DE2617888A1

DE2617888A1 - Eingangsfiltergeraet fuer eine lautsprecheranlage

Info

Publication number: DE2617888A1
Application number: DE2617888A
Authority: DE
Inventors: Paul Franklin Steel
Original assignee: Teledyne Ltd
Current assignee: Teledyne Ltd
Priority date: 1975-04-24
Filing date: 1976-04-23
Publication date: 1976-11-04
Also published as: JPS51130215A; GB1542264A; US4113983A

Description

Dipl.-Phys.

Patentanwalt

8035 Gauting

JHubertusstr. 83 Wi

23. April 1976

Meine Akte: t 51-j,DT

TELEDYKE LIMITED, trading as ACOUSTIC RESEARCH INTERNATIONAL, High Street, Houghton Regis, Dunstable, Bedfordshire,England

Eingangsfiltergerät für eine Lautsprecheranlage

Die Erfindung bezieht sich auf Lautsprecheranlagen und im "besonderen auf Eingangsfiltergeräte für Lautsprecheranlagen.

Das Ansprechverhalten eines Lautsprechers ist nur im wesentlichen linear, wenn die Bewegungsamplitude, d,h.

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die Bahnstrecke der Lautsprechermembran oder des Lautsprecherkonus innerhalb einer bestimmten Bereichscharakteristik dieses Lautsprechers liegt, der hier als der lineare Arbeitsbereich des Lautsprechers bezeichnet wird_o Wenn der Lautsprecher so betrieben wird, daß die Bewegungsamplitude des Konus oder der Membran den linearen Arbeitsbereich überschreitet, ergibt sich Verzerrung des Ausgangs ) (als Klemmen ("bottoming") bekannt), was für den Zuhörer sehr störend ist.

Es ist bekannt, daß die Bewegungsamplitude einer Lautsprechermembran oder eines Lautsprecherkonus für einen gegebenen Ausgang in umgekehrtem Verhältnis zu der Frequenz des Ausgangs steht. Infolgedessen wird das "Klemmen" sehr wahrscheinlich durch Signalkomponenten niedriger Frequenz verursacht.

Praktisch wird das Auftreten des Klemmens in dem Lautsprecher in gewissem Maß durch das natürliche Abrollen der tiefen Töne des Lautsprechers vermindert. Dies hat die Wirkung, daß die Bewegungsamplitude des Konus bei niedrigen Frequenzen gedämpft wird. Eine weitere Verminderung kann durch Verwendung eines Hochpaßfilters in dem Eingangskanal zu dem Lautsprecher erreicht werden, um Komponenten niedriger Frequenz des Eingangssignals zu dem Lautsprecher zu dämpfen. Jedoch ist es zur Schaffung hoher Wiedergabe-

treue, beispielsweise von Musik, wünschenswert, die Einführung einer dauernden Dämpfung von Komponenten niedriger ■Tonfrequenz zu vermeiden. Tatsächlich ist es oft erwünscht, die Wirkung des Abrollens tiefer Töne des Lautsprechers beim Dämpfen dieser Komponenten zu beseitigen, beispielsweise durch Verwenden einer Ausgleichs- oder Entzerrungsschaltung in dem Eingangskanal des Lautsprechers. Die Verwendung einer solchen Entzerrungsschaltung oder anderer Vorrichtungen zur Erweiterung der Tieftonwiedergabe einer Lautsprecheranlage erschwert das Problem des Klemmens_o

Das Eingangsfiltergerät nach der Erfindung umfaßt ein Filter zum Filtern des an den Lautsprecher gelieferten Tonsignals und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Filter regelbar ist und daß eine Steuerschaltung vorgesehen ist, um die Frequenzgangcharakteristik des Filters ansprechend auf ein Bewegungssignal, das auf die Bewegung, des Lautsprecherkonus oder der Lautsprechermembran bezogen ist, zu ändern, wodurch die Amplitude dieser Bewegung begrenzt wird.

Das Filter ist vorzugsweise ein Hochpaßfilter, und die Steuerschaltung liefert eine Spannung oder einen Strom zum Steuern der Break- oder Knickpunktfrequenz des Filters.

