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电声研究

Schwerpunkte im elektrischen System

  • Modellierung des elektrodynamischen und elektromagnetischen Wandlers im Großsignalbereich

  • Identifikation der nichtlinearen Schwingspuleninduktivität als Funktion des Stromes und der Auslenkung

  • Modellierung der nichtlinearen Wirbelstromverluste als Funktion des Stromes und der Auslenkung

  • Dynamische Messung des nichtlinearen Koppelfaktors

  • Messtechnische Bestimmung und Bewertung der Felddichte B im Magnetspalt

  • Modellierung des Wärmeflusses im Lautsprecher und Schätzung der Erwärmung der Schwingspule durch das Eingangssignal unter Berücksichtigung von Wirbelströmen, Wärmeleitung und nichtlineare Konvektionskühlung,

  • Identifikation der thermischen Parameter des Wandlermodelles auf Grundlage elektrischer Messdaten

  • Modellierung des nichtlinearen Übertragungsverhaltens im Analog-Digitalkonverter (DAC) und Digital-Analogkonverters (ADC) und Identifikation der Volterra-Kernel

电学系统 - 主要研究领域

    • 对大信号域中的电动和电磁换能器进行建模
    • 与电流和位移相关的非线性音圈电感的识别
    • 由涡电流产生的非线性损耗与输入电流i和位移之间的函数关系建模
    • 非线性耦合因子的动态测量
    • 扫描和评估磁隙中感应强度B的 均匀性
    • 对换能器中的热流进行建模,并通过考虑涡流、热传导和非线性对流冷却来估算输入信号的音圈发热
    • 基于电测量数据对换能器模型的热参数进行识别
    • 模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的非线性传递行为建模以及Volterra-Kernel的识别

    Beispiel: Modellierung der Nichtlinearitäten in Lautsprechern

    Schallsender (z.B. Lautsprecher, Kopfhörer) können nur im Kleinsignalbereich als lineares System beschrieben werden. Bei größeren Amplituden verursachen Nichtlinearitäten im elektrodynamischen Wandler, in der mechanischen Aufhängung und in der Membran hörbare Signalverzerrungen und begrenzen das akustische Ausgangssignal. Das Großsignalverhalten nimmt zunehmend an Bedeutung zu bei vielen Anwendungen sowohl im Konsumerbereich (Auto, PC, Handy, ...) als auch bei der professionellen Beschallung, da hier kleine, leichte und kostengünstige Schallsender benötigt werden, die den erforderlichen Schalldruck mit hohem Wirkungsgrad in der erforderlichen Qualität erzeugen. 
    Auf Anregung von Prof. Kraak und Prof. Wöhle begann Wolfgang Klippel bereits 1987 an diesem Institut der TU Dresden mit der Entwicklung von nichtlinearen Modellen für elektroakustische Wandler, deren Parameter mit modernen Methoden der Systemidentifikation bestimmt werden können.

    示例:换能器非线性建模

    声源(例如扬声器、耳机、致动器)只能在小信号域中才能被描述为线性系统。幅值较高时,非线性会导致声音信号失真,并限制电动换能器、机械悬挂以及辐射器(例如音盆、膜片)中的声输出信号。大信号行为变得越来越重要,因为在消费类应用(汽车、PC、移动电话等)和专业音频中需要小型、轻便且具合算的换能器,以在考虑质量和效率的前提下提供必要的声压。

    1987年,在Kraak教授和Wöhle教授的建议下,W. Klippel开始开发电声换能器的非线性模型,通过现代系统识别技术来定义换能器的参数。

    Elektrodynamischer Koppelfaktor Bl(x) als Funktion der Auslenkung x

    Die linke Abbildung zeigt beispielsweise ein vereinfachtes Schnittbild eines elektrodynamischen Lautsprechers, in dem die Schwingspule (gelb) in ihrer Ruhelage (x=0) und das magnetische Feld im Spalt (schwarz) hervorgehoben sind. Bewegt sich die Schwingspule aus dem Spalt wird der elektrodynamische Koppelfaktor Bl, als Integral der von Leiter mit der Länge l durchflossenen magnetischen Flussdichte B, tendenziell weniger. Das rechte Diagramm zeigt die sich ergebende nichtlineare Abhängigkeit des Koppelfaktors Bl(x) von der Auslenkung der Schwingspule. Die Kurve zeigt eine suboptimale Positionierung der Schwingspule im Spalt, durch Verschiebung der Ruheposition um 2 mm in positive Richtung kann der Koppelfaktor Bl(x=0) im Kleinsignalbereich erhöht und die Kurve symmetriert werden. Das führt zu einer Erhöhung des Schalldruckes und zu geringen Verzerrungen im Ausgangssignal.

