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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Anordnung zur Signalverarbeitung in einem Kraftfahrzeug welche
wenigstens zwei im Kraftfahrzeug vorgesehene Lautsprecher aufweist.
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Derartige Anordnungen sind seit langem
bekannt und gebräuchlich.
So kann eine Anordnung zur Signalverarbeitung aus z.B. einem Equalizer und/oder
Filterstufe und nachgeschalteten Verstärkerstufen bestehen die zwei
oder eine Vielzahl von Lautsprechern zur Klangabgabe im Kraftfahrzeug speisen.
Die Anordnung der Lautsprecher ist dabei durch die Innenraumvorgaben
des jeweiligen Kraftfahrzeugs beschränkt. Üblicherweise sind Lautsprecher
in den vorderen Türen
und eventuell im Armaturenbrett sowie in der Hutablage integriert.
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Beispielsweise aus der
DE 41 36 022 A1 ist eine
Anordnung zur Signalverarbeitung bekannt, bei der Lautsprechern
verstärkte
Audiosignale zugeleitet werden, sodass ein virtueller Höreindruck
im Kraftfahrzeug entsteht, durch den wenigstens ein virtueller Lautsprecher
im Kraftfahrzeug ortbar wird. Die
DE 198 40 444 A1 offenbart in einer Kopfstütze eines Kraftfahrzeuges
untergebrachte Kopfstützen.
In der
US 4 866 776
A ist der Einsatz und die Ausgestaltung einer Suround Sound-Dekodiereinrichtung
beschrieben. Aus der
US
5 729 612 A ist schließlich
ein Testverfahren zur Bestimmung der kopfbezogenen Übertragungsfunktion
sowie deren Definition bekannt.
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Nachteil derartiger Anordnungen ist
die relativ starre räumliche
Verteilung die eine Beeinflussung der Ortung der jeweiligen Schallquelle
nur sehr bedingt mittels eines Balance-/Fader-Reglers ermöglicht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, eine Anordnung zur Signalverarbeitung in einem Kraftfahrzeug
anzugeben, die die vorgenannten Nachteile behebt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine
Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, der ein von den Lautsprechern
abzustrahlendes Audiosignal zugeführt wird und die das verarbeitete
Signal den Lautsprechern über
eine Verstärkereinheit zuleitet,
wobei die Signalverarbeitungseinrichtung das abzustrahlende Audiosignal
derart steuert, dass ein virtueller Höreindruck im Kraftfahrzeug
entsteht durch den wenigstens ein virtueller Lautsprecher im Kraftfahrzeug
ortbar wird, und die Signalverarbeitungseinrichtung bei der Bearbeitung
der ihr zugeführten
abzustrahlenden Audiosignale die auf den Kopf eines Zuhörers bezogene Übertragungsfunktion mit
einbezieht.
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Vorteile dieser Anordnung sind, dass
mit einem relativ geringen Aufwand, z.B. zwei Lautsprechern, die
in der Kopfstütze
integriert sind, ein deutlich verbessertes Klangbild erzeugt werden
kann und eine präzise
Ortung von virtuellen Lautsprechern unabhängig von den Beschränkungen
einer Fahrgastzelle möglich
wird. Dabei ist die Ortung nicht mehr auf die Fahrgastzelle beschränkt. Mittels
der erfindungsgemäßen Anordnung
kann der Eindruck entstehen, dass sich die Lautsprecher weiter entfernt, also
auch außerhalb
des Fahrzeugs befinden. Die Signalverarbeitungseinrichtung verändert die
Laufzeiten sowie die Kopf bezogenen Übertragungsfunktionen der Signale
für die
beiden Lautsprecher derart, dass der gewünschte Höreindruck entsteht. Die Signalverarbeitungseinrichtung
macht sich dabei psycho-akustische Erkenntnisse zu Nutze.
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Zusätzlich können mittels der Verarbeitungseinheit
die Lautsprecher entzerrt werden. Die Transformation der Audiosignale
erfolgt vorteilhafterweise auf digitaler Ebene und kann mittels
geeigneter Parameter an die Eigenschaften verschiedener Fahrzeuge
angepasst werden.
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In Verbindung mit herkömmlich betriebenen Lautsprechern
im vorderen und hinteren Fahrgastraum kann mittels zwei zusätzlicher,
z.B. in der Kopfstütze
integrierter, Lautsprecher auch ein Center-Lautsprecher virtuell
erzeugt werden. Selbstverständlich
könnten
diese Lautsprecher auch zur Erzeugung andere virtueller Lautsprecher
im Fahrgastraum, wie z.B. von Surround-Lautsprechern, verwendet
werden.
