-
Die Erfindung betrifft eine Lautsprecheranordnung in einem Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Ansteuerung des mindestens einen Lautsprechers, mittels derer eine akustische Warnung mit Richtungsinformation für den Kraftfahrzeugführer möglich ist.
-
Aus der
DE 196 52 930 A1 ist eine Abstandswarnanlage mit einer akustischen Warneinrichtung bekannt, die Warnsignale abgibt, sobald ein Hindernis in einem vorgegebenen Abstandsbereich zur Warnanlage gemessen wird, wobei die Warneinrichtung mit mindestens zwei in Abhängigkeit von der Lage des Hindernisses getrennt ansteuerbaren akustischen Sendern, vorzugsweise Lautsprechern, versehen ist, die über getrennte Kanäle gleichzeitig derart ansteuerbar sind, dass die Lage und/oder Bewegung des von der Bedienperson des Fahrzeugs gehörten Tones einen Hinweis auf die Richtung gibt, in der das gemessene Hindernis sich befindet.
-
-
Aus der
WO 99/56498 ist ein akustisches Element bekannt, welches eine beliebige Anzahl, vorzugsweise zwei, Schichten und mindestens eine zu der Schicht beabstandete Kunststofffolie umfasst, wobei mindestens eine Schicht mindestens eine poröse Schicht umfasst und die poröse Schicht und die Kunststofffolie im wesentlichen nur an bestimmten Unterstützungsstellen miteinander in Kontakt kommen, während an den anderen Stellen ein Luftspalt zwischen der porösen Schicht und der Kunststofffolie vorhanden ist. Die poröse Schicht ist entweder elektrisch leitfähig oder mindestens auf einer ihrer Oberflächen so beschichtet, dass sie elektrisch leitfähig ist. Die Kunststofffolie ist aufgeladen oder mit einer elektrisch leitenden Oberfläche versehen. Die Unterstützungsstellen, an denen die Kunststofffolie und die poröse Schicht miteinander in Kontakt kommen, sind derart angeordnet, dass die gesamte Struktur ihre Dicke verändern kann. Durch Anlegen eines Signals an mindestens eine poröse Schicht wird dann die Kunststofffolie in Schwingungen versetzt, wobei vorzugsweise auch die andere poröse Schicht mit dem gegenphasigen Signal beaufschlagt wird. Diese Anordnung stellt einen elektrostatischen Flächenlautsprecher dar. Elektrostatische Flächenlautsprecher besitzen die Eigenschaft einer besonders ausgeprägten Richtcharakteristik, d.h. eine ausgeprägte Schallabstrahlung senkrecht zur Lautsprecherebene. Da sie üblicherweise aus Kunststoff hergestellt werden, zeichnen sie sich neben ihrer flachen Bauweise des Weiteren durch gute Formbarkeit und geringes Gewicht aus.
-
Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2004 048 990 A1 ist eine gattungsgemäße Lautsprecheranordnung bekannt.
-
Aus der
US 2003/0142835 A1 sowie der
US 5 979 586 A ist jeweils eine Lautsprecheranordnung in einem Kraftfahrzeug zur Ausgabe von Warnsignalen mit Richtungsinformation bekannt, wobei ein oder mehrere Lautsprecher im Dachhimmel angeordnet sind.
-
-
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, eine Lautsprecheranordnung zur akustischen Warnung mit einer Richtungsinformation zu schaffen, die bauraumsparender in einem Kraftfahrzeug angeordnet werden kann sowie ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen.
-
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Lautsprecheranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Hierzu ist der Lautsprecher als elektrostatischer Flächenlautsprecher ausgebildet, der im Dachhimmel angeordnet ist oder den Dachhimmel bildet. Hierdurch kann sehr bauraumsparend der Dachhimmel ausgenutzt werden und auf eine verteilte Anordnung von Lautsprechern im Kraftfahrzeug bedarfsweise verzichtet werden. Dabei sei klargestellt, dass die Ansteuerung durch die Fahrerassistenzsysteme nicht unmittelbar direkt erfolgen muss, sondern auch über andere Steuergeräte mittelbar erfolgen kann.
