DE19746645C1 - Adaptiver akustischer Monitor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen adaptiven akustischen Monitor gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 und 2, wie er aus der DE 196 19 466 A1 der Anmelderin bekannt ist.

Stand der Technik Beschallung mit Entzerrung der Raumeigenschaften

Die Beschallung insbesondere kleiner Räume mit tieffrequenten Schallsignalen (Nutzsignale wie Sprache und Musik) stößt grundsätzlich auf das Problem, daß die akustischen Eigenschaften der Räume hauptsächlich durch eine modale bzw. stark ortsabhängige Schallpegelverteilung geprägt sind. Der abgestrahlte Direktschall führt durch Wandreflexionen im Raum zu einem Stehwellenfeld und am Empfängerort (Hörer) zu einer Verzerrung. Zur Unterdrückung der modalen Raumeigenschaften bei tiefen Frequenzen können einerseits Schallabsorber eingesetzt werden. Andererseits besteht die Möglichkeit, die modalen Raumeigenschaften bereits bei der Schallabstrahlung zu berücksichtigen, indem das elektrische Nutzsignal vorab um diese Eigenschaften korrigiert bzw. entzerrt wird. Die bislang vorhandenen Entzerrungssysteme (Lautsprecherbox Digital 1. Produktinformation der Canton Elektronik GmbH + Co. KG, Biermann, H.: Wohnraumakustik. Audio 12/1996, S. 174-179) beruhen auf der genauen Bestimmung der Übertragungsfunktion im Frequenzbereich bzw. der Impulsantwort im Zeitbe­ reich zwischen mindestens einer Schallquelle und einem Empfänger im Raum. Aus der Übertragungsfunktion sind Selektivfilter ableitbar, die bei Anwendung auf das abzustrahlende Nutzsignal raumbedingte ortsabhängige spektrale Minima verstärken und Maxima verringern. Die Schallquelle emittiert daraufhin ein Signal, das im Idealfall am Empfängerort dem tatsächlichen Nutzsignal entspricht.

Der sehr große Dynamikbereich der modal bedingten Verzerrungen erfordert zur Kompensation schmalbandige Filter sehr hoher Ordnung mit entsprechender Flankensteilheit. Äquivalent zur Veränderung der Übertra­ gungsfunktion im Frequenzbereich kann die invertierte Impulsantwort im Zeit­ bereich dem Nutzsignal überlagert bzw. mit ihm gefaltet werden. Im Ergebnis ist theoretisch beim Empfänger das unverfälschte Nutzsignal zu erwarten. Die für tiefe Frequenzen typischen langen Nachhallzeiten führen zu dementspre­ chend langen Impulsantworten. Deren Verarbeitung bzw. Faltung stellt hohe Anforderungen an den Speicherbedarf und die Rechengeschwindigkeit der meist digitalen Signalverarbeitung mittels Signalprozessoren. Abgesehen vom meßtechnischen und elektronischen Aufwand bleibt diese Vorgehensweise jeweils nur für eine einzige räumliche Sender-Empfänger-Konstellation gültig und muß selbst bei geringfügig veränderter Positionierung erneuert werden.

Beschallung mit Entzerrung der Lautsprechereigenschaften

Es sind Beschallungsvorrichtungen nach Art eines Lautsprechers, bestehend aus einem elektroakustischen Wandler und einem Gehäuse, bekannt, bei denen die Eigenresonanzen sowie zum Teil auch die nichtlinearen Übertragungseigenschaften des Lautsprechers kompensiert werden, um unerwünschte Verzerrungen des Nutzsignals zu vermeiden. Für diese Systeme ist charakteristisch, daß ein Sensor (Detektionsspule (US 5.533.134), Körperschallaufnehmer (US PS 4.727.584, 4.573.189), Optik (US 4.207.430), Mikrofon (US 4.592.088)) die von einer Antriebsspule erzwungenen Schwingungen des Wandlers erfaßt. Die Ausgangsspannung des jeweiligen Sensors wird nach einer Signalverarbeitung an den Eingang des Lautsprechers rückgekoppelt, d. h. dem Nutzsignal überlagert. Bei der praktischen Realisierung dieser Entzerrung der Lautsprechereigenschaften sind je nach Sensorart dessen Eigenschaften sowie die Übertragungsfunktion zwischen Sensor und elektroakustischem Wandler zu berücksichtigen. Eine gezielte Kompensation der modalen Raumeigenschaften findet nicht statt, da diese Systeme keine geregelte Anpassung an die Raummoden aufweisen.