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In einer Weiterbildung kann eine
Vielzahl von Lautsprechern zusätzlich
vorgesehen sein. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Surround-Klangbild
innerhalb eines Kraftfahrzeugs erzeugt werden.
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Zu diesem Zweck kann vorteilhafterweise
ein Surround-Dekoder in der Verarbeitungseinheit integriert sein.
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In weiteren Ausgestaltungen können dann vorteilhafterweise
die Hauptlautsprecher normal betrieben werden und zusätzliche
Lautsprecher gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
für den
Surround-Klang oder umgekehrt. Je nach Auswahl, welche Lautsprecher
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben werden, können
virtuelle Klangquellen optimal im Fahrgastraum positioniert werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch zur
Kompensation von Klangbildverschiebungen verwendet werden, wie sie
zum Beispiel bei Verwendung von Mehrweg-Lautsprechern mit Tief-,
Mittel- und Hochtönern
vorkommen können.
Derartige Mehrweg-Lautsprecher
sind meistens aufgeteilt an verschiedenen Orten im Fahrgastraum
installiert. Durch die Erzeugung virtueller Schallquellen kann die
räumliche
Ortung der einzelnen Lautsprecher auf einfache Weise kompensiert
werden.
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Mittels einer Bedieneinheit, wie
z.B. dem Radioteil am Armaturenbrett, können die Positionen virtueller
Klangquellen eingestellt werden. So kann das Klangbild individuell
auf die Wünsche
eines Insassen eingestellt werden.
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In einer besonders vorteilhaften
Ausgestaltung wird für
die Realisierung der Verarbeitungseinheiten ein oder mehrere Signalprozessoren
verwendet. Bei entsprechender Rechenleistung können die meisten Funktionen
innerhalb der Verarbeitungseinheit von einem einzigen Signalprozessor
bearbeitet werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind
die Verbesserung des Höreindrucks
trotz gegebenenfalls stark durch Geräusche gestörter Schallwiedergabe in einem
Audiowiedergabesystem im Kraftfahrzeug durch dicht am Ohr platzierte
Lautsprecher. Verkehrswichtiger Fremdschall wird dabei nicht unterdrückt. Zudem
ergibt sich bei Verwendung von kopfnahen Lautsprechen ein erheblicher
Kostenvorteil, da kostengünstigere
kleinere Lautsprecher verwendet werden können und die Leistung der Verstärker vermindert
werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung,
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2 ein
Blockschaltbild der Signalverarbeitungseinrichtung aus 1,
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3 eine
schematische Darstellung eines Fahrgastinnenraums mit einer erfindungsgemäßen Anordnung
von zwei Lautsprechern,
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4 eine
weitere schematische Darstellung eines Fahrgastinnenraums mit einer
zweiten Anordnung von mehreren Lautsprechern,
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5 ein
Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Signalverarbeitungseinrichtung aus 1, und
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6 eine
weitere schematische Darstellung eines Fahrgastinnenraums mit einer
weiteren Anordnung von mehreren Lautsprechern,
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1 zeigt
ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung zur Signalverarbeitung. Als
Signalquelle sind beispielhaft eine Tuner-Einheit 1, ein
Kassettendeck 2 und ein CD-Spieler 3 dargestellt.
Diese Einheiten 1, 2 und 3 stellen Audiosignale in
analoger oder digitaler Form bereit, welche einer Signalverarbeitungseinrichtung 4 zugeführt werden. Liegen
die Eingangssignale in analoger Form vor, so weist die Signalverarbeitungseinrichtung
vorzugsweise einen Analog-Digitalwandler
auf, mittels dessen ein Digitalsignal erzeugt wird, welches durch
die Signalverarbeitungseinrichtung 4 auf digitaler Ebene weiterverarbeitet
werden kann. Die Signalverarbeitungseinrichtung 4 bearbeitet
die Audiosignale in geeigneter Form, so dass die gewünschten
akustischen Raumverhältnisse
geschaffen werden.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung
weist zudem für
jedes zu erzeugende Ausgangssignal einen Digital-Analogwandler auf,
dessen Ausgangssignale Verstärkereinheiten 5, 7, 9, 11, 13 und 15 zugeführt werden.
Als Minimalkonfiguration weist die Anordnung lediglich zwei Ausgänge auf
welche mit den Verstärkerstufen 5 und 7 zur
Speisung der Lautsprecher 6 und 8 verbunden sind.