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Oas Bewegungssignal wird vorzugsweise als eine Funktion des Signals abgeleitet, das an den Lautsprecher oder an die Entzerrungsschaltung für den Lautsprecher geliefert wird. Wenn das an den Lautsprecher oder die Entzerrungsschaltung gelieferte Signal eine solche Amplitude und Frequenz hat, daß es zur Erzeugung übermäßiger Bewegung des Lautsprecherkonus neigt, spricht die Steuervorrichtung auf das entsprechende Bewegungssignal so an, daß sich die Knickpunktfrequenz verhältnismäßig schnell vergrößert.

Wenn das Signal so ist, daß es Bewegung des Konus innerhalb des linearen Arbeitsbereichs des Lautsprechers erzeugt, spricht die Steuervorrichtung auf das entsprechende Bewegungssignal so an, daß die Knickpunktfrequenz des Filters relativ langsam vermindert wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen ersichtlich, die lediglich als Beispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Lautsprecheranlage mit einem Eingangsfiltergerät nach der Erfindung;

Fig. 2, 3» 4- und 5 vereinfachte Schaltbilder von Schaltungen, die zum Ausfüllen der Blöcke der Fig. 1 geeignet sind;

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_ 5 —

Fig. 6 ein Diagramm, das die Änderung der Spitzeneingangsspannung mit der Frequenz eines speziellen Lautsprechers veranschaulicht, der an der Grenze seines linearen Arbeitsbereiches betrieben wird;

Fig. 7 ein Diagramm, das den gewünschten Frequenzgang einer Entzerrungsschaltung für den Lautsprecher veranschaulicht, auf den sich Fig. 6 bezieht;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer praktischen Ausführungsform der Erfindung;

Fig, 9 ein Schaltbild eines Teiles der Ausführungsform nach Fig. 8; und

Fig. 10 ein Diagramm, das verschiedene Frequenzgangkurven der Eingangsstufen der Ausführungsform der Fig_e8 veranschaulicht„

Eine Liste der in der Zeichnung und in der folgenden Beschreibung verwendeten Symbole ist am Ende der Beschreibung gegeben.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Lautsprecheranlage, die ein vereinfachtes Eingangsfiltergerät nach der Erfindung aufweist. Die Anlage umfaßt ein regel-

bares Filter 11, eine Tiefton-Ausgleichs- oder Entzerrungsschaltung 13» eine Bewegungssignal-Ableitschaltung 15? eine Filtersteuerschaltung 17 und einen Lautsprecher 20, wobei das Toneingangssignal an die Anlage auf der Leitung 20 geliefert wird.

Der Weg oder die Bewegung eines Lautsprecherkonus ist dem Quadrat der Frequenz für einen konstanten Schalldruckausgang umgekehrt proportional. Die Tiefton-Entzerrungsschaltung 13 ist so angeordnet, daß der Ausgangsschalldruck von dem Lautsprecher 19 dem Eingang an die Entzerrungsschaltung auf der Leitung 22 proportional ist, wobei die Ansprechkurve der Schaltung die Form

Die Bewegungssignal-Ableitschaltung 15 weist ein lineares Netzwerk mit einer Frequenzcharakteristik auf, die dem Quadrat der Frequenz umgekehrt proportional ist, und spricht somit auf das Signal auf der Leitung 22 an, um ein Bewegungssignal auf der Leitung 21 zu liefern, das dem Konusbewegungsweg direkt proportional ist« Der Verstärkungsfaktor der Schaltung 15 wird so gewählt, daß ihr Ausgang gleich V™ ist, wenn der Lautsprecherkonus seine Weggrenze L erreichte Die Filtersteuerschaltung 17 steuert die Break- oder Knickpunktfrequenz Lj des FiI-

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— Π —

ters 11 so, daß UJ₀ , wenn das Bewegungssignal auf der Leitung 21 größer als V_m ist, schnell zunimmt, wodurch die Amplitude der niedrige Frequenz aufweisenden Komponenten des an den Lautsprecher gelieferten Signals vermindert wird. Wenn das Bewegungssignal auf der Leitung 21 kleiner als Vm ist, kehrt id_c allmählich zu einem niedrigen Wert zurück, wodurch die Frequenzgangkurve des Eingangsfiltergerätes als Ganzes abgeflacht wird*

Fig. 2 zeigt eine einfache Gestaltung einer gesteuerten Filterschaltung 11, in der die Knickpunktfrequenz Lo'c dadurch geändert wird, daß die an den Feldeffekttransistor T_x. angelegte Gate-Spannung V„ variiert wird. Der Drain-Source-Widerstand R™ des Transistors T_x. hängt von Vq ah, so daß Rm für niedrige Gate-Spannungen klein und für große negative Gate-Spannungen groß ist. Die Kombination von Widerständen R_x,, Rp und Εφ bildet den Ohmschen Teil eines C-R-Netzwerks, Wenn R^ der zusammengesetzte Ohmsche Teil ist, ist

Vout

1+1

wobei Rjt zwischen den Grenzen

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variabel ist.