Dies gilt besonders bei einer Resonanzfrequenz des Lautsprechers, die deut­ lich über den tiefen Resonanzfrequenzen des Raumes liegt.

Das Ziel der weiterhin bekannten EP 658 064 A2 liegt in der Verbesserung der Wiedergabeeigenschaften eines Lautsprechers durch die möglichst stabile Rückkopplung und Verstärkung eines Mikrofonsignals vor dem Lautsprecher. Ein schaltungstechnischer Zusatz in der Rückkopplungsstruktur verspricht dabei eine höhere Stabilität als die zahlreichen bekannten Rückkopplungssysteme (z. B. nach Speaker apparatus. US 4592088).

Aus der DE 36 27 002 A1 ist ein Verfahren und Schaltungsanordnung zur akustischen Kompensation des Umgebungsgeräusches bei Kopfhörerempfang bekannt. Dort befindet sich das verwendete Mikrofon (RM) weder im zu beschallenden Raum noch unmittelbar vor dem Lautsprecher (L). Eine gezielte und abgestimmte Reaktion auf störende Raumresonanzen bzw. deren Unterdrückung im Sinne des erfindungsgemäßen Adaptiven akustischen Monitors ist allein dadurch unmöglich.

Aktive Absorber und Schalldämpfer

Einen ähnlichen Aufbau wie Beschallungsvorrichtungen mit Entzerrung der Lautsprechereigenschaften weisen aktive Schallabsorber und Schalldämpfer (Olson, H. F., May, E. G.: Electronic so und absorber. Journal of the Acoustical Society of America 25 (1953), S. 1130-1136, Reaktiver Schalldämpfer. DE 196 19 466 A1) für den Einsatz in Räumen und Kanälen auf, die mit einem Mikrofon in der Nähe eines Lautsprechers den Schalldruck erfassen und diese Größe verstärkt und invertiert an den Lautsprecher rückkoppeln. Die Reaktion des Lautsprechers führt am Ort des Mikrofons zu einer Reduzierung des Schalldrucks, da bei diesen Systemen kein abzustrahlendes Nutzsignal anliegt. Allerdings beschränkt sich die Wirksamkeit dieser aktiven Schall­ absorber und Schalldämpfer ebenfalls auf einen einmal festgelegten Fre­ quenzbereich, der sich nur durch Austausch der Komponenten (z. B. Laut­ sprecherart, Gehäusegröße) verändern läßt. Die breitbandige Abstimmung mehrerer Systeme ist entsprechend aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Monitor so auszubilden, daß der Frequenzbereich breitbandig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Ansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Beschreibung des adaptiven akustischen Monitors

