Beschreibung

DIGITALER SCHALLWANDLER

Titel:

[1] Die Erfindung betrifft einen Schallwandler, der digitale Informationen direkt in

Schall umwandelt.

Stand der Technik:

[2] Aus der EP 0137530 Al ist ein Verfahren bekannt, dass das Prinzip der analogen

Lautsprecher- Technik mit vermittels einer Spule angetriebener Membran dahingehend erweitert, dass durch Abwandlung des elektromagnetischen Antriebs eine theoretische direkte digitale Wandlung durch Feldstärke-Addition in mehreren Antriebsspulen ermöglicht.

[3] Aus der DE 4343807 Al ist ein weiteres Verfahren bekannt, dass die oben genannte Wandlung durch eine Vielzahl einzelner Wandler-Elemente vorschlägt. Einzelne Wandler-Elemente werden dabei, dem Signal entsprechend, hinzu- oder abgeschaltet.

[4] Aus der US 4555650 ist ein Verfahren bekannt, den Spulenstrom durch digitale

Signale und unter Verwendung von analogen Multiplizieren zu steuern. Offenbarung der Erfindung

Nachteile des Stands der Technik:

[5] Während das Verfahren nach DE 4343807 Al generell dem Vorteil einer punktförmigen Schallcμelle widerspricht, hat das erstgenannte Verfahren eine Reihe von Nachteilen: ein Lautsprecher nach EP 0137550 Al zur Umsetzung eines N-Bit digitalen Signals würde N Spulen aufweisen, von denen jede Wicklung den doppelten Querschnitt der vorherigen Wicklung aufweisen müsste. Praktisch hieße das, dass bei einem heute üblichen 24 Bit Audio-Signals der Querschnitt des Spulendrahts des höchstwertigsten Bits 16.777.216 mal größer als der des niederwertigsten Bits sein müsste. Auch die Verbesserung des Verfahrens (durch DE 3838461 Al) löst das Problem des Querschnitts nicht, es wird lediglich ein Mehrlagen- Aufbau vorgeschlagen.

[6] Die Anwendung der Steuerung (nach US 455650) ist ebenfalls sehr problematisch:

Die dort gezeigte analoge Ausführung (analoge Multipikator, analoge Verstärker) würde durch der den analogen Komponenten anhaftenden Toleranzen den Vorteil der verlustfreien digitalen Verarbeitung frühzeitig zunichte machen. Auch wenn diese Idee in ein digitales Design umgesetzt würde, wären weitere Schwierigkeiten vorhanden:

Eine Multiplikation eines n Bit Eingangssignals mit einem n Bit Multiplikator würde ein 2*n Bit Ausgangssignal ergeben. Bei einem 24 Bit Audio Signal müsste dann das Ausgangssignal 48 Bit Auflösung betragen. Die nachfolgenden Stufen (beispielsweise D/A Wandler) müssten dann mit 2*n Bit Auflösung arbeiten, was extreme Kosten verursachen würde. Generell besteht im US 455630 gezeigten Verfahren kein direkter Bezug zwischen Eingangssignal und Stromfluss durch die Spulen, was aufwendige Positionsbestimmung notwendig macht, wodurch zusätzliche Kosten und Ungenauigkeiten entstehen.

[7] In allen bekannten elektrodynamischen digitalen Wandlern ist das Problem der

Induktionswirkung der stromführenden Spulen auf die nicht stromführenden Spulen nicht gelöst. Sind die Spulen einseitig mit Masse oder Pluspotential verbunden, wird von den bestromten Spulen ein Teil ihrer Antriebsleistung auf die nicht bestromten Spulen induziert. Da diese Induktionswirkung abhängig vom Signalwort und der Auslenkung der Spule ist, sind nicht lineare Verzerrungen die Folge.

Lösung der Aufgabe:

[8] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem

Stand der Technik verbesserten digitalen Schall- Wandler anzugeben, bei dem insbesondere das Problem der unterschiedlich starken Spulenquerschnitte durch eine Kraftfeldsteuerung gelöst ist.