Dies liefert die Größen A und U)_c mit den Werten 1

Die Schaltung in Fig. 3 ist zum Steuern des Filters der Fig. 2 geeignet. Der Transistor Tp wirkt als Schalter. Wenn die Spannung des Bewegungssignals mit Bezug auf Erde ausreichend negativ ist, schaltet der Transistor ein und die Spannung an dem Kondensator Cp steigt schnell in Richtung des Erdpotentials an. Wenn das Bewegungssignal den Transistor ausgeschaltet läßt, fließt die Ladung des Kondensators durch den Widerstand R, a"b, wodurch die Spannung in Richtung der negativen Schiene abfällt. V™ ist in diesem Fall angenähert 0,7 V, falls T₀ ein Siliziumtransistor ist«

C.

Die erforderliche Form der Ansprechkurve für die

b c Tiefton-Entzerrungsschaltung 13 ist a + - + -_o, und die

^s s^ Schaltung der Fig. 4 liefert eine solche Ansprechkurve, wie

aus dem folgenden ersichtlich ist.

Es soll angenommen werden, daß I.C. ein idealer Operationsverstärker ist, so daß

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- Vout = Hq Vin + Rq

—2- S -rf

^E6 ^E8

falls Rp viel größer als R_n. ist,

ο ■ y

_m 1 + BG₄ R₇
^ 1 + SC₄ (R₅ + R₇;

und falls Rj- viel größer als R₄ ist,

1 + sC₃R_z
Somit ist

(Ί

/""( 1 + s C₄ (R₅ + R₇)_7 (1 + s C₃R₄) Wenn C₄ (R₁. + R„) und C, R₄ ausreichend große Zeitkonstanten

(
sind, dann ist

6 ° XR₅ + R₇) C₃R₄R₈ s" R₈R₄CR₅H-R₇)C₃C₄

Eine geeignete Wahl der Werte für die Komponenten erzeugt die gewünschte Ansprechcharakteristik.

Zum Erzeugen einer Ansprechkurve, die zu dem Quadrat der Frequenz für die Bewegungssignal-Ableitschaltung I5 umgekehrt proportional ist, können zwei R-C-Fetzwerke in Kaskade geschaltet werden, wie in Fig. 5 gezeigt ist. In diesem Fall ist:

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Vout ^Λ

Vin (T + ₃σ,-Ε₁₀) (1 + SC₆R₁₁J falls Cc-R₁Q und Og R₁₁ große Zeitkonstanten sind, wird

Vout <* ^Λ

Dies ist die gewünschte Ansprechkurve für die Bewegungssignal-Ableitschaltung 15 der Fig. 1.

Nun wird eine praktische Aus führung s form der Erfindung beschrieben, die speziell auf die Anpassung an den Lautsprechertyp AR? zugeschnitten ist»

Die Diagramme der Fig. 6 und 7 wurden experimentell abgeleitet. Fig. 6 veranschaulicht die Änderung der Spitzeneingangsspannung mit der Frequenz eines Lautsprechertyps AR 7·> wenn er an der Grenze seines linearen Arbeitsbereichs betrieben wird. Fig. 7 veranschaulicht die Umkehrung der Frequenzansprechkurve des Lautsprechers an dem niederfrequenten Ende des Tonspektrums und bildet somit die für die Ausgleichsschaltung I3 erforderliche Ansprechcharakteristik. Aus diesen Experimenten wurden die folgenden Lautsprecherparameter abgeleitet:

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U₇- = W rad s~¹

d « 0,46

L = 0,007 m
k = 4700 V/m

Fig/³- ist ein Blockschaltbild der praktischen Ausführungsform, wobei die Teile der Anlage, die mit der Fig.1 gemeinsam sind, mit entsprechenden .Bezugszeichen bezeichnet