Der erfindungsgemäße adaptive akustische Monitor umfaßt die Komponenten Lautsprecher (1), Gehäuse (2), ein Mikrofon M1 (3) unmittelbar vor oder an der Lautsprechermembran, ein weiteres Mikrofon M2 (4) im Gehäuse (2) hin­ ter der Lautsprechermembran sowie eine mehrere Elemente enthaltende elektronische Schaltung (5) einschließlich der Zuführung des wiederzugeben­ den Nutzsignales (10), Bild 1. Die Mikrofone M1 (3) und M2 (4) nehmen in einer durch ihre Position definierten Weise das durch die modalen Raumei­ genschaften und die Lautsprechereigenschaften veränderte Schallsignal so­ wie zusätzlich mögliche Störgeräusche (11) (z. B. Ventilatorgeräusche) im Raum (9) auf. Die Mikrofonspannung M1 wird invertiert und nach einer Amplitudenanpassung (8) gleichzeitig mit der durch ein regelbares Dämp­ fungsglied (7) verringerten Mikrofonspannung M2 dem Nutzsignal (10) mittels einer Addiererschaltung (13) überlagert. Das Ergebnis der Überlagerung dient nach einer Verstärkung (6) zur Ansteuerung des Lautsprechers, der daraufhin ein korrigiertes Ausgangssignal (12) abstrahlt. Es handelt sich um eine elek­ troakustische Rückkopplungsschaltung (Bild 2) mit der Übertragungsfunktion des Raumes (9) als Teil eines Rückkopplungszweiges. Bei hoher positiver Signalverstärkung (6) ermöglicht eine Betrags- bzw. Vorzeichenänderung des Dämpfungsgliedes (7) die Abstimmung des adaptiven akustischen Monitors auf beliebige Frequenzbereiche, wie z. B. solche mit besonders ausgeprägten Raumresonanzen oder starken Störgeräuschen. Diese Abstimmung betrifft jedoch nur den Wirkungsbereich hinsichtlich der Abstrahlung, d. h. die Laut­ sprecherresonanz bzw. die damit verbundene Verzerrung wird unabhängig von ihrer spektralen Lage in jedem Fall korrigiert. Insgesamt unterdrückt der adaptive akustische Monitor in einem einstellbaren Frequenzbereich alle Ge­ räuschanteile am Mikrofon M1 (3), die vom Nutzsignal (10) abweichen. Dies entspricht einer Entzerrung des durch die Raumeigenschaften und die Laut­ sprechereigenschaften verzerrten Nutzsignals (10) bereits bei der Abstrahlung und bewirkt zugleich eine Absorption von Störgeräuschen.

Die Wirkung des adaptiven akustischen Monitors läßt sich anhand der Re­ gelungsstruktur im Bild 2 auch durch folgende Gleichung ausdrücken

Der Lautsprecher (1) und das Gehäuse (2) bilden gemeinsam vereinfacht ei­ nen akustischen Serienresonator, bestehend aus einer Resistanz (R), der Masse (jωM) der Lautsprechermembran und der Nachgiebigkeit (1/jωN) des Gehäusevolumens. Unter dieser Voraussetzung sowie bei Normierung der Größen auf die akustische Impedanz der Luft lassen sich die Übertragungs­ funktionen H_L und H_N formulieren und in die oben genannte Gleichung einset­ zen

Im interessierenden tiefen Frequenzbereich sind die Resistanz und die Masse sehr klein, so daß die Gleichung bei der erwähnten hohen positiven Signal­ verstärkung (6) vereinfacht werden kann

Die weitere Interpretation hängt von der Dimensionierung des Dämpfungs­ gliedes (7) ab. Die Einstellung (H_V2 = 1/H_V1) führt z. B. zu folgendem Verhält­ nis zwischen den Störgeräuschen, dem Nutzsignal und dem resultierenden Ausgangssignal:

Diese Relation unterstreicht, daß einerseits Störgeräusche (11) im Raum (9) und andererseits der Einfluß des Raumes (9) auf die Abstrahlung des Nutz­ signales (10) unterdrückt werden. Der adaptive akustische Monitor wirkt so­ wohl absorbierend als auch kompensierend. Die Adaptivität zeigt sich im Vergleich mit einem anderen Vorzeichen der Dämpfung (7). Die Einstellung (H_V2 = -1/H_V1) führt beispielsweise zu folgender Beziehung:

Diese praktisch leicht zu realisierende Einstellung führt zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz, ohne die Wirksamkeit des Gesamtsystems nennens­ wert zu beeinträchtigen.

