METHOD AND APPARATUS FOR NEGATIVE FEEDBACK OF MOVEMENT INDUCED VOLTAGE IN A LOUDSPEAKER

Abstract: 1. Method for negative feedback of movement induced voltage of a moving-coil loudspeaker with respect to the signal voltage with the aid of a network, in which the movement induced voltage is obtained by subtraction between the loudspeaker terminal voltage and an offset voltage, characterized in that the electric signal to be reproduced is supplied to the loudspeaker (3) as an impressed current, that the input of a network (4, A'F , A'M ) comprising capacitors (CK1 etc.) resistors (R02 etc.) and operators and simulating at its output the voltage drop at the impedance of the firmly braked loudspeaker (3) is supplied with a voltage proportional to the impressed current and the output voltage of the network (4, A'F , A'M ) is used as the offset voltage for subtraction purposes.

Description: Kontrolle der Menbranbeweoung des dynamischen Lautsprechers durch ein verbessertes Netzwerk zur Nachbildung seiner Einqanqsimpedanz 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. Fmpulsf#rmigen Signalspannungen zu folgen. Die Durchsichtigkeit der Wiedergabe hängt aber zumindest in Mitteltonbereich (200 Ez bis 1 kHz) ganz wesentlich vom richtigen Phasenverhalten ab, d.h. ein Lautsprecher sollte in der Lage sein, in diesem Fre- quenzbereich rechteckförmige Schalldruckverlaufe einigermassen richtig wiedergeben zu können. Dies bedeutet, dass die Lautsprecher des Tief- und Mitteltonteils zur Vermeidung von Laufzeit unterschieden engbenachrc eingebaut werden müssen, was im allgemeinen zu kleinen Lautsprechergehäusen führt. Wegen der erforderlichen Volumenschnelle des Tieftonlautsprechers wird daher die Kontrolle der Membranbewegung noch dringlicher. Es sind in letzter Zeit Schaltungen (Fig. 1: 1 Addierer, 2 Endverstärker, 3 Lautsprecher, 4 Rückmeldeverstärker) zur Rück- kopplung einer Bewegungsgrösse (z.B. der Schnelle) /1/ bekannt geworden, bei denen zur Abtastung der Merbranbewegung 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 serienmSsslges Lautsprechersystem verwendet werden kann. Naheliegend ist daher, die Bewegungsspannung des Lautsprechers zur Rnckkopplung selbst zu verwenden. Dies bedingt, dass die Laut sprecherklemnenspannung von den Anteilen, die von der¯Signalspan- nung herrtihren, befreit werden muss. Seit geraumer Zeit ist vorgeschlagen worden /2/, zur Auskopplung der Bewegungsspannung eine Brückenschaltung zu verwenden, die im wesentlichen aus den Impe- danzen 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. 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 IL proportional ist, wird über das Nachbildungsnetzwerk A'#efünr;t und von der separat abgegriffenen Lautsprecherklemmenspannung Ut subtrahiert (Fig. 2, Fig. 3a). Man erhält so auf recht einfache Weise die "innere" Induktionsspannung UM der bewegten Membran, die M der bewegten Membran, dLe auf andere Weise nicht zu messen ist. Aufbau und Dimensionierung des Nachbildungsnetzwerkes ergibt sich aus folgenden Uberlegungen. Fig. 4a zeigt die typische Ortskurve eines festgebremsten Lautsprechers. Ihr charakteristischer Verlauf ist im wesentlichen auf die Existenz von Wirbelströmen im leitenden Kern- und Magnetmaterial bei wechselstromdurchflossener Spule zurückzuführen. 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. Für tiefe Frequenzen sind RK und LK frequenzunabhängig. Bei hohen Frequenzen wird sich aufgrund der Feldverdrängung (Skineffekt) für jede Frequenz f eine andere räumliche Feldverteilung einstellen. Die Flussverkettung mit dem Original feld und demzufolge LK und# werden frequenzabhängig. Die Impedanz Z,Klässt 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. 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 UK(t) in n-Zeitbereiche (n 2 Anzahl der gewünschten Kettenglieder) mit jeweils 2 Stützwerten auf, so lässt sich die Impedanz ZK durch ein zulässiges Näherungsverfahren einfach berechnen /4/. Der Einsatz von Spulen bei der Nachbildung der Impedanz Z bringt f Nachteile mit sich weil technische Spulen keine reinen Induktivitäten darstellen. Sie beinhalten bereits Verlustwiderstände, die die Nachbildung besonders bei hohen Frequenzen beträchtlich erschweren. 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 Af benötigt, das auf die Eingangsspannung Ur 1 =1L R mit der Aus- gangsspannung Uf = 1L Zf antwortet. R ist dabei der Widerstand, über den der Lautsprecherstrom gemessen wird. Da anstelle der Spulen die Verwendung von Kondensatoren gewünscht ist setzt man eine Dualitätsbeziehung an. EMI4.1 Für ZCf ergibt sich eine Kettenschaltung nach Fig. 4d. Die Ersatzgrössen berechnen sich zu: EMI4.2 Ein Anwendungsbeispiel für einen 13 cm TT ist Fig. 6 zu entnehmen. 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 4 (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 ZS 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 Mittelund Hochtonbereich geeignet, die an sich schon ein gutes Klirrfaktorverhalten zeigen, und bei denen das System den Einflüssen des Lzutsprechergehäuses durch Abkapselung entzogen ist. Ein Anwendungsbeispiel für eine Mitteltonkalotte zeigt Fig. 8. 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 UL 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). In der Abschaltphase kann dann die innere Induktionsspannung über einen kleinen Messwiderstand stromproportional abgetastet werden (Fig. 1Oa). 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 Übersprechdämpfung zwischen dem "Sende- und Empfangskanal". Eine Möglichkeit, das ¯Übersprechen" zu verbessern, besteht darin, während der Abschaltphase den Abtast zeitpunkt 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. 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 Übertragungs- und dynamischen Verhaltens erheblich verbessert werden. 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 < #/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 /1/ Philips Technik-Praxis; Technik der Lautsprecherbox, 545 Studio MFB-Philips Kontakte Heft 39/1976 /2/ wird noch gereicht /3/ Feldtkeller, R.: Spulen und Ubertrager mit Eisenblech kernen, 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

Claims: Patentansprilche 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 Lautsprechelklemmenspannung 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 Stromeinprä- gung notwendigen Widerstand durch Strommitkopplung zu kom pens ieren. 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 bewirk te 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.

Inventors: DICK, BURKHARD, Erbengemeinschaft Dr. Paul Scherer
Applicants: DICK, BURKHARD, SCHERER, PAUL, DR.
Application year: 1984
Main classification: H04R3
IPC codes: H04R3