Anordnung zur akustischen Gegenkopplung von Lautsprechern

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur akustischen Gegenkopplung von Lautsprechern, mit zumindest einem Mikrophon 2, das eine dem vom Lautsprecher 1 erzeugten Schalldruck proportionale Spannung liefert, mit einem Mikrophonverstärker 3, mit einer Summierstelle 4, welche die verstärkte Mikrophonspannung gegenphasig zum Ansteuersignal des Lautsprechers 1 addiert, mit einem der Summierstelle 4 nachgeschalteten PI-Regler 5 sowie mit einem nachfolgenden Leistungsverstärker 6 zur Ansteuerung des Lautsprechers 1. Gemäss der Erfindung ist das Mikrophon 2 auf der Lautsprechermembran angebracht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur akustischen Gegenkopplung von Lautsprechern mit zumindest einem Mikrophon, das eine dem vom Lautsprecher erzeugten Schalldruck proportionale Spannung liefert, mit einem Mikrophonverstärker, mit einer Summierstelle, welche die verstärkte Mikrophonspannung gegenphasig zum Ansteuersignal des Lautsprechers addiert, mit einem der Summierstelle nachgeschalteten PI-Regler sowie mit einem nachfolgenden Leistungsverstärker zur Ansteuerung des Lautsprechers. Durch eine solche Gegenkopplung wird eine Verbesserung des Frequenzganges, des Klirrfaktors und der Impulstreue des Lautsprechers erzielt, was zu einer naturgetreuen Wiedergabe führt.

[0002] Es ist eine Lautsprecherschaltung mit akustischer Gegenkopplung bekannt, bei der das Gegenkopplungssignal mit einem Mikrophon aus dem Schallfeld vor dem Lautsprecher gewonnen wird, dieses Signal gegenphasig zum Ansteuersignal des Lautsprechers addiert und die Summenspannung über einen Verstärker dem Lautsprecher zugeführt wird (Deutsche Offenlegungsschrift 31 37 747). Das Mikrophon ist dabei im Abstand vor dem Lautsprecher angeordnet. Die sich daraus ergebende Laufzeit des Schalls vom Lautsprecher zum Mikrophon wirkt sich innerhalb des Regelkreises als stark frequenzproportionale, negative Phasendrehung aus. Dies führt schon bei relativ tiefen Frequenzen zu einer mangelhaften Stabilität des Regelkreises, was sich in einer Schwingungsneigung der Schaltung äußert. Diesem Problem wird durch gezielte Einstellung des Frequenzgangs des offenen Regelkreises zu begegnen versucht.

[0003] Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, ein stabiles Arbeiten eines Gegenkopplungskreises unter anderem dadurch zu erreichen, daß der maximale Abstand des Mikrophons von der Membran des Lautsprechers etwa ein Viertel der Wellenlänge der höchsten gegenzukoppelnden Frequenz beträgt und der minimale Abstand größer als die maximale Amplitude der Lautsprechermembran ist (Deutsche Offenlegungsschrift 21 41 141). Letztere Bedingung ist notwendig, um ein Anschlagen der Lautsprechermembran am Mikrophon zu verhindern. Insbesondere bei Verwendung moderner, langhubiger Tiefton-Lautsprechersysteme ergibt sich hieraus ein Mindestabstand zwischen Mikrophon und Lautsprechermembran im Zentimeterbereich.

[0004] Nachteilig bei den bekannten Verfahren zur akustischen Gegenkopplung von Lautsprechern ist, daß sich aus den unvermeidlichen Laufzeiten des Schalls vom Lautsprecher zum Mikrophon grundsätzlich eine mangelhafte Stabilität des Regelkreises ergibt, die nur noch schwer beherrschbar ist. Darüberhinaus ergeben sich durch den sich ständig verändernden Abstand zwischen Lautsprechermembran und Mikrophon zusätzliche Amplituden- und Intermodulationsverzerrungen. Da im Bereich vor der Lautsprechermembran starke Luftströmungen auftreten, nimmt das Mikrophon ferner unerwünschte Störgeräusche auf.

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur akustischen Gegenkopplung von Lautsprechern vorzuschlagen, die die erwähnten Nachteile nicht aufweist; insbesondere soll sich der Gegenkopplungskreis durch eine verbesserte Stabilität auszeichnen.

