschalten der Klemmenspannung eine zeitvergrößert abklingende
Störspannung, durch dessen Wirkung die Messung der Bewegungsspannung gestört wird
(Fig. 10b). Im Prinzip bewirkt die gespeicherte Blindenergie eine Verminderung der
Ubersprechdämpfung zwischen dem "Sende- und Empfangskanal". Eine Möglichkeit, das
"Ubersprechen" zu verbessern, besteht darin, während der Abschaltphase den AbtastZeitpunkt
so zu wählen, daß der störungsärmste Wert der Bewegungsspannung erfaßt wird (Fig.
10b). Diese wird dann durch ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter regeneriert. Eine weitere
Möglichkeit besteht darin, Maßnahmen zu ergreifen, durch die, trotz der Induktivitäten,
der Sendestrom durch "Gegensteuern" möglichst schnell auf den Wert "Null" abfällt.
Dies läßt sich z.B. durch ein Differenzierglied erreichen, das dem Endverstärker vorgeschaltet
wird. Besser ist es jedoch, den Lautsprecherstrom mit Hilfe einer spannungsgesteuerten
Stromquelle direkt einzuprägen. Dadurch wird zusätzlich erreicht, daß sich die Membran
während der Meßphase aufgrund des hohen Innenwiderstandes der Stromquelle elektrisch
ungedämpft weiterbewegen kann. Der Vorteil der Zeitmultiplexmethode besteht darin,
daß sie sich mit der Methode der Nachbildung der festgebremsten Impedanz kombinieren
läßt. Ein ausführliches Blockschaltbild, bei dem auf Fig. 2 zurückgegriffen wurde,
zeigt Fig. 11: 1 Addierer, 2 lineare Torschaltung, 3 spannungsgesteuerte Stromquelle
mit Endverstärker, 4 Lautsprecher, 5 Nachbildungsnetzwerk, 6 idealer Abtaster, 7 Tiefpaß,
8 Rückmeldeverstärker.
[0018] Versuche mit bewegungskontrollierten Lautsprechersystemen, sowohl nach der Zeitmultiplexmethode
/5/ als auch mit den Methoden nach Fig. 2 und Fig. 7a zeigten, daß die Lautsprechersysteme
bei rechteckförmiger Anregung in der Lage waren, rechteckförmige Schalldruckverläufe
zu erzeugen. Eine Gegenkopplung im Bereich der Grundresonanz von ca. 14 dB erwieß
sich als gut. Dabei sei erwähnt, daß mit den Methoden nach Fig. 2 und 7a stabiler
Betrieb bei Gegenkopplungsgraden im Bereich von 40 dB möglich war. Die Methode nach
Fig. 2 zeigte, daß ein Tieftonlautsprecher in einem 51-Gehäuse ausgezeichnet linearisiert
wird. Selbst bei Schalldrucken von ca. 90 dB (1,2m Entfernung im schalltoten Raum,
f=100 Hz) wurden die Signale klar und frei von Eigenschwingungen der Grundresonanz
wiedergegeben. Mit der Methode nach Fig. 7a konnte die Wiedergabequalität einer Mitteltonkalotte
bezüglich des Ubertragungs- und dynamischen Verhaltens erheblich verbessert werden.
[0019] Die günstigen Resultate bezüglich der Wiedergabe rechteckförmiger Schalldruckverläufe
können bei Lautsprecherboxen mit mehreren Frequenzbereichen naturgemäß nur dann erzielt
werden, wenn kleine Lautsprechersysteme verwendet und eng benachbart im kleinen Gehäuse
angeordnet werden, um ein für alle Frequenzen einheitliches akustisches Zentrum zu
wahren. Bezüglich des Tieftonlautsprechers kann aber in diesem Fall nur durch Bewegungsgegenkopplung
ein befriedigendes Verhalten erzielt werden. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 12a.