Da niedrige Frequenzen eine große Bewegung des Konus 'erzeugen, kann Rumpeln in einer Schallquelle für die große Bewegung verantwortlich sein, so daß ein Hochpaßfilter 23 für ein scharfes Abrollen unterhalb 30 Hz enthalten ist, wenn es mit dem gesteuerten Filter 11 kombiniert ist. Der Änderungsbereich der Knickpunktfrequenz des gesteuerten Filters liegt zwischen 190 und 6200 rad s . Das Diagramm der Fig. 10 zeigt die kombinierte Ansprechcharakteristik der Schaltungen 23 und 11 für verschiedene Breakpunktfrequenzen des regelbaren Filters, das den vollen Bereich der verfügbaren Änderung erfaßt. Um die Anlage mit der verwendeten Schallquelle kompatibel zu machen, ist eine Dämpfungsvorrichtung mit einem Lautstärkeregler für den Schallpegelblock 25 enthalten. Ein Leistungsverstärker 27 mit einer Verstärkung von 32 liegt vor dem AR-7-Lautsprecher 19·

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Zur weiteren Verdeutlichung der Steuerschaltung dient die Fig. 9 mit Hinweis auf die Blöcke 25, 23, 17 und 11. Die Schaltung für das regelbare Filter 11 entspricht der Schaltung der Fig. 2, wobei jedoch die Eingangsimpedanz, des Puffers 29 die obere Grenze des kombinierten Widerstandswertes ?l,_t in dem C-E-Netzwerk liefert. Der Ausgang dieses Filters ist an dem Punkt A vorgesehen, der mit der Bewegungssignal-Ableitschaltung 15 und der Tiefton-Entzerrungsschaltung 13 verbunden ist. Die Filtersteuerschaltung 17 entspricht der Schaltung der Fig. 3» wobei jedoch ihre negative Schiene die Drain-Spannung des Transistors -D₁. führt. Um den von ¹IV gebotenen Widerstand annehmbar linear zu halten, wird die halbe Drain-Spannung an den Gleichstrompegel angelegt, der die Gate-Elektrode steuert. Auf diese Weise wird die zu der Gate-Elektrode von T^ zurückgelaigjse Steuerspannung über einen Spannungsteiler geliefert, der aus zwei 4-70-k JT-Widerständen. 31 und. 33 besteht. Diese Anordnung ermöglicht, daß LJ. mit einer Geschwindigkeit von ungefähr einer Oktave pro Sekunde am Ende eines großen Eingangssignals abfällt.

In einer (nicht dargestellten) Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 8 wird die Realisierung der Tiefton-Entzerrungsschaltung 13 und der Bewegungssignal-Ableitschal tung 15 erleichtert und die Stabilität verbessert, indem die Ansprechcharakteristik d.es Eingangsfilters 23 durch den

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F" P
Faktor (1 + ^) modifiziert wird, wobei die Konstante E in einem Beispiel den V/ert 1300 annimmt, und indem die Ansprechcharakteristiken der Entzerrungsschaltung 13 und. der Bewegungssignal-Ableitschaltung 15 durch die Umkehrung dieses Faktors, d.h. (1 + ^)" , modifiziert werden.

Es wird bemerkt, daß diese Modifizierung die Frequenzansprechcharakteristik des Gerätes als Ganzes nicht beeinflußt. Jedoch ist das Signal auf der Leitung 22 in diesem Fall dem Ausgangsschalldruck des Lautsprechers nicht direkt proportional. Die Ansprechcharakteristiken der Hauptblöcke sind in einem Beispiel einer solchen Modifikation folgende:

Eingangsfilter )

(entsprechend den )

Blöcken 11. 23, 25 )

der Fig. 8) )

1300'

^ ' ⁺ 210 ⁺ 36100

Bewegungssignal- )

Ableitschaltung )

(entsprechend dem )

Block 15 der Fig.8) )

1300

Tiefton-Entzerrungs- ) schaltung (entspre- ) chend den Blöcken 13,3 27 der Fig. 8) )

80(1 + 512 + 22OOOO)

(1 + ^S )2 1300

wobei A gleich oder kleiner als 20 abhängig von der Einstellung des Lautstärkereglers ist.