[0006] Bei der Lösung dieser Aufgabe wird von einer Anordnung zur akustischen Gegenkopplung von Lautsprechern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen und gelöst wird sie dadurch, daß das Mikrophon auf der Lautsprechermembran angebracht ist. Damit bewegt sich das Mikrophon mit der Lautsprechermembran mit; der effektive Abstand zwischen beiden wird praktisch auf Null reduziert. Die Laufzeit des Schalls zwischen Lautsprechermembran und Mikrophon ist vernachlässigbar, sodaß eine negative Auswirkung auf das Stabilitätsverhalten des Gegenkopplungskreises ausgeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet es somit erstmals, das Prinzip der akustischen Gegenkopplung mittels eines aus dem Schallfeld des Lautsprechers gewonnenen Signals einzusetzen, ohne damit gleichzeitig nur schwer beherrschbare Probleme hinsichtlich der Stabilität des Regelkreises in Kauf nehmen zu müssen. Amplituden- und Intermodulationsverzerrungen sind wegen der unveränderlichen Lage des Mikrophons auf der Lautsprechermembran ebenfalls ausgeschlossen. Da sich das Mikrophon nicht mehr im Bereich starker Luftströmungen befindet, nimmt es auch weniger Störgeräusche auf.

[0007] Zweckmäßigerweise ist das Mikrophon auf der Vorderseite der Lautsprechermembran angebracht. Hierdurch wird eine besonders gute Übereinstimmung zwischen abgestrahltem Schall und elektrischem Signal des Mikrophons, insbesondere bei geschlossenen Lautsprecherboxen, erzielt.

[0008] Zur Minimierung von Membran-Nahfeld-Interferenzen und störenden Einflüssen durch Partialschwingungen der Membranoberfläche ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung das Mikrophon im Bereich des Randes der Lautsprechermembran angebracht.

[0009] Wegen ihrer kleinen Abmessungen und ihres geringen Ge-3ewichtes bei gleichzeitig hervorragenden Übertragungseigenschaften finden vorteilhaft Elektret-Mikrophone zur Anbringung auf der Lautsprechermembran Verwendung.

[0010] Da ein Elektret-Mikrophon bei einer Bewegung senkrecht zu seiner Mikrophonmembran auch als Beschleunigungsaufnehmer wirkt, ist dessen Membran zweckmäßigerweise in der Bewegungsrichtung der Lautsprechermembran angebracht.

[0011] Vorteilhaft sind anstelle des einzelnen Mikrophons zwei gleichartige Mikrophone mechanisch antiparallel angeordnet, wobei deren Mikrophonspannungen-elektrisch addiert werden. Hierdurch wird eine weitgehende Kompensation von Körperschall erreicht.

[0012] In weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vor der Lautsprechermembran im Bereich des Mikrophons eine ortsfeste Platte angeordnet. Zum einen schattet diese Platte nicht vom Lautsprecher erzeugte Fremdgeräusche ab, zum anderen bewirkt sie infolge der Schallreflexionen an ihrer der Lautsprechermembran gegenüberliegenden Oberfläche eine Erhöhung des Schalldrucks im Bereich des Mikrophons; hierdurch wird das Verhältnis zwischen Stör- und Nutzsignal des Mikrophons wirksam verbessert.

[0013] Zweckmäßigerweise ist die ortsfeste Platte im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Lautsprechermembran angeordnet.

[0014] In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung deckt die feststehende Platte etwa ein Viertel der Fläche der Lautsprechermembran ab, und das Mikrophon befindet sich ungefähr in der Mitte dieser abgedeckten Fläche. Durch diese Dimensionierung wird bereits eine deutliche Verbesserung des Störabstandes des Mikrophons erzielt, ohne dabei die freie Schallabstrahlung des Lautsprechers zu sehr zu behindern.

[0015] Eine gute Wirkung der Platte ergibt sich bei einem Mindestabstand zwischen Platte und bewegter Lautsprechermembran von etwa 1 cm.

[0016] Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur akustischen Gegenkopplung von Lautsprechern, in einem Prinzipschaltbild,

Fig. 2 einen Lautsprecher mit einem auf der Lautsprechermembran angebrachtem Mikrophon sowie vorgesetzter Platte, in einer stark vereinfachten, teilweise aufgeschnittenen Seitenansicht,

Fig. 3 den Lautsprecher gemäß Figur 2, in einer Vorderansicht.

[0017] In Figur 1 ist das Prinzip der akustischen Gegenkopplung eines Lautsprechers 1 dargestellt. Im Schallfeld des Lautsprechers 1 befindet sich ein Mikrophon 2, das eine dem Schalldruck proportionale Spannung liefert. Nach Verstärkung. mittels eines Mikrophonverstärkers 3 wird diese Spannung in einer Summierstelle 4 gegenphasig zum Ansteuersignal des Lautsprechers 1 addiert. Der Summierstelle nachgeschaltet ist ein PI-Regler 5, der so eingestellt ist, daß er eine Anhebung der tiefen Frequenzen bewirkt, was zur Stabilität des Regelkreises beiträgt. Ein Leistungsverstärker 6 verstärkt das Ansteuersignal soweit, wie es zum Betrieb des Lautsprechers 1 erforderlich ist.