Eine beispielhafte Ausführung gibt Bild 3 wieder. Bild 4 zeigt anhand der mit dieser Ausführung in einem Raum gemessenen Transferfunktion (Y/X_N) zwischen dem Signal am Mikrofon 1 (3) und dem ursprünglichen Nutzsignal (10) die geglättete Abstrahlung durch den adaptiven akustischen Monitor ab etwa 70 Hz im Vergleich zum Fall ohne Rückkopplung. Neben der Verringe­ rung der modal bedingten Spitzenwerte ist eine Nivellierung der Kurve er­ kennbar, die auf eine zusätzliche Korrektur der Lautsprechereigenschaften hinweist. Dieser Effekt bestätigt sich bei einer Transferfunktionsmessung im Freifeld, deren Ergebnis im Bild 5 dargestellt ist. Die Resonanz der Lautspre­ cherbox bei ca. 112 Hz wird bei der Abstrahlung mit dem adaptiven akusti­ schen Monitor sichtbar reduziert und die gesamte Kurve weist ab 80 Hz einen nahezu ebenen Verlauf auf. Die Absorptionswirkung des adaptiven akusti­ schen Monitors bezüglich eines breitbandigen Störgeräusches (11) bei abge­ schaltetem Nutzsignal (10) belegt der Vergleich im Bild 6 wiederum im Fre­ quenzbereich um 70 Hz. Die Einfügungsdämpfungen im Bild 7 veranschauli­ chen die Abstimmbarkeit eines beispielhaften adaptiven akustischen Monitors mit Hilfe des Dämpfungsgliedes (7) beim Einsatz als Schalldämpfer in einem Kanal.

Grundsätzlich gilt, daß durch die Verwendung mehrerer, unterschiedlich ab­ gestimmter, adaptiver akustischer Monitore im Raum die Raumeigenschaften stärker unterdrückt werden bzw. die Schallabsorption steigt. Eine Ausgestal­ tung stellt die Integration in komplexen Beschallungsvorrichtungen (z. B. Mehrwege-Boxen) und Beschallungssystemen (z. B. Stereophonie) dar. Bei der Anwendung als Schalldämpfer in Kanälen sind großflächige Wandaus­ kleidungen aus mehreren, unterschiedlich abgestimmten, adaptiven akusti­ schen Monitoren vorgesehen.

Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik

Mit der vorliegenden Erfindung werden bereits bei der Abstrahlung sowohl die tieffrequenten Raumeigenschaften als auch die Lautsprecherresonanzen deutlich besser kompensiert. Dies ergibt sich durch die kombinierte Auswer­ tung der Signale eines Mikrofons unmittelbar vor dem Lautsprecher und eines zweiten Mikrofons im Gehäuse hinter dem Lautsprecher. Die technisch sehr einfache Anordnung ist im Frequenzbereich abstimmbar und gewährleistet damit eine hohe Adaptivität an den gegebenen Raum. Trotz vergleichsweise kleiner Gehäuseabmessungen des Lautsprechers wird die Kompensation und Absorption selbst bei sehr tiefen Frequenzen möglich. Alle Systemelemente können im kompakten Gehäuse integriert sowie durch eine schalldurchlässige Abdeckung (14) an der Frontseite des Gehäuses gegenüber äußerem Zugriff schützt werden und es entfällt die jeweilige Bestimmung der Übertragungs­ funktion zwischen Schallquelle und Empfänger.

Bei ausgeschaltetem bzw. kleinem Nutzsignal bezieht sich die Abstimmbarkeit und Wirksamkeit auf die Dämpfung tieffrequenter Störgeräusche in einem Raum oder Kanal. Die Abstimmung mittels des elektrisch einfach regelbaren Dämpfungsgliedes (7) gestattet beim Einsatz mehrerer adaptiver akustischer Monitore eine gemeinsame übergeordnete elektrische oder anderweitig fern­ gesteuerte Regelung aller Einzelsysteme.