    电动耦合系数Bl(x)与位移x的函数关系

    左图显示了电动换能器的简化截面图,并突出显示了静止位置(x = 0)处的音圈(黄色)和磁隙中的磁场(黑色)。如果音圈的绕组离开磁隙,电动耦合系数BL(磁感应强度B在导线长度I上的积分)则会变小。右图显示了耦合系数Bl(x)与音圈位移的非线性关系。该曲线显示了音圈在磁隙中的次佳位置。通过将静止位置朝着正方向移动2mm,耦合因子Bl(x=0)(小信号域)会增大且曲线达到平衡。这样可使声压增加,输出信号的失真也会减小。


    Schwerpunkte im mechanischen System

    • Modellierung des Schwingungsverhaltens von mechanischen Systemen mit konzentrierten und verteilten Parametern (FEA)
    • Schwingungsmessung mit Hilfe optischer Laserabtastung
    • Dynamische Identifikation der nichtlinearen und visko-elastischen Eigenschaften der mechanischen Aufhängung (Sicke, Zentrierung)
    • Zerlegung der Membranschwingung in orthogonale Komponenten (Modalanalyse)
    • Modellierung der Schaukelschwingungen (rocking modes) und Erkennung der Ursachen (unsymmetrische Massen und Steifigkeitsverteilung)
    • Modellierung des durch nichtlineare Partialschwingungen und die Erzeugung von Signalverzerrungen  
    • Schätzung optimaler Materialparameter (komplexer E-Modul) der Komponenten (z.B. Membran, Sicke, Staubkalotte)
    • Modellierung der zeitvarianten Parameterveränderung durch Belastung, Ermüdung Alterung, Klima

    机械系统 - 主要研究领域

    • 机械系统中音圈行为的集总和分布参数建模(FEA)
    • 通过激光扫描对表面振动进行光学测量
    • 动态识别机械悬挂系统(折环+弹波)的非线性和粘弹性特性</ li>
    • 将总表面振动分解为正交分量(模态分析)
    • 摇摆模式建模和根本原因分析(刚性、质量、Bl的不平衡分布)
    • 非线性音盆振动的建模和所产生的信号失真
    • 估算软部件(如膜片、防尘盖、折环)最佳材料参数(复杨氏模量)
    • 由负载、疲劳、老化、气候导致的时变换能器参数的建模

    Beispiel: Messung des Schwingungsverhaltens von Membranen

    Neben der Messung elektrischer Signalen an den Lautsprecherklemmen und des akustischen Ausgangssignals gewinnt die direkte Messung von mechanischen Zustandsgrößen zunehmende Bedeutung für die Lautsprecherentwicklung. Mit Hilfe von Laserscannern kann die Auslenkung der gesamten Membranfläche in relativer kurzer Zeit berührungslos gemessen werden. Mit Hilfe dieser mechanischen Schwingungsdaten und der gleichzeitig gemessenen Geometrie des Schallstrahlers kann das akustische Ausgangssignal an einen beliebigen Punkt im Schallfeld berechnet werden. Die enge Verbindung von Messtechnik und numerischer Simulation (FEM, BEM) erleichtert die Diagnose und Lokalisierung von Problemen, die entweder ihre Ursache im mechanischen Schwingungsverhalten oder in der akustischen Abstrahlung haben. 
    Die mechanischen Schwingungsdaten sind die Grundlage für die Modalanalyse und für eine schalldruckbezogene Zerlegungsmethode, die den konstruktiven bzw. destruktiven Beitrag jeder Schwingungskomponente zum Schalldruck im Schallfeld zeigt.

