Abstract

Before a digital signal from a computer can be converted into periodic air pressure variations, it must overcome a series of technical challenges. The final step is the conversion of an electrical signal into an acoustic one using a loudspeaker. This stage represents the weakest link in the signal chain, but it also offers the greatest potential for technical improvement. To characterize a loudspeaker through measurements, this thesis examined and explained both the sound radiation of an electrodynamic loudspeaker and its distortion behavior in detail. The first chapter focuses on the systematic measurement of directivity using an automated setup with a turntable. Based on the collected measurement data, polar diagrams, contour plots, 360° balloon plots, and a CEA 2034 Spinorama evaluation were generated. The second part of this work explains the theory of distortions, sheds light on their physical origins, and describes the behavior of a loudspeaker’s nonlinearities using a mathematical model based on differential equations. In the third chapter, the theory presented in Chapter 2 is substantiated with practical measurements. Voltage and current at the loudspeaker terminals, sound pressure using a small-diaphragm condenser microphone, and diaphragm displacement via laser vibrometry were recorded.

Kurzfassung

Bis ein digitales Signal vom Computer in periodische Druckänderungen der Luft umgewandelt ist, muss dieses eine Reihe von technischen Hürden überwinden. Die letzte ist, mit Hilfe eines Lautsprechers, die Wandlung eines elektrischen Signals in ein akustisches Signal. Sie stellt das schwächste Glied in der Signalkette dar, bietet dadurch aber das größte Potential für technische Verbesserungen. Um einen Lautsprecher messtechnisch zu erfassen, wurden in dieser Arbeit sowohl die Abstrahlung eines elektrodynamischen Lautsprechers als auch sein Verzerrungsverhalten genauer untersucht und erläutert. Das erste Kapitel beschäftigt sich mit der systematischen Messung der Richtwirkung mittels automatisiertem Messaufbau unter Verwendung eines Drehtellers. Mit den Messdaten wurden Polardiagramme, Contour- und 360° Balloon-Plots sowie eine CEA 2034 Spinorama-Auswertung realisiert. Der zweite Abschnitt der Arbeit erläutert die Theorie von Verzerrungen, wirft Licht auf die physikalischen Gründe der Entstehung derer und beschreibt anhand eines mathematischen Modells aus Differentialgleichungen das Verhalten der Nichtlinearitäten eines Lautsprechers. Im dritten Kapitel wird die in Kapitel 2 dargelegte Theorie mit praktischen Messungen untermauert. Es wurden Spannung und Strom an den Lautsprecherklemmen, der Schalldruck mit einem Kleinmembran-Kondensatormikrofon sowie Auslenkungen mittels Laservibrometermessung am Lautsprecher erfasst.

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