-
Dabei ist der elektrostatische Flächenlautsprecher über dem Fahrzeugsitz angeordnet, wobei der Flächenlautsprecher segmentiert ist und die Flächenlautsprechersegmente voneinander unabhängig ansteuerbar sind.
-
Weiter umfasst der elektrostatische Flächenlautsprecher eine Kunststofffolie, die mit einer elektrischen Vorspannung beaufschlagt ist, wobei die Flächenlautsprechersegmente mit dem gleichen Signal angesteuert werden, wobei zwischen der Vorspannung und den Segmenten der Kunststofffolie der Flächenlautsprechersegmente Schaltelemente angeordnet sind, mittels derer die elektrische Vorspannung der einzelnen Flächenlautsprechersegmente veränderbar ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Schallpegel des Panels nicht nur von der Größe der Signalamplitude abhängig ist, sondern auch von der elektrischen Vorspannung der Membran. Wird nun die elektrische Vorspannung der Membran eines Flächensegments reduziert, so wird der Schallpegel reduziert. Durch die Veränderung der elektrischen Vorspannungen lässt sich somit ein richtungsbestimmendes Segment mit höherem Schallpegel realisieren, obwohl alle Flächenlautsprechersegmente mit der gleichen Signalamplitude angesteuert werden. Dies wiederum erlaubt die Verwendung eines einzigen Signalverstärkers, der parallel alle Flächenlautsprechersegmente ansteuert. Prinzipiell könnten auch in den parallelen Ausgangszweigen des Verstärkers zuschaltbare Widerstände angeordnet sein, um einzelne Signalamplituden zu dämpfen. Dies führt jedoch zu einer ungleichmäßigen Belastung der Endstufe des Verstärkers. Die Veränderung der elektrischen Vorspannung ist über verschiedene Wege möglich. So können beispielsweise Widerstände zu- oder abgeschaltet werden. Des Weiteren kann ein elektrisches Potentiometer zwischen Membran und Vorspannung angeordnet sein, so dass der Schallpegel kontinuierlich veränderbar ist. Alternativ oder ergänzend kann beispielsweise die Membran zwischen einer negativen Vorspannung und Masse hin- und hergeschaltet werden. Letzteres hat insbesondere den Vorteil, dass keine zusätzliche elektrische Verlustleistung generiert wird.
-
Ergänzend sei angemerkt, dass die hier für den Fahrerfahrzeugsitz vorgenommenen Ausführungen selbstverständlich auf jeden beliebigen Fahrzeugsitz ebenfalls angewendet werden können.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei voneinander unabhängig ansteuerbare Lautsprecher im Dachhimmel angeordnet, wobei mittels einer binauralen Außenohrübertragungsfunktion (engl. Head-related Transfer function HRTF) in einer Steuereinheit in Abhängigkeit der gewünschten Richtungsinformation jeweils ein Signal für die Lautsprecher generierbar ist. Diese Ausführungsform nutzt das Wissen über die räumliche Wahrnehmung binauraler Signale in einer Steuereinheit zu realisieren, um die abzustrahlenden Signale durch lineare Signalfilterung so vorzuverarbeiten, dass die Zielperson trotz der Einstrahlung von oben denkt, die Geräusche kämen aus einer anderen Richtung. Die räumliche Wahrnehmung von Geräuschen wird bestimmt durch Schallreflexionen und Beugung am Kopf und vom Außenohr, was im Allgemeinen zu einer unterschiedlichen Einfärbung der Geräusche am linken und rechten Ohr führt. Hierbei spielen Pegel- und Laufzeitunterschiede eine entscheidende Rolle. Das heißt, dass Geräusche, die von rechts hinten eingestrahlt werden, unterschiedlich zu denen wahrgenommen werden, die beispielsweise von rechts vorne einfallen. Dieses unterschiedliche Wahrnehmungsverhalten wird in der binauralen Außenohrübertragungsfunktion zusammengefasst, d.h. dass sowohl Amplitude und Phase über der Frequenz als auch der zeitliche Verlauf der Einfärbung zu beiden Ohren unterschiedlich ist. Mit Kenntnis der winkel- und höhenabhängigen HRFT und einer entsprechenden Signalvorverarbeitung kann man das binaurale Signal also so „einfärben“, dass es sich für die Zielperson anhört, als käme es beispielsweise von rechts hinten und nicht von oben. Die HRFT kann dabei vorab bestimmt werden und als Look-up-Tabelle abgelegt werden. Entsprechend wird dann die Übertragungsfunktion für das linke Ohr an den dem linken Ohr zugeordneten Lautsprecher und die Übertragungsfunktion für das rechte Ohr an den dem rechten Ohr zugeordneten Lautsprecher eingestellt.