    示例:振膜振动特性的测量

    除了换能器终端处的电信号测量以及声输出信号的测量之外,机械性能的直接测量在换能器的开发中也越来越重要。辐射体表面的位移和几何形状结构可以在短时间内通过激光扫描进行非接触式测量。基于这些测量信息,可以在声场中的任意点计算声压。测量技术与数值模拟(FEM、BEM)之间的密切联系有助于诊断和定位来自机械振动行为或声学辐射的问题。机械振动数据是模态分析和与声压有关的分析方法(可以显示每个振动分量在声场中对声压的积极性和破坏性贡献)的基础。

    [Translate to cn:] Gemessenes Schwingungsverhalten bei einer Lautsprechermembran bei 1 kHz
    Measured vibration behaviour of a transducer membrane at 1 kHz

    Schwerpunkte im akustischen System

    • Modellierung akustischer Systeme mit Hilfe konzentrierter und verteilter Parameter (FEA)
    • Berechnung und Optimierung der Schallabstrahlung bei Lautsprechern (BEA)
    • Vollständige Beschreibung des vom Lautsprecher abgestrahlten Direktschalles im 3D Raum mit Hilfe von Kugelwellenentwicklungen (Fourier Akustik) 
    • Separierung des Direktschalles, Raumreflexionen und des am Lautsprechergehäuse gebeugten Sekundärschalles
    • Akustische Nahfeldholographie zur Messung des vom Schallsender erzeugten Direktschalles an einem beliebigen Punkt im 3D Raum außerhalb der Abtastfläche
    • Modellierung der dominanten akustischen Nichtlinearitäten (adiabatische Kompression, Wellenaufteilung, Luftströmung) und Identifikation der nichtlinearen Modellparameter 

    声学系统:主要研究领域

    • 声学系统的集总和分布参数建模(FEA)
    • 换能器声辐射的计算和优化(BEA)
    • 借助球面波对3D房间内换能器辐射的直达声进行完整描述(傅立叶声学)
    • 分离直达声、房间反射和由换能器腔体的衍射产生的二次声
    • 用于测量声源在3D房间中辐射到超出扫描面以外的任何点处的直达声的声学近场全息技术
    • 主要声学非线性(绝热压缩、声波分布、气流)的建模和非线性模型参数的识别

    Beispiel: Holografische Messung des vom Lautsprecher erzeugten Direktschalles

    Lautsprecher werden in der Regel nur mit einem Eingangssignal gespeist, erzeugen jedoch ein unterschiedliches Ausgangssignal an jedem Punkt des Schallfeldes. Die vollständige Erfassung des abstrahlten Schallfeldes ist mit einer holografischen Messung möglich. Hierbei wird das Nahfeld des Lautsprechers mit einem Mikrofonscanner auf zwei den Lautsprecher eng umschließenden Hüllflächen abgetastet und der Schalldruck an allen Messpunkten mit einer Kugelwelle (sphärische Harmonische und Hankelfunktionen) beschrieben, die Lösungen der Differentialgleichung für eine konzentrierte Schallquelle im freien Schallfeld darstellen. Mit dieser Reihenentwicklung kann der Schalldruck an einem beliebigen Punkt außerhalb der Abtastfläche berechnet werden. Die Richtcharakteristik und andere Daten im Fernfeld (r>>d) sind für die Lösung professioneller Beschallungsaufgaben erforderlich. Die Bewertung und Optimierung von Smartphone, Notebooks und anderen persönlichen Audiogeräten erfordern den Schalldruck im Nahfeld des Schallsenders.

    示例:换能器直达声的全息测量

    通常,只有一个输入信号提供给换能器。但是,它们在声场的每个点上都会产生不同的输出信号(SIMO系统)。通过使用全息测量技术,可以完全捕获3D空间中的辐射声场。通过使用机器人,在换能器近场的两个表面的扫描点上移动麦克风来测量声压。扫描数据通过球面波扩展(球谐函数和汉克尔函数,为自由场条件下声源微分方程的解)来描述。基于此波扩展,可以在扫描表面以外的任何点计算声压。远场(r>>d)的方向性以及其他数据对于专业音频应用很重要。而对像智能手机、笔记本和其他个人音频设备的评估和优化则需要换能器近场中的声压。