Es handelt sich um ein 51-Gehäuse, bei dem das Tieftonsystem in der Gehäuseoberseite
angeordnet ist, so daß bei Montage auf der Wand die Spiegelschallquelle mit ausgenutzt
wird. Dies bedeutet eine Verdopplung des wirksamen Schalldrucks, wenn der Tieftonlautsprecher
einen Abstand von 2d<λ/4 zur Wand hat. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 12b mit
d=6 cm und einer max. Betriebsfrequenz von ca. 450 Hz ist diese Forderung hinreichend
erfüllt.
Literatur
[0020]
/1/ Philips Technik-Praxis; Technik der Lautsprecherbox, 545 Studio MFB-Philips Kontakte
Heft 39/1976
/2/ wird noch gereicht
/3/ Feldtkeller, R.: Spulen und Übertrager mit Eisenblechkernen, Teil 1, S. Hirzel-Verlag,
Stuttgart 1949
/4/ Scherer, P., Dick, B.: Motional Feedback on Dynamic Loudspeaker-Systems, AES-Veröffentlichung
voraussichtlich August 1983
/5/ Scherer, P.: Bewegungsgegenkopplung eines dynamischen Lautsprechers im Zeitmultiplex,
ICA-Vortrag, Paris, 20. Juli 1983
1.) Einrichtung zur Gewinnung der Bewegungsspannung eines dynamischen Lautsprechers
aus der Nachbildung seiner Impedanz, dadurch gekennzeichnet, daß das wiederzugebende
elektrische Signal zur Verminderung der Verzerrung und zur Vermeidung unnötiger Belastung
der Bewegungsspannung dem Lautsprecher als eingeprägter Strom zugeführt wird, daß
mit Hilfe eines Netzwerkes, bestehend aus Kondensatoren, Widerständen und Operationsverstärkern,
welches mit hoher Genauigkeit den Spannungsabfall an der Impedanz des festgebremsten
Lautsprechers bis zu Frequenzen von ca. 50 kHz zur Gewährleistung einer sicheren Stabilität
nachbildet, und nachfolgendem Addieren, dem eine dem Lautsprecher proportionale Spannung
sowie die Lautsprechexklemmenspannung zugeführt wird, die Bewegungsspannung des Lautsprechers
gewonnen und bezüglich der Signalspannung gegengekoppelt wird.
2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Teil der
Bewegungsspannung, der durch das Feder-Massesystem der mechanischen Seite bestimmt
wird, durch ein Netzwerk gleicher Resonanzfrequenz und Güte nachgebildet wird, dem
eine dem Lautspecherstrom proportionale Spannung zugeführt wird, an dessen Ausgang
eine Spannung zur Verfügung steht, die bezüglich der Signalspannung gegengekoppelt
werden kann, wobei es zusätzlich erforderlich ist, den zur Stromeinprägung notwendigen
Widerstand durch Strommitkopplung zu kompensieren.
3.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Lautsprecher
eingeprägte Signalstrom mit einer Frequenz oberhalb des Hörbereiches getastet wird,
und in den Abschaltphasen zu geeigneten Zeitpunkten die Bewegungsspannung an den Lautsprecherklemmen
abgetastet und durch einen nachgeschalteten Tiefpaß regeneriert wird, wobei durch
ein Nachbildungsnetzwerk zusätzlich dafür gesorgt wird, daß die durch die Impedanz
des festgebremsten Lautsprechers bewirkte Störspannung eleminiert wird.
4.) Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Gegenkopplung
kleine Tief- und Mitteltonlautsprecher verwendet werden können, um ein kleines akustisches
Zentrum zu erhalten, durch das die Abstrahlung rechteckförmiger Schalldruckverläufe
nach allen Seiten bis zu Frequenzen von ca. 3 kHz möglich wird, durch Anordnung des
Tieftonlautsprechers an der Stirnseite dafür gesorgt wird, daß die Spiegelschaltquelle
des Tieftonlautsprechers bei Wandmontage des Gehäuses zur Abstrahlung mitverwendet
wird.