-
Dabei können selbstverständlich die Ausführungsformen mit richtungsbestimmendem Flächenlautsprechersegment und HRFT miteinander kombiniert werden.
-
In einer alternativen Ausführungsform ist der Dachhimmel aus Panel-Material der Flächenlautsprecher ausgebildet, wobei mindestens einzelne Segmente unterschiedlich ansteuerbar sind und mittels eines Beamforming ein akustisch gerichtetes Warnsignal erzeugen. Vorzugsweise wird dabei das Panelmaterial mit einer Versteifung versehen, die die für die Lautsprecher bzw. dahinter gegebenenfalls angeordnete Absorber notwendigen Rückvolumina enthält. Des Weiteren erlaubt dies eine Konfiguration einzelner Himmelsegmente als Lautsprecher, anderer als Mikrofone beispielsweise für Freisprecheinrichtungen und/oder DVE (digital voice enhancement). Diese besitzen abhängig von ihrer Fläche und des Betriebsmodus (Mono) eine ausgeprägte Richtcharakteristik, die durch das oben angesprochene Beamforming noch weiter erhöht werden kann. Weiterhin können Teile des Panels (beispielsweise die elektrisch leitfähigen Schichten) als elektrische Zuleitungen definiert und konfiguriert werden, so dass nur ein Stecker montiert werden muss und keine teuren Kupferleitungen verlegt werden müssen. Bedarfsweise kann dann eine zusätzliche elektrische Abschirmung in das Panel integriert werden. Die Panellautsprecher können weiter zusätzlich zur individuellen Unterstützung des Sound-Systems und als Hochtönerersatz verwendet werden. Dabei werden beispielsweise die hochfrequenten Anteile im normalen Sound-Betrieb zusätzlich durch die Flachlautsprecher im Dachhimmel im Stereo-Modus abgestrahlt und durch Tieftöner bzw. Subwoofer entsprechend unterstützt. Eine passive Schallabsorption kann durch poröse Deckmaterialien des Panels bei hohen Frequenzen erreicht werden.
