Adaptive Auslenkungskontrolle (AAK)

Adaptive Auslenkungskontrolle (AAK)

Bei allen Treibern gelten bedingt durch den mechanischen und elektrischen Aufbau bestimmte Grenzen, in denen ein sicherer Betrieb möglich ist (safe operating area).  Die Grenzen dieses Bereichs bilden die maximale mechanische (zerstörungsfreie) Auslenkbarkeit der Membran, sowie die maximale elektrische Belastbarkeit der Schwingspule (Abb. 1). Bereits ein kurzzeitiges Überschreiten  der mechanischen Auslenkbarkeit  der  Membran kann zur Beschädigung der Schwingspule, Dezentrierung und irreversiblen stofflichen Überlastung aller beweglichen Teile (Zentrierspinne, Sicke, etc.) führen.

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Abb. 1: Limitierungen und Betriebsbereiche bei Lautsprecherchassis

Eine elektrische Überlastung führt i.d.R. zu einer Überhitzung der Schwingspule, die deren Defekt mit sich bringen kann. Eine kurzzeitige elektrische Überlastung verzeiht die Schwingspule jedoch meist, wodurch sich ein zusätzlicher, kurzzeitig zulässiger Betriebsbereich ergibt. Dieser wird durch die Leistungsfähigkeit (Verzerrungsgrenze) der Endstufe mitdefiniert und ist unter anderem davon abhängig, wie stark der Endverstärker bezüglich der Maximalleistung der Treiber überdimensioniert wird.

Aus Abb. 1 ergibt sich, dass im Bereich tiefer Frequenzen die Maximalauslenkung den wesentlichen limitierenden Faktor darstellt, wohingegen bei hohen Frequenzen die elektrische Belastbarkeit ausschlaggebend ist. Das hängt damit zusammen, dass bei geschlossenen Lautsprechern die Membranauslenkung für gleichen Pegel mit fallender Frequenz quadratisch ansteigt (d.h. bei Halbierung der Frequenz = 4-fache Auslenkung). Bei passiven Lautsprechern wird eine Maximalbelastbarkeit des Lautsprechers angegeben und die Verantwortung für den „sicheren Betrieb“ in die Hände des Anwenders übergeben (Wahl des Endverstärkers, Begrenzung des maximalen Pegels, etc.).

Unsere geregelten Aktivlautsprecher sind in der Lage, ungewöhnlich tiefe Frequenzen wiederzugeben, die den Treiber ggf. zu enormen Hüben bewegen. Aus dem Schnittpunkt der blauen und der orangen Geraden in Abb. 1 ergibt sich die tiefste Frequenz, die mit dem gleichen Pegel wie der Rest der Musik wiedergegeben werden könnte. Verschiebt man den Schnittpunkt auf der blauen Geraden, wird klar: Es kann Tiefbass gegen Maximalpegel „eingetauscht“ werden, und umgekehrt.

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Abb. 2: Typische spektrale Energieverteilung bei Musiksignalen

Unsere Lautsprecher geben naturgemäß sehr tiefe Frequenzen wieder, d.h. der Maximalpegel wäre sehr gering. Da sich die Energie bei „normaler“ Musik mit natürlichen Instrumenten um den Mitteltonbereich verdichtet (Abb.2), um dann i.d.R. unterhalb von 40 Hz deutlich abzufallen, mildert sich dieser Effekt. Nichtsdestotrotz kann bei sehr kompakten Lautsprechern der Überlastfall schon bei mäßigen Abhörlautstärken eintreten. Dieses Problem adressieren wir mit einem „intelligenten“ Feature, das vom eingebauten digitalen Signalprozessor (DSP) übernommen wird: Anhand des momentanen Musiksignals wird mittels eines Modells, das die physikalischen Zusammenhänge des Lautsprechers mathematisch abbildet, die theoretische Auslenkung des Treibers berechnet. Anhand dieser und einem abgestimmten Algorithmus, werden die Koeffizienten eines adaptiven (anpassbaren) Filters neu berechnet, das den Schnittpunkt der blauen und orangen Geraden aus Abb. 1 auf der blauen Geraden verschiebt, sobald der „verbotene Bereich“ betreten würde (Abb. 3). Da unsere Regelungstechnik den kompletten analogen Bereich vorhersehbar

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Abb. 3: Signalfluss ab Frequenzweiche mit adaptivem Filter und Regelkreis

und stabil hält, und die Technik im Lautsprecher gekapselt ist, kann das Modell sehr präzise ausgelegt werden. In Summe kann also über den kompletten Leistungsbereich des Lautsprechers mit voller Bandbreite Musik gehört werden, das adaptive Filter sorgt im Grenzbereich zusätzlich für gesteigerte Pegelreserven (im Tausch gegen Tiefbass). Wir sind der Ansicht, dass diese Technik nicht nur die Pegelkompromisse kompakter Lautsprecher adressiert, sondern als Schutz vor Beschädigung und Defekt bei Aktivlautsprechern dieser Leistungs- und auch Preisklasse Standard sein sollte. Durch die modellbasierte Steuerung des Filters innerhalb des DSP kann sehr schnell (innerhalb weniger zehn Mikrosekunden) schützend eingegriffen werden.