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Die Größen, auf welche sich die in der Beschreibung und in der Zeichnung verwendeten Symbole beziehen, sind folgende:

A =* Verstärkung des gesteuerten Filters bei hoher Frequenz;

UJ_C m Break- oder Knickpunktfrequenz des gesteuerten Filters; s - Eigenfrequenz;
g = gesamte Spannungsverstärkung bei hoher Frequenz;

U-V = Resonanzfrequenz des Lautsprechers im Gehäuse (rad/s);

d = Dämpfungsfaktor des Lautsprechers-im Gehäuse; L = Bewegungs- oder Wegbegrenzung des Lautsprechers (m);

k = Volt bei Niederfrequenz pro Meter Bewegung des Lautsprecherkonus.

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Claims

Patentansprüche

M. )Siiigangsf iltergerät für eine Lautsprecheran lage, bestehend aus einem Eingangsfilter, das auf ein Eingangstonsignal anspricht, um ein gefiltertes Ausgangs signal zur Lieferung an einen Lautsprecher herzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsfilter (11, 23) ein regelbares Filter (11) aufweist und daß eine Steuerschaltung (17) vorgesehen ist, um die Frequenzgangcharakteristik des Filters ansprechend auf ein Bewegungssignal zu ändern, das auf die Bewegung des Lautsprecherkonus oder der Lautsprechermembran bezogen ist, wodurch die Amplitude dieser Bewegung begrenzt wird.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das regelbare Filter (11) ein Hochpaßfilter ist und daß die -Steuerschaltung (17) dessen Break- oder Knickpunktfrequenz ansprechend auf das genannte Bewegungssignal ändert.
3· Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (17) die Knickpunktfrequenz ansprechend auf eine Schwelle überschreitende Werte des Bewegunr;;ssignals vergrößert»

Kfio.fi/. unonn
4. Gerät nach Anspruch 3> dadurch, gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (17) die Knickpunktfrequenz verhältnismäßig schnell ansprechend auf Werte des Bewegungssignals vergrößert, welche die genannte Schwelle überschreiten, und die Knickpunktfrequenz ve_rhältnismäßig langsam ansprechend auf Werte des Bewegungssignals vermindert, Vielehe die Schwelle nicht überschreiten.
5. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schaltung (15)? die auf das gefilterte Ausgangssignal so anspricht, daß sie das Bewegungssignal als dessen Funktion liefert.
6w Gerät nach Anspruch 5₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (15) ein lineares Netzwerk mit einer Frequenzcharakteristik aufweist, die im wesentlichen umgekehrt proportional zu dem Quadrat der Signalfrequenz ist, und daß das Bewegungssignal als eine Funktion des gefilterten Ausgangssignals in Übereinstimmung mit der genannten Frequenzcharakteristik des linearen Netzwerks hergestellt wird.
7. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzcharakteristik des Filters (11) ansprechend auf das Bewegungssignal so geändert

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wird, daß die genannte Amplitude innerhalb des im.wesentlichen linearen Arbeitsbereichs .ies Lautsprechers (19) begrenzt wird. . : .
8. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gefilterte Ausgangssignal an den Lautsprecher (19) über eine Entzerrungsschaltung (1.3) geliefert wird, deren Frequenzcharakteristik an dein niederfrequenten Ende des (Tonspektrums im wesentlichen umgekehrt zu der Frequenzcharakteristik des Lautsprechers ist,

9» Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsfilter (11, 23) ein weiteres. Hochpaßfilter (23) mit einer Break- oder Knickpunktfrequenz bei oder nahe der unteren Tonschwellenfrequenz in .Reihenschaltung mit dem regelbaren Filter (11) aufweist.

10, Gerät nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsfilter ein weiteres Filter aufweist, das in Reihe mit dem regelbaren Filter (11) geschaltet ist und

TC P eine Frequenzcharakteristik (1 + -)~.F(s) hat, daß die

Schaltung (15) ein lineares Netzwerk mit einer Frequenz-

—2

charakteristik der Form (s + K)" aufweist und daß das gefilterte Ausgangssignal an den Lautsprecher (19) über eine

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Ausgleichs- oder Entzerrungsschaltung mit einer Charakteristik G(s).(i + -)~ geliefert wird, wobei E eine Konstante ist, s die Signalfrequenz ist, F(s) allgemein der Frequenzcharakteristik eines Hochpaßfilters mit einer Breakpunktfrequenz bei oder nahe der unteren Tonschwellenfrequenz entspricht und G(s) allgemein der Umkehrung der Frequenzcharakteristik des Lautsprechers an dem unteren Ende des Tonfrequenzspektrums entspricht.

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