-
Eine möglichst hohe Schallabsorption ist erwünscht, um ungewollte Reflexionen vom Dachhimmel zu verhindern, um dadurch das Hintergrundgeräusch im Fahrzeug zu minimieren. Zur Verbesserung des Absorptionsverhaltens bei tiefen Frequenzen kann hinter dem Panel ein Absorbermaterial angeordnet werden, wobei weiter vorzugsweise die Hohlraumresonanz des gedämpften Rückvolumens angepasst wird. Neben der Größe des Rückvolumens sind weitere Parameter zur Beeinflussung des Absorptionsverhaltens die Panelsteifigkeit, die Größe von Entlüftungsöffnungen für das Rückvolumen, die Perforation eines über das Panel gespannten Leders oder Stoffes, der Aufbau des porösen Absorbers (Luftwiderstand, Porösität, Schichtaufbau, Dicke der Schichten) oder auch gegebenenfalls zusätzliche Öffnungen des Panels. Dabei stellt die Gesamtkonstruktion eine Kombination verschiedener Absorber-Typen dar. So wirkt beispielsweise das über das Panel gespannte perforierte Stoff oder Leder als Lochabsorber, das Panel selbst als Plattenabsorber, die Membran des Panels als Folienabsorber, das Rückvolumen als Helmholtzabsorber und ein aus mehreren Schichten zusammengesetzter Absorber als Schichtabsorber. Durch geeignete Wahl der Parameter kann dann ein über das Frequenzband optimierter Gesamt-Absorber geschaffen werden. Eine weitere Verbesserung der niederfrequenten Absorption ist durch eine Semi-Active Noise Control oder eine Active Noise Control möglich. Bei der Semi-Active Noise Control wird der passive Absorber verstimmt, d.h. durch Ansteuerung der Membran werden die Resonanzen angepasst. Anschaulich wird die Impedanz durch Ansteuerung der Membran angepasst, die der Störschall bei Auftreffen auf den Dachhimmel registriert. Bei der Active Noise Control wird hingegen aus der Messung von Schalldruck und Schallschnelle das Störfeld berechnet und aktiv durch destruktive Interferenz ausgelöscht, wobei hier sowohl eine Regelung als auch eine Steuerung zur Anwendung kommen können. Hierbei ist die relativ hohe räumliche Abtastung des Schallfeldes durch die integrierten Mikrofone von großem Vorteil. Insbesondere bei der Active Noise Control ist das Panel vorzugsweise als Multilayer-Panel ausgebildet, wobei mindestens zwei Layer als Mikrofon ausgebildet sind. Alternativ zu den separat definierten Mikrofonpanels können auch die Lautsprecherpanels simultan als Mikrofone reduzierter Empfindlichkeit verwendet werden. Es versteht sich, dass die Semi- oder Active Noise Control mit den passiven Schallabsorbermaßnahmen kombiniert werden kann. Ein Steuergerät übernimmt sowohl die Anpassung des Himmels an die aktuellen Anforderungen der Kommunikation sowie die Funktionen DVE, Freisprecheinrichtung, „privates Telefonieren“, Rear-Seat-Entertainment, Individuelles Fahrer-HMI (Einparkhilfe, Verkehrsfunk, Navigationsansagen, Warntöne, Signaltöne und Infonachrichten) als auch die Anpassung an die akustischen Komfort- bzw. Imagebedürfnisse durch Active Noise Control bzw. Sound-Design.
-
Bei einer Ausbildung mit Richtlautsprechern und Richtmikrofonen lässt sich darüber hinaus eine verbesserte Kommunikation in dem Kraftfahrzeug zwischen den Insassen erreichen, insbesondere können Schwerhörige verbessert miteinbezogen werden. Hierzu wird zunächst ermittelt, ob ein Fahrzeuginsasse lauter als ein Schwellwert spricht. Der Schwellwert für die Lautstärke kann dabei entweder fest vorgegeben sein oder aber adaptiv in Abhängigkeit der Lautstärke der Hintergrundgeräusche und/oder der anderen Insassen gewählt werden. Wird so ein potentiell Schwerhöriger ermittelt, so wird anschließend dessen Hörvermögen in Abhängigkeit der Frequenz ermittelt. Dabei kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden. Dem Insassen wird seine eigene Sprache nahezu in Echtzeit mit minimaler Verzögerung (< 10-25 ms) über einen Richtlautsprecher verstärkt zugeführt. Dies hat zur Folge, dass dieser dies als zu laut empfindet und leiser spricht. Durch sukzessives Verstärken einzelner Frequenzanteile und Auswertung der Reaktion des Insassen kann dann die Hörempfindlichkeit aufgenommen werden. Ändert nämlich der Insasse seine Lautstärke nicht, ist dies als Hinweis auf die Unempfindlichkeit in dieser Frequenz aufzufassen. Ist dann die Empfindlichkeit über der Frequenz bekannt, so kann nachfolgend dem Insassen über eine geeignete Übertragungsfunktion ein auf dem Frequenzgang seines Gehörs angepasstes Signal seiner Sprache zugeführt werden. Da der Schwerhörige dieses angepasste Signal gut hört, wird dieser seine Lautstärke entsprechend anpassen, was für die übrigen Insassen angenehmer ist. Es sei angemerkt, dass dieses Verfahren prinzipiell unabhängig von dem konkreten Einbauort der Richtlautsprecher bzw. Richtmikrofone ist. Des Weiteren kann ein bestimmter Frequenzgang abgespeichert werden und einer Person zugeordnet werden, so dass der Frequenzgang nicht jedes Mal bestimmt werden muss.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
- 1 eine schematische nicht-anspruchsgemäße Lautsprecheranordnung zur Abstrahlung einer Richtungsinformation und
- 2 eine schematische Darstellung einer Veränderung der Vorspannung.
