DE102007049407B4

DE102007049407B4 - Verfahren zum Steuern von parallelen Flachlautsprechern

Info

Publication number: DE102007049407B4
Application number: DE102007049407.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Corbach; Martin Holters; Udo Zölzer
Original assignee: Helmut Schmidt Universitaet
Current assignee: Helmut Schmidt Universitaet
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2027-10-16
Also published as: DE102007049407A1

Abstract

Verfahren zum Steuern des Abstrahlverhaltens von zwei parallel und hintereinander angeordneten, nach beiden Seiten abstrahlenden Flachlautsprechern, bei dem die von dem einen Lautsprecher ausgehenden Tonsignale im Moment des Durchgangs durch den anderen Lautsprecher in demselben durch Kompensationssignale kompensiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationssignale in Intensität und Signalform den Tonsignalen entsprechen, die nach Durchgang durch den anderen Lautsprecher denselben verlassen, und zu diesen um 180° phasenverschoben sind, und dass mithilfe von einem sich so wiederholenden Vorgang die von jeweils einem Lautsprecher erzeugten Kompensationssignale nach Durchgang durch den jeweils anderen Lautsprecher in demselben entsprechend kompensiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Abstrahlverhaltens von parallel angeordneten, nach beiden Seiten abstrahlenden Flachlautsprechern.
Flachlautsprecher haben den Vorteil, dass sie den Schall über eine größere Fläche abstrahlen und sehr dünn sind. Der Nachteil dieser Flachlautsprecher besteht aber darin, dass sie nicht nur zur Vorderseite, sondern auch zur Rückseite Schall abstrahlen, der dann von Wänden oder irgendwelchen Gegenständen reflektiert werden kann, so dass das Hörerlebnis negativ beeinflusst wird. Dies kann zwar in gewissem Ausmaß dadurch verhindert werden, dass hinter dem Flachlautsprecher geeignete Dämmmaterialien angeordnet werden, die den Schall schlucken. Dieses passive Dämmmaterial würde aber doch, wenn auch im geringeren Ausmaß, störende Reflektionen auf der Abstrahlseite erzeugen. Weiter würde man wohl ein zusätzliches Gehäuse vorsehen, was ebenfalls zu Veränderungen führt und man den hohen Grad an Linearität verliert. Außerdem ist diese passive Dämpfung sehr aufwendig und erfordert Platz.
Es ist zwar bekannt, einen zweiten Lautsprecher vorzusehen, auf dem die Signale über eine 180° Phasenverschiebung eingegeben werden, so dass sich die in Richtung auf den zweiten Lautsprechen ausgestrahlten Signale auslöschen (Harry F. Olson, „Gradient Loudspeakers”, Journal of the Audio Engineering Society, Band 21, Nr. 2, S. 86–93, März 1973). Dieses Verfahren, das dort nur für punktförmige Lautsprecher beschrieben ist, führt aber dazu, dass durch diese um 180° phasenverschobenen und mit entsprechender Verzögerung versehenen Signale zwangsläufig das Originalsignal verfälscht wird, da diese Signale selbstverständlich auch in Richtung des ersten Lautsprechers abgestrahlt werden.
Aus DE 10 2005 058 175 A1 ist ein Flächenlautsprecher bekannt mit Mitteln zum Dämpfen der Schallabstrahlung in einer der Hauptabstrahlrichtung entgegengesetzten Richtung. In EP 1 760 692 A2 ist eine Anordnung von Lautsprechersystemen zum Dämpfen von störenden Signalen beschrieben. Die WO 2006/037587 A2 offenbart eine Vorrichtung zur akustischen Kommunikation in einem Kraftfahrzeug, bei der ein Lautsprecher als Richtlautsprecher ausgebildet ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Art, bei dem die von dem einen Lautsprecher ausgehenden Schallsignale in eine Richtung ausgelöscht werden können, ohne dass die Schallabstrahlung in der anderen Richtung beeinflusst wird.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass die von dem einen Lautsprecher ausgehenden Tonsignale im Moment des Durchgangs durch den anderen Lautsprecher in diesem durch um 180° phasenverschobene Kompensationssignale kompensiert werden, die in Intensität und Signalforum den Tonsignalen entsprechen, die nach Durchgang durch den anderen Lautsprecher denselben verlassen, und dass dieser Vorgang im jeweils anderen Lautsprecher mit den um 180° phasenverschobenen Signalen als Tonsignalen wiederholt wird.