Zusätzlich
können
zwei weitere Ausgänge
vorgesehen sein, welche mit den Verstärkerstufen 9 und 11 zur
Speisung der Lautsprecher 10 und 12 verbunden
sind (gestrichelt dargestellt). Diese zusätzlichen Ausgänge können z.B.
als Frontalkanäle
verwendet werden, wobei die Lautsprecher 10 und 12 als
Hauptlautsprecher für
die Frontalkanäle
verwendet werden und die Verstärkerstufen 5 und 7 bedienen
dann die Lautsprecher 6 und 8 als Surroundlautsprecher.
Des weiteren kön nen weitere
Zusatzausgänge
mit Verstärkern 13 und 15 vorgesehen
sein, die z.B. für
einen Subwoofer 14 und einen Center-Kanal mit zugehörigem Lautsprecher 16 vorgesehen
sind. Eine derartige Vollausbaustufe ist z.B. zum Betrieb im sogenannten
Dolby Digital® Betrieb
oder bei Dekodierung von DTS®-Signalen vorteilhaft.
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2 zeigt
ein detaillierteres Blockschaltbild der Signalverarbeitungseinrichtung 4.
Die Eingänge der
drei Signalquellen 1, 2 und 3 sind mit 4a, 4b und 4c bezeichnet.
Im Falle analoger Signalquellen sind den Eingängen 4a und 4b Analog-Digitalwandler 27 und 28 nachgeschaltet.
Selbstverständlich
kann auch nur ein einzelner Analog-Digitalwandler und eine entsprechende
Umschalteinrichtung vorgesehen sein. Eingang 4c liefert
bereits ein digitales Signal von der CD-Spielereinheit. Die digitalen Eingangssignale
werden einer Selektionseinrichtung 22 zugeführt, welche
eine der Signalquellen 1, 2 oder 3 auswählt. Das
ausgewählte
Signal wird dann an eine Surround-Sound-Dekodiereinrichtung 20 weitergeleitet.
Diese Dekodiereinrichtung 20 kann beispielsweise sechs
getrennte Signale aus dem bereitgestellten Quellensignal erzeugen.
Bei einer Dolby Digital® Dekodierung wären dies
zwei Frontkanäle,
zwei Surround-Kanäle,
ein Center-Kanal und ein Subwoofer-Kanal.
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Die Dekodiereinrichtung kann selbstverständlich wahlweise
verschiedene Ausgangssignale aus einem Stereo-Signal generieren.
So kann z.B. aus einem normalen Stereosignal ein simulierter Vierkanal-Sound
erzeugt werden. Die Dekodiereinrichtung kann aber auch ein normales
Stereo-Signal auf vier Kanäle
verteilen, so dass die im Fahrzeug bekannte Lautsprecherkonstellation
entsteht. Die Bedieneinrichtung weist in dieser Betriebsart dann
die üblichen
Balance- und Fader-Regler auf.
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Werden nur zwei Ausgangskanäle verwendet
so kann die Dekodiereinrichtung 20 auch entfallen. Das
jeweilige Eingangssignal wird als normales Stereosignal zwei Verarbeitungseinheiten 21f und 21g zugeführt. Eine
Steuereinrichtung 23 ist vorgesehen, welcher ein Einstellsignal
zugeführt
wird, das durch eine von einem Fahrzeuginsassen bedienbare Einstelleinrichtung
bereitgestellt wird. Die Steuereinrichtung erzeugt ein Steuersignal 25 welches
den Verarbeitungseinheiten 21f und 21g zugeführt wird. Die
Verarbeitungseinheiten 21g und 21f erzeugen digitale
Ausgangssignale, welche jeweils einem Digital-Analogwandler 29f und 29g zugeführt werden. Die
Ausgänge
der Digital-Analogwandler 29f und 29g liefern
analoge Signale welche für
die nachfolgenden Verstärkerstufen
an den Klemmen 4f und 4g abgreifbar sind.
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Sollten wie oben beschrieben weitere
Kanäle erzeugt
werden, so sind wahlweise zusätzliche
Verarbeitungseinheiten 21e und 21h vorgesehen
die zwischen den Ausgängen
der Dekodiereinrichtung 20 und weiteren Digital-Analogwandlern 29e und 29h schaltbar
sind. Die zusätzlichen
Verarbeitungseinheiten 21e und 21h können ebenfalls
durch die Steuereinheit 23 in ihren Parametern eingestellt
werden. Im vorliegenden Beispiel sind für weitere Kanäle, wie z.B.
dem Center-Kanal und einem Subwooferkanal keine Verarbeitungseinheiten
vorgesehen, da deren Ortbarkeit entweder unproblematisch oder wie
beim Center-Kanal
fest zugelegt ist. Sollte ein Lautsprecher für den Center-Kanal örtlich aufgrund
der Armaturenbrettanordnung im Fahrzeug nicht mittig integrierbar
sein, so kann eine entsprechende Verarbeitungseinheit für diesen
Kanal ebenfalls vorgesehen werden.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs.