[9] Diese Aufgabe wird durch einen digitalen Schall-Wandler zur Umwandlung eines

N Bit breiten digitalen Eingangssignals in Schall mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

[10] Die Erfindung schlägt einen digitalen Schall- Wandler zur Umwandlung eines N

Bit breiten digitalen Eingangssignals in Schall vor, mit einer Antriebseinheit mit N, oder einem Vielfachen davon, dem N-Bit Eingangssignal entsprechenden Spulen, die mit einem Strom entsprechend ihrer Bitwertigkeit angesteuert werden und einer Vorrichtung zur Kraftfeldsteuerung, die die Bitwertigkeit der einzelnen Spulen periodisch ändert unter Berücksichtigung der Eingangsdatenfrequenz, wodurch sich der Strom durch eine Spule ständig ändert, was wiederum eine gleichmäßige Stromverteilung auf allen Spulen zur Folge hat. Durch diese periodische änderung der Bitwertigkeit wird außerdem ein definiertes, homogenes elektromagnetisches Antriebsfeld durch die Spulen erreicht, wenn die Wechselfrequenz der Bitwertigkeit hoch ist im Vergleich zur Trägheit der Membran.

Vorteile der Erfindung:

[11] Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von digitalen Wandlern mit hoher

Genauigkeit. Insbesondere Lautsprecher und Kopfhörer für Audio Zwecke können zu geringeren Kosten und mit höherer Qualität hergestellt werden.

[12] Der vorgeschlagene digitale Wandler hat generell den Vorteil, dass alle analogen

Verstärkungsmaßnahmen des Eingangssignales entfallen können. Dies reduziert die Herstellungskosten und eliminiert mögliche Verzerrungen bei der analogen Verstärkung. Es wird eine homogene AntriebsDkraft erreicht, die Verzerrungen vermeidet und eine wesentlich bessere Flächenausnutzung bietet. Durch direkte Einflussnahme auf Teile des Wandlers können mechanische Unzulänglichkeiten (z. B. Resonanzen) gezielt unterdrückt werden. Weiterhin kann durch direkte Einflussnahme auf Teile des Wandlers verschiedenste Effekte erreicht werden, beispielsweise die Wiedergabe spezieller Frecμenzbereiche durch einen Teil des Wandlers, Raumklang, 3-dimensionale Wiedergabe etc.

[13] Im Vergleich zu bekannten digitalen Lautsprechern hat diese Neuerung den

Vorteil, dass alle Spulen mit gleichem Querschnitt ausgeführt werden können, was einfacher und preiswerter herzustellen ist. Außerdem sind vorteilhaftere Gestaltungen des Wandlers möglich, beispielsweise durch Flächenantrieb anstatt Spulenantrieb.

[14] Von Vorteil ist eine Abschirmung elektromagnetischer Felder vorgesehen, insbesondere durch eine Beschichtung der Membran Außenseite mit leitfähigem Material.

[15] Eine vorteilhafte Abwandlung der Erfindung sieht vor, dass Nx Spulen verwendet werden, wobei x den niederDwertigDsten Bits entspricht. Der Vorteil hierbei ist, dass die Herstellungskosten erheblich gesenkt werden, wobei eine geringfügig niedrigere Wandlungsqualität eine preiswertere Herstellung ermöglicht.

[16] In bevorzugter Ausführungsform sind die Spulen und das Digitalteil so ausgeprägt, dass Teile der Membran separat angesteuert werden können.

[17] In bevorzugter Weiterbildung kann eine Membran so ausbildet sein, dass ein

Bereich für Hochton- und ein Bereich für Tieftonwiedergabe separat angesteuert werden kann, indem N Spulen in einem für Tieftonwiedergabe geeigneten Bereich und N Spulen in einem für Hochtonwiedergabe geeigneten Bereich angebracht werden und entsprechend vom Digitalteil angesteuert werden.

[18] Nach einer weiteren vorteilhaften Abwandlung ist vorgesehen, dass eine Membran so ausbildet sein kann, dass für die Wiedergabe kritische Membranbereiche, wie beispielsweise der Membranrand, durch separate Spulen stärker oder schwächer als die Hauptfläche angetrieben werden.

[19] Nach einer weiteren vorteilhaften Abwandlung sind die Spulen nicht als Draht ausgeführt, sondern als Leiterstrukturen in eine stromleitende Folie (beispielsweise ausgeführt als Aluminiumfolie) eingebracht. Diese Folienstrukturen können auch mehrfach übereinander gelegt oder gewickelt werden.