-
Die Lautsprecheranordnung umfasst einen elektrostatischen Flächenlautsprecher 1, der in vier voneinander unabhängig ansteuerbare Flächenlautsprechersegmente FS1-FS4 unterteilt ist und zueinander quadratisch angeordnet sind. Der elektrostatische Flächenlautsprecher 1 ist im Dachhimmel eines Kraftfahrzeuges über dem Fahrzeugsitz des Kraftfahrzeugführers angeordnet. Der elektrostatische Flächenlautsprecher 1 ist dabei mittig über dem Kopf des Kraftfahrzeugführers angeordnet. Somit liegt beispielsweise das Flächenlautsprechersegment FS1 in einer Richtung links vorne zum Kopf des Kraftfahrzeugführers. Dem Flächenlautsprecher 1 ist ein Steuergerät zugeordnet, das beispielsweise als Audio-Signal-Prozessor 2 ausgebildet ist und die einzelnen Flächenlautsprechersegmente FS1-FS4 ansteuern kann. Der Audio-Signal-Prozessor 2 ist über ein Bus-System 3 mit mehreren Fahrerassistenz-Systemen 4, 5 verbunden, die beispielsweise als Einparkhilfe-Assistenz, Lane-Departure Warnig-System ausgebildet sind. Erfasst nun ein Fahrerassistenz-System eine Situation, wo der Kraftfahrzeugführer akustisch gewarnt werden soll, so generiert das Fahrerassistenz-System ein Signal und überträgt dies an den Audio-Signal-Prozessor 2. Das Signal umfasst zum einen die Information, dass gewarnt werden soll sowie ein Richtungsinformation. Der Audio-Signal-Prozessor 2 wertet nun das Signal aus und stellt beispielsweise fest, dass der Warnton von links hinten kommen soll. Entsprechend wird das Flächenlautsprechersegment FS3 ausschließlich oder mit größerer Amplitude im Vergleich zu den übrigen Flächenlautsprechersegmenten FS1, FS2 und FS4 angesteuert. Dabei sei angemerkt, dass die Verbindung zwischen den Fahrerassistenz-Systemen 4, 5 und dem Audio-Signal-Prozessor 2 auch direkt erfolgen kann unter Einsparung des Bus-Systems 3. Weiter sei angemerkt, dass alternativ der Flächenlautsprecher 1 kreisförmig ausgebildet sein kann, wobei die Flächenlautsprechersegmente als Kreissegmente ausgebildet sind. Je nach Unterteilung kann dann die Richtungsinformation noch feiner unterteilt werden. Da üblicherweise Fahrzeugsitze verschiebbar ausgebildet sind, ist die Kopfposition des Kraftfahrzeugführers nicht statisch. Daher sollte der Flächenlautsprecher 1 derart dimensioniert werden, dass unabhängig von den Fahrzeugsitzpositionen und/oder der Sitzposition des Kraftfahrzeugführers sichergestellt ist, dass sich jeweils zwei Flächenlautsprechersegmente vor und hinter dem Kopf befinden. Für die Ausführungsform gemäß der 1 heißt das, dass gegebenenfalls die Aufteilung der Flächenlautsprechersegmente nicht 2x2 sondern 2x3 oder 2x4 ist. Alternativ zur Dimensionierung der Flächenlautsprechersegmente kann auch vorgesehen sein, dass eine Vielzahl von Segmenten (beispielsweise 8x8) im Dachhimmel angeordnet