Trifft also ein Signal von dem einen Lautsprecher auf den anderen, so geht es mit der Laufzeitverzögerung durch denselben hindurch und wird dabei abgeschwächt und verändert seine Signalform, was in erster Linie eine Verbreiterung ist. Ein entsprechendes um 180° phasenverschobenes Kompensationssignal wird dann von dem zweiten Lautsprecher ausgestrahlt, so dass nach hinten (in Richtung vom ersten Lautsprecher weg) kein Tonsignal ausgestrahlt wird. Dieses Tonsignal trifft aber wiederum auf den ersten Lautsprecher. Es wird dort genauso behandelt wie das ursprüngliche Signal beim Durchgang durch den zweiten Lautsprecher, das heißt, es wird im ersten Lautsprecher ein Tonsignal erzeugt, das gegenüber dem Kompensationssignal des zweiten Lautsprechers um 180° phasenverschoben ist und mit der entsprechenden Laufzeitverzögerung, Intensitätsverminderung und Signalformänderung versehen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich, wobei durch die Intensitätsverminderung beim Durchgang durch den Lautsprecher diese Signalfolge allmählich „ausstirbt”.
Auf diese Weise erreicht man nicht nur, dass nach „hinten” kein Schall abgestrahlt wird. Es wird vielmehr auch auf die Qualität des ursprünglichen Tonsignals des ersten Lautsprechers kein negativer Einfluss ausgeübt.
Zweckmäßigerweise werden dabei die den einen Lautsprecher ansteuernden elektrischen Signale entsprechend der Intensitätsverminderung, Signalformänderung und Laufzeit verändert und um 180° phasenverschoben zur Ansteuerung des anderen Lautsprechers verwendet. Dieses Verfahren wiederholt sich dann, wobei jetzt mit dem Signal des anderen Lautsprechers so verfahren wird, wie mit dem Signal des einen Lautsprechers, wobei dann das entsprechende Kompensationssignal auf den einen Lautsprecher gegeben wird.
Zweckmäßigerweise werden die Intensitätsverminderung, die Signalformveränderung und die Laufzeit mithilfe von pulsförmigen Signalen gemessen, und es werden die so bestimmten Werte für die Erzeugung der Kompensationssignale verwendet.
Bei einer anderen Ausführungsform werden die Intensitätsverminderung, die Signalformänderung und Laufzeit mithilfe von Signalen mit weißem Rauschen gemessen, und es werden dann die so bestimmten Werte für die Erzeugung der Kompensationssignale verwendet.
Die Kompensationssignale können dann bei einer Ausführungsform mathematisch berechnet werden, nachdem Intensitätsverminderung, Signalformänderung und Laufzeit der Signale beim Durchgang durch den jeweils zweiten Lautsprecher bestimmt worden sind. Das Verhalten der Lautsprecher wird dann durch Veränderung der Parameter für Intensitätsverminderung und Laufzeit akustisch optimiert. Durch Verändern von nur zwei Parametern ist es möglich, das optimale Signal zu finden. Dies kann entweder direkt durch Hören mit den Ohren ohne weitere technische Hilfsmittel oder aber mithilfe von Mikrophonen und Messeinrichtungen erfolgen.
Zweckmäßigerweise wird das Verfahren frequenzabhängig durchgeführt, um optimales Verhalten für unterschiedliche Frequenzen zu erhalten. Dabei können dann auch Signalformänderungen berücksichtigt werden.
Das Verfahren der Erfindung ist wie erwähnt dafür geeignet, eine einseitige Abstrahlung zu erhalten, dass also der Ton eines der Lautsprecher unverzerrt nur in eine Richtung gerichtet wird. Das Verfahren kann aber auch so betrieben werden, dass auch auf den anderen Lautsprecher gegebene Tonsignale ebenfalls nur in eine Richtung, nämlich der zum ersten Lautsprecher entgegengesetzten Richtung abgestrahlt werden. Auf diese Weise kann man mit dem Verfahren mithilfe der beiden Lautsprecher einander nicht beeinflussende Stereosignale abgeben.
Wenn das Verfahren eingestellt beziehungsweise optimiert werden soll, kann man wie gesagt durch Hören oder Messen bei Veränderung der Parameter das optimale Verhalten einstellen. Dieses kann aber auch mathematisch durch Bestimmung der entsprechenden Übertragungsfunktionen geschehen, was im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielsweise erläutert wird. Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung der Lautsprecher mit der Signalbearbeitungsschaltung;
2 eine Aufteilung in Teilsysteme; und
3 ein Schema des Gesamtsystems.
1 zeigt zwei parallele Flachlautsprecher 1, 2, die über elektronische Schaltung (Filter 1, Filter 2) mit dem bearbeiteten Eingangssignal gespeist werden.
Der gewählte Ansatz zur Realisierung der einseitigen Abstrahlung des Lautsprecherpaars erfolgt über die Aufteilung des Gesamtsystems in geeignete Teilsysteme. Die Teilsysteme definieren sich dadurch, dass jeweils für ein Teilsystem nur ein Lautsprecher mit der Eingangsfolge x(n) angesteuert wird und die Ausgangsfolge y(n) das Signal einer der beiden möglichen Seiten in der Umgebung des Gesamtsystems beschreibt. Bei zwei Lautsprechern und zwei möglichen Seiten für die Messung ergeben sich vier Teilsysteme (siehe ).
Nun lassen sich mit weißem Rauschen als Eingangsfolge x(n) Übertragungsfunktionen dieser Teilsysteme aus deren Ausgangs- und Eingangsfolgen bestimmen. Im Anschluss werden dann die benötigten Filterimpulsantworten aus den Übertragungsfunktionen der einzelnen Teilsysteme errechnet. Da die Messung der Ausgangsfolge an genau einem Punkt geschieht, ist die Funktionalität des Systems im Grunde nur an den Messpunkten gewährleistet. Aufgrund der Abstrahlung sehr planarer Wellen der Lautsprecher ist das gewünschte Verhalten jedoch auf der gesamten Fläche und, da die Ausbreitungsgeschwindigkeiten gleich sind, auch in jedem Abstand gegeben.