In einer ersten Ausführungsform
sind lediglich zwei Lautsprecher 34 und 35 in
einer Kopfstütze
integriert. Diese Ausführungsform
stellt die einfachste und kostengünstigste Variante der erfindungsgemäßen Anordnung
dar. Ziel ist es unabhängig
von der örtlichen Platzierung
der Lautsprecher dem Insassen einen räumlichen Klangeindruck zu vermitteln
bei welchem er den Eindruck von zwei vor ihm angeordneten virtuellen
Lautsprechern 36 und 37 erhält.
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Hierzu verändert die Signalverarbeitungseinheit 4 mittels
z.B. der Verarbeitungseinheit 21f das Signal für den linken
Lautsprecher 34 derart, dass die Kombination von Direktschallübertragungsfunktion L1,
dem von der Seitenscheibe reflektierte Schall mit der Übertragungsfunktion
L2 und dem von der Windschutzscheibe 31 reflektiertem Schall
mit der Übertragungsfunktion
L3 einen Eindruck am linken Ohr des Insassen vermitteln als ob eine
direkte Beschallung durch einen virtuellen Lautsprecher 36 erfolgen würde. Hierbei
werden insbesondere die kopfbezogenen Übertragungsfunktionen mit einbezogen.
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Die durch den virtuellen Lautsprecher
erzeugten Schallwellen für
das linke und rechte Ohr sind mit den Übertragungsfunktionen VL1 und
VL2 bezeichnet. Dazu verändert
die Verarbeitungseinheit 21f das Schallsignal derart das
die entsprechenden Laufzeiten z.B. auch frequenzabhängig und
in Abhängigkeit
von der Raumakustik berücksichtigt
und erzeugt werden. Es werden insbesondere psycho-akustische Effekte
wie z.B. Ortungscharakteristika des Ohrs in Bezug auf die erste
einfallende Welle in der Verarbeitungseinheit 21f mit einbezogen.
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Des weiteren können binaurale Eigenschaften
des Gehörs
mit in den entsprechenden Algorithmen berücksichtigt werden. Ein wesentliches
Element der vorliegenden Erfindung ist die Einbeziehung der kopfbezogenen Übertragungsfunktion
der digitalen Audiosignale. Dadurch wird besonders vorteilhaft eine
akustische Adaption an die Hörumgebung
im Fahrzeug und an die Lautsprecheranordnung durchgeführt.
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Bei entsprechender Ausgestaltung
des Berechnungsalgorithmus können
auch mehr als nur zwei virtuelle Schallquellen erzeugt werden. Auf
diese Weise kann mittels nur zweier Lautsprecher eine Vielzahl virtueller
Lautsprecher erzeugt werden und somit ein quasi virtueller Surround-Sound-Höreindruck
vermittelt werden. Die Anzahl virtuell generierter Schallquellen
wird lediglich von der Rechenleistung des jeweilig verwendeten Signalprozessors
beschränkt.
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Die Positionierung der virtuellen
Schalquellen ist im wesentlichen nun unabhängig von den vorgegebenen Innenraummaßen des
Kraftfahrzeugs. Mittels der Verarbeitungseinheiten 21f und 21g können die
virtuellen Lautsprecher auch außerhalb
des Kraftfahrzeugs positioniert werden. Dadurch können Klangeindrücke großer Konzerthallen
auf einfache Weise simuliert werden.
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Die Verarbeitungseinheiten 21e, 21f, 21g und 21h können vorzugsweise
durch einen oder mehrere Signalprozessoren realisiert werden. Diese Prozessoren
können
mit Flash-Speichern versehen sein, welche das jeweils abzuarbeitende
Programm speichern. Dabei können
für jeden
Fahrzeugtyp unterschiedliche Parameter bezüglich der Raumakustik berücksichtigt
werden. Eine Bedieneinheit kann z.B. im Bedienteil des Autora dios
mitintegriert sein. Mittels diesem kann der Insasse die gewünschte Lage des
virtuellen Lautsprechers 36 und 37 z.B. mittels
eines Joysticks oder dergleichen einstellen.
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In einer weiteren Ausführungsform
gemäß 4 sind mehrere zusätzliche
Lautsprecher fest im Armaturenbrett installiert. So ist ein linker
vorderer Lautsprecher 40 links, ein rechter vorderer Lautsprecher 42 rechts
und ein Center-Lautsprecher 41 in der Mitte des Armaturenbretts
installiert. Zusätzlich
sind die in der Kopfstütze
integrierten Lautsprecher 34 und 35 vorgesehen.