Beschreibung der Zeichnungen:

[20] Die Erfindung ist nachfolgend an hand vorteilhafter Beispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:

[21] Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Schall- Wandlers als

Flächenwandler,

[22] Fig. 2a einen erfindungsgemäßen Schall- Wandlers als Dipol Wandler,

[23] Fig. 2b einen erfindungsgemäßen Schall- Wandler als Dipol Wandler mit gezeigten

Verbindern zwischen den Membranen,

[24] Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Kraftfeldverteilung

[25] Fig. 4 eine Anwendung auf bestehende Lautsprecherkonstruktionen und

[26] Fig. 5 vorteilhafte Realisierung der Endstufen.

[27] In den Figuren gleiche Bezugszeichen benennen gleiche oder gleich wirkende

Elemente.

[28] Fig. 1 zeigt einen einfachen erfindungsgemäßen digitalen Schall- Wandler als

Flächenstrahler, bei dem eine Membran 1 mit einem Rahmen 2 verbunden ist.

[29] Ein Statorelement 3 ist hinter der Membran angebracht. Auf der Membran 1 sind elektrische Leiter, (beispielsweise in Form von Drähten, gedruckten Leitern oder durch Aufdampfen) als Spulen mit einer oder mehreren Windungen aufgebracht.

[30] Jeder dieser Spulen 6.1 bis 6.n dient zur Erzeugung eines Magnetfeldes einer

Bitwertigkeit, dass von der Digitaleinheit 4 in Form eines elektrischen Stroms entsprechend seiner Bitwertigkeit auf die Spulen ausgegeben wird. Somit sind beispielsweise N Spulen (entsprechend einem N-Bit Eingangssignal) oder ein Vielfaches davon angebracht. In einer Zeitspanne t _n hat jeder dieser Spulen eine Bitzuordnung und führt einen Strom, der proportional zur Bitwertigkeit der entsprechenden Leitung ist. Wobei jede Spule zwei Zustände annehmen kann: 'ein' (es fließt ein Strom entsprechend der Bitwertigkeit) oder 'aus' (es fließt kein Strom). Der durch jede Spule gemäß seiner Bitwertigkeit fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld, dessen Kraft entsprechend dem digitalen Eingangssignal ist. Wird der Stator 3 als Permanentmagnet ausgebildet, wirkt das elektromagnetische Kraftfeld auf den Permanentmagneten und lässt die Membran sich vom Magneten wegbewegen oder wird von diesem angezogen.

[31] Anstelle eines Permanentmagneten können, wie in Fig. 2a gezeigt, Spulen 5.1 bis

5.n auf das Statorelement aufgebracht werden, wobei diese Spulen dann in gleicher Weise vom Digitalteil 4 angesteuert werden, oder dahingehend angesteuert werden, dass sie ein dem Permanentmagneten entsprechendes Magnetfeld erzeugen. Damit wird die digitale Information direkt in Schall gewandelt.

[32] Die Spulen werden in der Regel auf der Innenseite der Membran (also die dem

Stator zugewandte Seite) angebracht, somit kann auf der anderen Seite der Membran eine Maßnahme zur elektromagnetischen Abschirmung angebracht werden. Dies kann zum Beispiel durch eine ganzflächige oder teilweise Beschichtung mit Metall erfolgen. Weiterhin kann die auf die AbschirmungsDmaßname induzierte Spannung als Stellgröße für eine analoge oder digitale Rückkopplung verwendet werden.

[33] Diese Ausführung hat gegenüber einem konventionellen Lautsprecher den Vorteil der einfachen Herstellung, geringen Kosten und des vollflächigen Antriebs. Weiterhin kann die Membran aus sehr leichtem Material hergestellt werden, weil die Antriebkräfte flächig wirken und nicht punkt- oder kreisförmig wie bei konventionellen Lautsprechern mit Antriebsspule. Durch die geringe bewegte Masse kann diese Konstruktion ein größeres Frecμenzband wiedergegeben als konventionelle Lautsprecher.

[34] In Fig. 2a ist eine Erweiterung des in Fig. 1 gezeigten Wandlers zu sehen, der durch hinzufügen einer weiteren Membran 1.2 zur ersten 1.1 zum dipolförmig strahlenden Wandler wird. Gegebenenfalls können beide Membranen durch in Fig. 2b dargestellte Verbinder 7 mechanisch miteinander gekoppelt werden. Die Kopplung kann dabei berührungsfrei durch Aussparungen in der Digitaleinheit und dem Stator (beide nicht dargestellt in Fig. 2b) hindurchgeführt sein.