sind, wobei in Abhängigkeit von der Sitzposition einige (beispielsweise vier) dieser Segmente ausgewählt werden, um die Richtungsinformation zu übertragen. Die Sitzposition kann dabei beispielsweise über ein Bussystem von den Stellmotoren des Fahrzeugsitzes abgefragt werden. Entsprechend kann auch die Neigung des Fahrzeugsitzes berücksichtigt werden, da diese ebenfalls einen Einfluss auf die Position des Kopfes hat. Weiter kann dann auch bei Bedarf die Amplitude angepasst werden, beispielsweise um bei größeren Personen mit einer kleineren Amplitude abzustrahlen, da deren Kopf sich in der Regel dichter bei den Lautsprechersegmenten befindet. Die Größe der Peson kann dabei beispielsweise aus der Sitzneigung geschätzt werden.
-
In der 2 ist eine Ausführungsform mit einer veränderbaren Vorspannung Ubias dargestellt. Der Flächenlautsprecher 1 ist wieder in vier Flächenlautsprechersegmente FS1-FS4 unterteilt. Der Audio-Signal-Prozessor 2 umfasst eine Endstufe 6 und ein Vorspannungsmodul 7. Die Endstufe 6 stellt dabei am Ausgang zwei gegenphasige Signalamplituden 8, 9 zur Verfügung, die an die beiden porösen Schichten aller vier Flächenlautsprechersegmente geführt werden. Des Weiteren liefert die Endstufe 6 die Vorspannung Ubias von beispielsweise -100 V, die an das Vorspannungsmodul 7 übergeben wird. Am Ausgang weist das Vorspannungsmodul 7 für jedes Flächenlautsprechersegment FS1-FS4 einen eigenen Vorspannungsausgang 10-13 auf. Über eine entsprechende Schnittstelle ist das Vorspannungsmodul 7 mit einem Datenbus 3 verbunden. Weiter unten ist das Vorspannungsmodul 7 etwas detaillierter dargestellt. Dabei ist jeder Vorspannungsausgang 10-13 über einen Widerstand R mit der Vorspannung Ubias = -100 V verbunden. Des Weiteren ist jeder Vorspannungsausgang 10-13 über einen Relais-Kontakt mit zugeordnetem Relais K1-K4 mit Masse verbunden. Bei offenem Kontakt ist dann der Vorspannungsausgang 10-13 über den Widerstand R mit der Vorspannung Ubias verbunden und bei geschlossenem Kontakt mit Masse. Der Widerstand R dient dabei zur Strombegrenzung, um einen DC/DC-Wandler in der Endstufe 6 nur gering zu belasten, wenn der Kontakt geschlossen ist. Die Relais K1-K4 werden dann über den Datenbus 3 angesteuert. Soll nun beispielsweise das Flächenlautsprechersegment FS1 den höchsten Schallpegel abstrahlen, so liefert der Datenbus 3 Steuersignale für die Relais K2-K4, so dass die zugehörigen Kontakte schließen und an den Vorspannungsausgängen 11-13 Masse anliegt. Somit liefert das Flächenlautsprechersegment FS1 den höchsten Schallpegel, obwohl alle Flächenlautsprechersegmente mit den gleichen Signalamplituden 8, 9 angesteuert werden. Es versteht, dass anstelle der Relais K1-K4 auch andere Schalter, wie beispielsweise Transistoren, insbesondere MOSFETs, eingesetzt werden können.