Der erfindungsgemäße Adaptive akustische Monitor zielt auf die Kompensation der akustischen Eigenschaften, insbesondere der tieffrequenten Raumresonanzen, des zu beschallenden Raumes bereits bei der Abstrahlung. Dies erfordert einerseits die Erfassung des vom Raum veränderten Ursprungssignals und andererseits die Kompensation dieser Veränderungen mit Hilfe einer Rückkopplungsstruktur. Eine Grundvoraussetzung dafür ist die unmittelbare akustische Ankopplung des Adaptiven akustischen Monitors an den Raum, d. h. der Lautsprecher (1) muß direkt in den Raum abstrahlen und das Mikrofon M1 (3) muß das im Raum erzeugte Schallfeld am Ort der Abstrahlung erfassen. Die Modifikation des mit dem Mikrofon M2 (4) im Gehäuse (2) hinter der Lautsprechermembran gewonnenen Schalldrucksignals ermöglicht die effektive Abstimmung des Adaptiven akustischen Monitors auf die Frequenzen oder Frequenzbereiche mit den am meisten störenden akustischen Raumeigenschaften.

Diese unterschiedlichen Ziele äußern sich auch im unterschiedlichen Aufbau des erfindungsgemäßen adaptiven akustischen Monitors und des in der bereits erwähnten EP 658 064 A2 beschriebenen Verfahrens, das teilweise ebenfalls mit zwei Mikrofonen (z. B. Fig. 45) operiert. Der in den betreffenden Ausgestaltungen von EP 658 064 grundsätzlich enthaltene passive Strahler (passive radiator 43, ab Spalte 23, Zeile 57) dient gerade der Dämpfung von Störungen, die aus dem zu beschallenden Raum auf den Wiedergabelautsprecher (speaker 42) einfallen. Eine derartige Trennung vom Raum wird in der EP 658 064 gleichsam als eine Voraussetzung für die angestrebte stabile Kompensation der Lautsprechereigenschaften angegeben. Weiterhin formen der passive Strahler (passive radiator 43) und der Laut­ sprecher (speaker 42) einen zusätzlichen Hohlraum (enclosed space 41 B), der in der Art eines akustischen Filters die vom Raum hervorgerufenen Veränderungen des abgestrahlten Signals zumindest verzerrt. Die gezielte Erfassung und Kompensation von Raumeigenschaften ist mit einer Konfiguration z. B. nach Fig. 45 in der EP 658 064 im Gegensatz zum erfindungsgemäßen adaptiven akustischen Monitor nicht möglich.

Eine weitere Funktion des erfindungsgemäßen Adaptiven akustischen Monitors richtet sich auf die ausschließliche Dämpfung tieffrequenter Störgeräusche (11) in einem Raum oder Kanal. In diesem Fall ist das elektrische Nutzsignal (10) sehr klein oder Null, so daß nur die Störgeräusche am Mikrofon M1 (3) anliegen. Die invertierende Rückkopplung und Verstärkung des Mikrofonsignals von M1 (3) ergibt das Eingangssignal für den Lautsprecher (2), der als Teil der Raum- oder Kanalwand daraufhin dem Störschalldruck nachgibt und diesen dadurch reduziert. Die Einbeziehung des mit dem Mikrofon M2 (4) im Gehäuse (2) hinter der Lautsprechermembran gewonnenen Schalldrucksignals ermöglicht wiederum die Abstimmung des adaptiven akustischen Monitors auf die Frequenzen oder Frequenzbereiche der Störgeräusche.

Diese Funktion des erfindungsgemäßen Adaptiven akustischen Monitors ist in der EP 658 064 weder erwähnt noch ist sie mit einer derartigen Anordnung möglich. Der z. B. in Fig. 45 dort enthaltene passive Strahler (passive radiator 43) sowie der zusätzliche Hohlraum (enclosed space 41B) vor dem Lautsprecher (speaker 42) verhindern sowohl die direkte Erfassung von Störgeräuschen im Raum als auch deren gezielte Dämpfung.

Angesichts der unterschiedlichen schaltungstechnischen Vorgehensweise und vor allem der gänzlich anderen Ankopplung des erfindungsgemäßen Adaptiven akustischen Monitors an den zu beschallenden bzw. zu bedämpfenden Raum beschränken sich die Gemeinsamkeiten mit der EP 658 064 A2 auf die Verwendung von zum Teil gleichen Systemkomponenten.