[35] Das StatorDelement 3 kann entweder als Permanentmagnet ausgeführt oder wie in

Fig. 2a dargestellt an den den Membranen zugewandten Seiten mit Spulen 5.n bestückt sein, die vom Digitalteil 4 angesteuert werden.

[36] Sind Verbinder 7 vorgesehen, wird das Statorelement entsprechend angepasst

(beispielsweise Aussparungen für die Verbinder). Eine Membran und die ihr zugewandte Seite des Stators bilden jeweils eine Antriebseinheit, die von dem Digitalteil gegenphasig angesteuert werden. Damit entsteht ein Gegentakt(push/pull) Antrieb, denn während auf die eine Membran eine abstoßende elektromagnetische Kraft ausgeübt wird, wird gleichzeitig auf die andere Membran eine anziehende elektromagnetische Kraft ausgeübt. Diese Anordnung löst das Problem, dass die elektromagnetische Kraft sich abhängig von der Entfernung der Pole (hier Membran

und Stator) verändert, denn in gleichem Maße, wie sich eine Membran vom Stator entfernt, nähert sich die andere Membran dem Stator an. Somit wird ein von der Auslenkung der Membran unabhängiges Antriebssystem erreicht. Durch die mechanischen Verbinder 7 kann die Antriebskraft einer Membran / Statorkombination auch auf die jeweils gegenüberliegende Membran wirken. Bei der Anwendung als Schallwandler muss durch geeigneten Gehäuseeinbau eine Schallsubstraktion der gegenphasigen Schallwellen verhindert werden.

[37] Alternativ zur Gegentakt (push/pull) Ansteuerung, wo sich eine Membran vom

Stator wegbewegt und sich gleichzeitig die andere Membran dem Stator annähert, kann auch eine Gleichtakt Ansteuerung verwendet werden. Dadurch bewegen sich beide Membranen entweder vom Stator weg oder zu diesem hin. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass keine Kräfte auf den Stator ausgeübt werden. Die nun von der Membranauslenkung abhängigen Kräfteverhältnisse werden in diesem Fall von der Digitaleinheit 4 kompensiert.

[38] In Fig. 3 ist die gesteuerte Kraftfeldverteilung in einer schematischen Darstellung näher erläutert.

[39] Der gesteuerten Kraftfeldverteilung liegt das Problem zugrunde, dass für einen N

Bit digitalen Antrieb die Flächenausnutzung sowie die Ausgestaltung der Kraftfeld erzeugenden Spulen problematisch ist. Basierend auf der Idee, dass ein Antrieb zur Umsetzung eines digitalen EingangsDsignals mit N Bit, aus N Spulen (oder ein Vielfaches davon) besteht, wobei jeder Leiter mit einem Strom gemäß seiner Bitwertigkeit angesteuert wird.

[40] Dieser Ansatz löst das Problem, indem die Bit-Zuordnung jedes Leiters mit der

Frecμenz fsw verändert wird, wobei zu einem Zeitpunkt die Gesamtzahl der Spulen eine Antriebskraft in Höhe des entsprechenden Eingangssignals erzeugen.

[41] Die Digitaleinheit 4 beinhaltet die Signalaufbereitung und Kraftfeldsteuerung. In der Digitaleinheit 4 wird ein N Bit digitales Eingangssignal so aufbereitet, dass es (ggf. Von seriell nach parallel gewandelt von 8.5) als paralleles digitales Signal für die Leistungstreiber (8.1 und ggf. 8.2) bereit steht. Ggf wird von der Signalaufbereitung auch eine Anpassung der Bitbreite des Eingangssignals zur Anzahl der Spulen vorgenommen und weitere Signalmanipulationen (beispielsDweise digitale Filder) vorgenommen. Je nach Ausbildung des Wandler wird nur ein Leistungstreiber genutzt (Wandler nach Fig. 1) oder es werden beide Leistungstreiber genutzt, wobei dann an 8.2 ein gegenphasiges Signal zu 8.1 generiert wird (Wandler nach Fig. 2). An jedem Ausgang des Leistungstreibers wird ein Strom in Höhe seiner Bitwertigkeit erzeugt,

wenn das entsprechende Bit im Signalwort gesetzt ist. Der Strom am Ausgang des höchstwertigen Bits (MSB) ist also N mal größer als der Strom am niederwertigsten Bit (DO). Diese Zuordnung ändert die Digitaleinheit 4 jedoch mit der Frecμenz f _sw , womit eine Leitung bei jeder Taktänderung von f _sw ein anders Bit repräsentiert und damit auch jedes Mal von einem anderen Strom durchflössen wird, wenn das entsprechende Bit im Signalwort gesetzt ist.