Zur Bestimmung der Übertragungsfunktionen der Teilsysteme wird jeweils weißes Rauschen als Eingangsfolge gewählt. Aus der Ausgangs- und Eingangsfolge kann nun direkt die Übertragungsfunktion des Teilsystems bestimmt werden.
Die Impulsantwort h_l1(n) des Teilsystems 1 beschreibt die Signalveränderung des Eingangssignals x(n) bis zum aufgenommenen Ausgangssignal y_l1(n) (2). Impulsantwort h_l2(n) des Teilsystems 2 repräsentiert die Veränderung des Eingangssignals x(n) zum Ausgangssignal y_l2(n). Die Transmission durch den hier passiven Lautsprecher 1 und alle Reflexionen sind in der Impulsantwort enthalten.
Im Zeitbereich ergeben sich die Gleichungen für die Teilsysteme 1 bis 4 (siehe 2) zu:
Es folgt für die Teilsystemimpulsantworten:
Y_l1(e^jΩ), Y_l2(e^jΩ), Y_r1(e^jΩ) und Y_r2(e^jΩ) sind die komplexen Spektren der zu messenden Ausgangsfolgen.
Um nun die Filterimpulsantworten zu bestimmen, ist es zunächst notwendig, die geforderten Eigenschaften des Gesamtsystems mit den Eigenschaften der Teilsysteme auszudrücken. Der Signalanteil, den das Eingangssignal x_ein(n) nach der Faltung mit der gesuchten Filterimpulsantwort h_f1(n) und nach der Faltung mit der Impulsantwort h_l1(n) auf der Abstrahlseite ausmacht, ergibt als Formel:
Analog dazu lassen sich die weiteren Signalanteile auf den beiden Seiten des Lautsprecherpaars beschreiben:
Diese Signale sind in 3 gezeigt.
Im Weiteren werden die Substitutionen x₁(n) = h_f1(n)·x_ein(n) und x₂(n) = h_f2(n)·x_ein(n) verwendet.
Auf der Abstrahlseite soll die Überlagerung der Ausgangssignale der Lautsprecher 1 und 2 bei gefilterter Ansteuerung dasselbe Ausgangssignal ergeben wie bei der ungefilterten Ansteuerung des Lautsprechers 1, wobei sich Lautsprecher 2 als passives Element verhält. Die Reflexionen, die am Lautsprecher 2 entstehen und das Signal der Abstrahlseite unerwünscht verändern, werden hier vernachlässigt, da sie sich nicht hörbar auswirken. x_l1(n) + x_l2(n) = h_l1(n)·x_ein(n) (13)
Auf der Auslöschseite soll die Überlagerung der Ausgangssignale der Lautsprecher 1 und 2 bei gefilterter Ansteuerung kein Signal ergeben. Die Ausgangssignale der Lautsprecher sollen sich also auslöschen, so dass Stille auf dieser Seite des Gesamtsystems entsteht. x_r1(n) + x ._r2(n) = 0 (14)
Durch Einsetzen der Gleichungen (9), (10), (11) und (12) erhält man: h_l1(n)·x₁(n) + h_l2(n)·x₂(n) = h_l1(n)·x_ein(n) (15) h_r1(n)·x₁(n) + h_r2(n)·x₂(n) = 0 (16)
Um die Filterimpulsantworten h_f1 und h_f2 bestimmen zu können, wird zur Berechnung der Weg über den Frequenzbereich genommen. H_l1(e^jΩ)X₁(e^jΩ) + H_l2(e^jΩ)X₂(e^jΩ) = H_l1(e^jΩ)X_ein(e^jΩ) (17) H_r1(e^jΩ)X₁(e^jΩ) + H_r2(e^jΩ)X₂(e^jΩ) = 0 (18)
Nach der Rücksubstitution H₁(e^jΩ) = H_f1(e^jΩ)X_ein(e^jΩ) und H₂(e^jΩ) = H_f2(e^jΩ)X_ein(e^jΩ), sowie nach der Auflösung des Gleichungssystems aus Gleichung (17) und (18) nach den Filterübertragungsfunktionen H_f1(e^jΩ) und H_f2(e^jΩ) ergibt sich für diese:
Über die anschließende inverse FFT (iFFT) erhalten wir letztlich die Filterimpulsantworten h_f1(n) und h_f2(n):
Signalberechnung
Die gefilterten Eingangssignale x_f1(n) und x_f2(n), die dann auf die Lautsprecher gegeben werden, sind über eine einfache Faltung mit der jeweiligen Filterimpulsantwort h_f1(n) oder h_f2(n) zu berechnen: x_f1(n) = h_f1(n)·x_ein(n) (22) x_f2(n) = h_f2(n)·x_ein(n) (23)
Da die Filterübertragungsfunktionen H_f1(e^jΩ) und H_f2(e^jΩ) Verstärkungen von bis zu 6 dB aufweisen, wird es dazu kommen, dass die Signale, die nach der Filterung auf den Lautsprecher gegeben werden (x_f1(n) und x_f2(n)), höhere Amplituden und Peaks aufweisen, als das Eingangssignal hatte. Dieses Problem wird behoben, indem nach der Filterung des Eingangssignals x_ein(n) die beiden resultierenden Signale x_f1(n) und x_f2(n) um maximal 6 dB gedämpft werden.
Durch Versuche konnte festgestellt werden, dass die mathematische Methode zur Berechnung der Übertragungsfunktionen zu sehr guten Ergebnissen führt. Die Versuche wurden mit Lautsprechern einer Größe von 60 × 60 cm gemacht, die einige Millimeter dick waren. Bereits in einer ersten praktischen Realisierung wurde eine relativ hohe Dämpfung von bis zu 20 dB über ein breites Frequenzband auf der Auslöschseite erreicht. Die Änderung auf der Abstrahlseite ist wie erwünscht sehr gering und bietet quasi keinen hörbaren Unterschied zu der Abstrahlung mit einem einzigen Lautsprecher. Weitere wesentliche Verbesserungen sind zu erwarten.

