电声研究

• 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

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.

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.

• 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
  
  

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.

• 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 

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.