[0018] Wie Figur 2 beispielhaft verdeutlicht, ist das Mikrophon 2 direkt auf der Vorderseite der Lautsprechermembran 7 angebracht. Gezeigt ist hier eine Anordnung unter Verwendung eines kleinen Elektret-Mikrophones im Bereich des.Randes 8 der Lautsprechermembran 7, dessen Membran in Bewegungsrichtung 9 der Lautsprechermembran 7 angebracht ist. Die Befestigung des Mikrophons 2 auf der Oberfläche der Lautsprechermembran 7 geschieht im einfachsten Falle mittels Klebung; es können jedoch auch zusätzliche Befestigungsmittel verwendet werden.

[0019] Anstelle des einzelnen Mikrophons 2 können auch mehrere, vorzugsweise zwei Mikrophone angebracht werden, die entweder mechanisch antiparallel angeordnet oder deren Mikrophonmembranen entgegengesetzt elektrisch polarisiert sein können.

[0020] Durch die Anbringung des Mikrophons 2 unmittelbar auf der Lautsprechermembran 7 ist der wirksame Abstand zwischen beiden verschwindend gering, sodaß die Laufzeit des Schalls zwischen Lautsprechermembran 7 und Mikrophon 2 vernachlässigbar wird. Im Gegenkopplungskreis (vgl. Figur 1) tritt somit keine Totzeit auf, was eine gegenüber bisher bekannten Anordnungen entscheidende Verbesserung des Stabilitätsverhalten des Regelkreises bewirkt. Die Stabilität kann durch entsprechende Einstellung des PI-Reglers 5 noch zusätzlich erhöht werden, wobei es sinnvoll ist, die Frequenzanhebung zu sehr tiefen Frequenzen hin zu begrenzen (sogenannter Gegenhalt).

[0021] Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Bereich des Mikrophons 2 vor der Lautsprechermembran 7 eine ortsfeste Platte 10 senkrecht zur Bewegungsrichtung 9 angeordnet. In Figur 3 ist die von der Platte 10 abgedeckte Fläche 11 der Lautsprechermembran 7 mit Strichlinien eingezeichnet. Die Fläche 11 beträgt etwa ein Viertel der Gesamtfläche der Lautsprechermembran 7. Das Mikrophon 2 befindet sich ungefähr in der Mitte der Fläche 11. Der Abstand der Platte 10 vom Rand 8 der Lautsprechermembran 7 beträgt bei deren maximaler Auslenkung ungefähr 1 cm. Wie oben bereits erläutert, ergibt sich durch die Platte 10 ein verbesserter Störabstand des vom Mikrophon 2 aufgenommenen Schallsignals.

Zusammenstellung der verwendeten Bezugsziffern

[0022] 

1 Lautsprecher

2 Mikrophon

3 Mikrophonverstärker

4 Summierstelle

5 PI-Regler

6 Leistungsverstärker

7 Lautsprechermembran (von 1)

8 Rand (von 7)

9 Bewegungsrichtung (von 7)

10 Platte

11 Fläche (auf 7)

Ansprüche

1. Anordnung zur akustischen Gegenkopplung von Lautsprechern mit zumindest einem Mikrophon, das eine dem vom Lautsprecher erzeugten Schalldruck proportionale Spannung liefert, mit einem Mikrophonverstärker, mit einer Summierstelle, welche die verstärkte Mikrophonspannung gegenphasig zum Ansteuersignal des Lautsprechers addiert, mit einem der Summierstelle nachgeschalteten PI-Regler sowie mit einem nachfolgenden Leistungsverstärker zur Ansteuerung des Lautsprechers, dadurch gekennzeichnet , daß das Mikrophon (2) auf der Lautsprechermembran (7) angebracht ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Mikrophon (2) auf der Vorderseite der Lautsprechermembran (7) angebracht ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Mikrophon (2) im Bereich des Randes (8) der Lautsprechermembran (7) angebracht ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß als Mikrophon (2) ein Elektret-Mikrophon Verwendung findet.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran des Mikrophons (2) in der Bewegungsrichtung (9) der Lautsprechermembran (7) angebracht ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites, gleichartiges,mechanisch antiparallel angeordnetes Mikrophon vorgesehen ist und die Mikrophonspannungen beider Mikrophone elektrisch addiert werden.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da - durch gekennzeichnet , daß vor der Lautsprechermembran (7) im Bereich des Mikrophons (2) eine ortsfeste Platte (10) angeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Platte (10) im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung (9) der Lautsprechermembran (7) angeordnet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (10) nahezu ein Viertel der Fläche der Lautsprechermembran (7) abdeckt, und das Mikrophon (2) im Bereich der Mitte dieser abgedeckten Fläche (11) vorgesehen ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da - durch gekennzeichnet , daß der Mindestabstand der Platte (10) von der maximalen Auslenkung der Lautsprechermembran (7) 1 cm beträgt.

Zeichnung