Claims

Verfahren zum Steuern des Abstrahlverhaltens von zwei parallel und hintereinander angeordneten, nach beiden Seiten abstrahlenden Flachlautsprechern, bei dem die von dem einen Lautsprecher ausgehenden Tonsignale im Moment des Durchgangs durch den anderen Lautsprecher in demselben durch Kompensationssignale kompensiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationssignale in Intensität und Signalform den Tonsignalen entsprechen, die nach Durchgang durch den anderen Lautsprecher denselben verlassen, und zu diesen um 180° phasenverschoben sind, und dass mithilfe von einem sich so wiederholenden Vorgang die von jeweils einem Lautsprecher erzeugten Kompensationssignale nach Durchgang durch den jeweils anderen Lautsprecher in demselben entsprechend kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den einen Lautsprecher ansteuernden elektrischen Signale entsprechend einer Intensitätsverminderung, Signalformänderung und Laufzeit des Tonsignals vom einen zum anderen Lautsprecher verändert und um 180° phasenverschoben zur Ansteuerung des anderen Lautsprechers verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverminderung, Signalformänderung und Laufzeit mithilfe von pulsförmigen Signalen gemessen werden und die so bestimmten Werte für die Erzeugung der Kompensationssignale verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverminderung, Signalformänderung und Laufzeit mithilfe von Signalen mit weißem Rauschen gemessen werden und die so bestimmten Werte für die Erzeugung der Kompensationssignale verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationssignale mathematisch berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalformänderung bestimmt wird und das Verhalten der Lautsprecher durch Veränderung von Parametern für Intensitätsverminderung und Laufzeit akustisch optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren frequenzabhängig durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es für einseitige Abstrahlung durch das Lautsprecherpaar verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es für zweiseitige Abstrahlung durch das Lautsprecherpaar verwendet wird.