Claims (8)

1. Adaptiver akustischer Monitor nach Art einer Beschallungsvorrichtung, bestehend aus einem Lautsprecher (1) mit schalldichtem Gehäuse (2), einem Mikrofon (3) am oder unmittelbar vor dem Lautsprecher (1) sowie einem zwei­ ten Mikrofon (4) im Gehäuse (2) hinter dem Lautsprecher (1), die ein am Eingang anliegendes elektrisches Nutzsignal (10) in ein Schallsignal umwan­ delt und abstrahlt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lautsprecher (1) direkter Bestandteil der Schallfeldbegrenzung im Raum (9), z. B. einer Raumwand, ist und daß das vom Mikrofon (3) erfaßte und invertierte erste Schalldrucksignal gemeinsam mit dem vom zweiten Mikrofon (4) erfaßten sowie nach Vorzeichen und Betrag regelbar verringerten zweiten Schalldrucksignal dem elektrischen Nutzsignal (10) mittels einer Addiererschaltung (13) überlagert und verstärkt werden, so daß statt des elektrischen Nutzsignals (10) ein auf störende Raumresonanzen abgestimmtes resultierendes Signal (12) am Eingang des Lautsprechers (1) anliegt und in den Raum (9) abgestrahlt wird.

2. Adaptiver akustischer Monitor nach Art eines Rückkopplungssystems, bestehend aus einem Lautsprecher (1) mit schalldichtem Gehäuse (2), einem Mikrofon (3) am oder unmittelbar vor dem Lautsprecher (1) sowie einer Verstärkerschaltung (6), bei der das vom Mikrofon (3) erfaßte Störsignal (11) invertiert und verstärkt an den Lautsprecher (1) rückgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lautsprecher (1) direkter Bestandteil der Schallfeldbegrenzung im Raum (9), z. B. einer Raum- oder Kanalwand, ist und daß das vom Mikrofon (3) erfaßte und invertierte Schalldrucksignal des Störsignals (11) gemeinsam mit dem von einem zweiten Mikrofon (4) im Gehäuse (2) hinter dem Lautsprecher (1) erfaßten sowie in Abhängigkeit vom Frequenzbereich des Störsignals (11) nach Vorzeichen und Betrag regelbar verringerten Schalldrucksignal mittels einer Addiererschaltung (13) überlagert und nach einer Verstärkung (6) an den Lautsprecher (1) rückgekoppelt wird.

3. Adaptiver akustischer Monitor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Komponenten des adaptiven akustischen Monitors im Gehäuse (2) integriert sind und daß eine schalldurchlässige Abdeckung (14) der Frontseite des Gehäuses (2) gegenüber äußerem Zugriff vorgesehen ist.

4. Adaptiver akustischer Monitor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere adaptive akustische Monitore in einem Raum (9) als Schallquelle für ein Nutzsignal (10) oder bei abgeschaltetem Nutzsignal (10) als Schallabsorber für Störgeräusche (11) vorgesehen sind.

5. Adaptiver akustischer Monitor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere adaptive akustische Monitore ohne Zuführung eines Nutzsigna­ les (10) in einem Raum (9) als Schallabsorber oder in einem Kanal als Schalldämpfer für Störgeräusche (11) vorgesehen sind.

6. Adaptiver akustischer Monitor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Monitor Teil einer komplexen Beschallungsvorrichtung nach Art von Mehrwege- oder Mehrkanalsystemen ist.

7. Adaptiver akustischer Monitor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Monitor Teil einer komplexen Schallabsorber- oder Schalldämpferanordnung ist, wobei eine gemeinsame elektrische oder anderweitig ferngesteuerte Regelung aller Einzelsysteme vorgesehen ist.

8. Adaptiver akustischer Monitor nach einem der Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche unabhängig regelbare Vorverstärkung des Nutzsignals (10) vorgesehen ist.