In dieser Ausführungsform
dienen die in der Kopfstütze
integrierten Lautsprecher 34 und 35 für die Surround-Kanäle. Daher
wird mittels der Bedieneinheit oder in fest programmierter Weise
ihre Ortbarkeit derart eingestellt dass sie als im hinteren Teil
des Fahrzeugs ortbar sind.
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Die virtuellen Lautsprecher sind
in 4 mit 43 und 44 dargestellt.
Auf eine Darstellung der verschiedenen direkten und indirekten Schallwellen
wurde aus Gründen
der Übersichtlichkeit
verzichtet. In dieser Ausführungsform
erzeugt die Dekodiereinrichtung fünf Ausgangssignale. Diese können z.B.
aus einem normalen zweikanaligen Quelle mittels eines Surround-Dekoders 20,
z.B. eines Dolby Surround® Dekoders, insgesamt vier
Kanäle
erzeugt, nämlich zwei
Frontalkanäle,
zwei im allgemeinen identische Surround-Kanäle und ein Center-Kanal. Im Betrieb können die
vorderen Lautsprecher 40, 41 und 42 normal
ohne Signalbeeinflussung betrieben werden. Über die beiden in der Kopfstütze integrierten
Lautsprecher 34 und 35 werden die virtuellen Surround-Lautsprecher 43 und 44 generiert.
Eine Plazierung im hinteren Bereich der Fahrgastzelle bietet sich hier
an und kann wahlweise fest zugeordnet sein oder über die Bedieneinheit in der
Entfernung vom Insassen eingestellt werden.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
dem Dekoder 20 nachgeschalteten Verarbeitungselektronik
für Mehrweg-Lautsprecher, bei
denen wenigstens zwei Lautsprecher pro Kanal verwendet werden, z.B.
ein Hochtöner
und ein Tieftöner. Selbstverständlich können auch
Dreiweg- oder Vierweg-Lautsprecher
vorgesehen sein. In dieser Ausführungsform
sind der Übersichtlichkeit
wegen nur zwei Kanäle
dargestellt. Jeder Kanal wird jeweils einem Tiefpass 50; 52 und
einem Hochpass 51; 53 zugeführt. Die Ausgangssignale werden
dann jeweils an eine Verarbeitungseinheit 54; 55; 56 und 57 weitergeleitet
deren Ausgänge
mit den Bezugszeichen 4fl; 4fh; 4gl und 4gh bezeichnet
sind. An den Klemmen 4fl und 4gl können jeweils
die Ausgangssignale für
einen Tieftöner
des rechten und linken Kanals abgegriffen werden. An den Klemmen 4fh und 4gh liegen
die entsprechenden Signale für
die Hochtöner an.
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Durch die nachgeschalteten Verarbeitungseinheiten 54, 55, 56 und 57 können nun
die räumliche Ortbarkeit
dieser getrennten Lautsprecher neu definiert werden. Wie in 6 dargestellt, befindet
sich üblicherweise
in einem Kraftfahrzeug der Hochtöner 60b; 61b im
oberen Bereich des Armaturenbretts und der Tieftöner 60a; 61a im
Bereich der seitlichen Türe. Je
nach Frequenzaufteilung, insbesondere wenn der Tieftöner in seinem
Frequenzbereich weit in den Mittenbereich reicht, kann es dabei
zu frequenzabhängiger
Ortung der Schallquelle kommen die zu einem unsauberen Klangbild
im Fahrzeug führt.
Mittels der Verarbeitungseinheiten 54, 55, 56 und 57 können nun
virtuelle Lautsprecher für
den Hochtöner 60b; 61b und
den Tieftöner 60a; 61a erzeugt
werden, deren virtuelle Position jeweils für den rechten und linken Kanal
deckungsgleich sind. Diese virtuellen Positionen sind durch die
Bezugszeichen 66 und 67 in 6 dargestellt.
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Ebenso kann der gleiche Effekt für im Fond angebrachte
Lautsprecher erzielt werden. Im dargestellten Beispiel gemäß 6 sind Hochtöner 62a und 63a in
den Türen
und Tieftöner 62b und 63b in der
hinteren Hutablage integriert.
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In einer weiteren Ausgestaltung können zum Beispiel
vier fest installierte Lautsprecher, je zwei im vorderen und zwei
im hinteren Fahrgastraum, vorgesehen sein. Zusätzlich werden zwei in der Kopfstütze integrierte
Lautsprecher zur virtuellen Bildung des Center-Lautsprechers verwendet.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil wenn ein Center-Lautsprecher in
das Armaturenbrett nicht integrierbar ist.