[42] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Leitungstreiber zeigt Fig. 5. Durch die

Ausbildung der Leistungstreiber als H-Brücke wird erreicht, dass bei nicht gesetztem Signalbit die Leitung isoliert ist. Somit ist gewährleistet, dass unbestromte Spulen keine Abschrimwirkung gegenüber den bestromten Spulen aufweisein.

[43] Ein einfacher Algorithmus verwendet n Spulen, und eine Frecμenz f _sw die n mal höher als die Abtastfrecμenz ist. Dadurch wird jedes einzelne Bit auf jede Spule einmal ausgegeben. Somit verteilt sich der Strom und auch das Kraftfeld gleichmäßig auf alle Spulen. Dieses Verfahren ist jedoch nur bei niedrigen Abtastfrecμenzen (beispielsweise Tieftöner) vorteilhaft nutzbar, weil sonst die hohen Schaltfrequenzen den Regelbereich einschränken.

[44] Ein erweitertes Verfahren verwendet eine Frequenz f _sw die identisch ist mit der

Abtastfrequenz des Signals. Die Digitaleinheit gewinnt die Information iber die Bitströme und Siganlformen aus dem Eingangssignal vorausschauend (beispielsweise über einen Ringspeicher) und passt die Bitrotation entsprechend der zu erwartenden Ströme an. Durch diese Maßnahme verlängert sich die Impulsdauer des Ausgangssignals auf l/f _sw , wodurch beispielsweise das AufDlösungsDvermögen einer Pulsweitenmodulation vergrößert wird.

[45] Alternativ ist denkbar, die bitwertigen Spannungen dauerhaft zu erzeugen und dann abwechselnd durch eine Schaltmatix auf die ensprechenden Spulen zu schalten. Fig. 6 zeigt schematisch, wie die Spannungsregler 9.n bitwertige Spannungen erzeugen, die über eine Schaltmatrix mit der Frequenz f _sw auf die Spulen 5.n geschaltet werden. Diese Anordnung benötigt eine höhere Bauteileanzahl, vermeidet auf der anderen Seite jedoch mögliche Probleme durch hochfrequente Störungen, wie sie beispielsweise bei Pulsweitenmodulation entstehen können.

[46] Je nach Anwendungsfall können noch weitere Verfahren (beispielsweise eine dynamische Frequenz f _sw die abhängig vom Eingangssignal ist) oder vorteilhafte Kombinationen der beschriebenen Verfahren eingesetzt werden.

[47] Durch die gleichmäßige Stromverteilung können dann beispielsweise alle Spulen im gleichen Querschnitt ausgeführt werden.

[48] Anstelle des bitwertigen elektrischen Stroms kann auch alternativ eine bitwertige elektrische Spannung erzeugt werden, die dann durch den Widerstand der Spule einen proportionalen Strom erzeugt.

[49] Eine vorteilhafte Ausgestaltung erzeugt ein PulsweitenDmoduliertes

Ausgangssignal, bei dem die Pulsweite äquivalent zur Bitwertigkeit ist. Die Erzeugung des bitwertigen Stroms oder Spannung kann jedoch auch linear oder nach anderen Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch 2-Quadrantenmodulation, wo sowohl die Spannungshöhe als auch die Pulsweite moduliert wird.

[30] Die Digitaleinheit kann als Logikschaltung, als (digitaler Signal-) Prozessor, als

Anwendungsspezische Halbleiterschaltung (z. B. als ASIC oder FPGA) oder anderweitig ausgeführt werden.

[51] Fig. 4 zeigt eine Anwendung auf bestehende Lautsprecherkonstruktionen.

[52] Ein konventionelle Lautsprecherkonstruktion wird dahingehend erweitert, dass anstatt einer Antriebsspule N Spulen (5.1 bis 5.n) verwendet werden, entsprechend den N Bit des Eingangssignals. Die Ansteuerung durch die Digitaleinheit 4 erfolgt wie in Fig. 3 beschrieben.

[53] Durch diese Ausführung können bestehende Produktionsanlagen leicht auf die

Herstellung digitaler Lautsprecher umgerüstet werden.

[54] Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den

Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.