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Schaltungsanordnung für ein elektroakustisches Gerät
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein elektroakustisches
Gerät nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Elektroakustische Geräte der hier interessierenden Art werden zur
Beschallung von Räumen, üblicherweise mittels eines Lautsprechers, eingesetzt. Die
Beschallungsstärke, also die Lautstärke im beschallten Raum, wird dabei durch einen
regelbaren Verstärker von Hand eingestellt. Herrscht nun in dem beschallten Raum
ein Störgeräusch, dessen Stärke variiert, so ist keine befriedigende Lautstärke-Einstellung
möglich. Ein gutes Beispiel für solch ein elektroakustisches Gerät ist ein Autoradio.
Stellt der Fahrer die Lautstärke des Radiogeräts bei stillstehendem Fahrzeug ein,
so wird der Ton schon bei anfahrendem Fahrzeug zu leise sein. Es muß nachgeregelt
werden. Auch während der Fahrt ändert sich der Störgeräuschpegel im Fahrgastraum
dauernd. Wird beispielsweise aus einem höheren Gang zurückgeschaltet, so erhöht
sich die Motordrehzahl; dies ist regelmäßig mit stärkerem Geräusch verbunden. Das
Autoradio ist plötzlich zu leise; wichtige Informationen, beispielsweise Verkehrsdurchsagen
können verloren gehen. Fährt das Kraftfahrzeuq aus einer engen Håusergasse, wo der
Schall
stark reflektiert wird, in freie Landschaft, so verringert sich der Störgeräuschpegel.
Andererseits erhöhen sich mit zunehmender Fahrtgeschwindigkeit Wind-, Motor- und
sonstige Fahrtgeräusche. Der Fahrer ist somit gezwungen, die Lautstärke des Radiogeräts
fortlaufend nachzuregeln. Hierzu muß er eine Hand vom Lenkrad nehmen; zudem weicht
der Blick einige Zeit von der Straße ab. Dies stellt eine beträchtliche Gefahr für
die Verkehrssicherheit dar.
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Ein weiteres Beispiel für ein elektroakustisches Gerät der fraglichen
Art ist eine Lautsprecheranlage für eine Halle oder einen Freiraum, wo - beispielsweise
bei Massenveranstaltungen -mit stark unterschiedlicher Geräuschkulisse gerechnet
werden muB.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung
für ein elektroakustisches Gerät der eingangs genannten Art anzugeben, bei der selbsttätig
der Störgeräuschabstand durch Nachregelung der Verstärkung konstant gehalten wird.
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Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch beschriebene Erfindung
gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit
Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen Fig.1 das schematische Schaltungsdiagramm
einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 das schematische Schaltungsdiagramm
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig.3 das schematische Schaltungsdiagramm
für ein Radiogerät nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig.
4 eine Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Schaltungsdiagramms zum gleichzeitigen
Senderschwund-Ausgleich bei Radiogeräten.
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Die in Figur 1 schematisch dargestellte Ausführungsform der Erfindung
ist allgemein für solche elektroakustische Geräte geeignet, die eine Tonfrequenz
oberhalb der Hörschwelle, beispielsweise 2O kHz, übertragen können. Zusätzlich wird
angenommen, daß das Frequenzspektrum des Störgeräuschs, in dem das Gerät arbeitet,
eine charakteristische Frequenz aufweist (bzw. ein Frequenzband), die außerhalb
des Signal-Ubertragungsbereichs des elektroakustischen Geräts liegt. Für Autoradiogeräte
kann ein solches charakteristisches Frequenzband unterhalb von etwa 50 Hz angenommen
werden.
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Wie alle elektroakustischen Geräte der in Rede stehenden Art, weist
auch die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung einen Signalkanal auf, der
aus Vorstufen, insgesamt mit 1 gekennzeichnet, sowie einem Endverstärker 2 besteht.
Das Ausgangssignal des Endverstärkers, der als spannungsabhängiger Verstärker ausgebildet
ist, wird dem Lautsprecher 3 zugeführt. Die Vorstufen 1 enthalten bei einem Radiogerät,
je nach Schaltungsart, Hoch-, Zwischen- und Niederfrequenzstufen. Bei einem Tonbandgerät
oder einem Kassettenrecorder sind nur Niederfrequenzstufen vorhanden. Die Schaltungsanordnung
nach Figur 1 eignet sich für alle diese Geräte.
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Ein Tonfrequenzgenerator 4 ist vorgesehen, der bei einer Frequent
f0 schwingt. Diese liegt knapp oberhalb des Hörbereichs, beispielsweise bei 18 bis
20 kHz. Das Ausgangssignal des Tonfrequenzgenerators 4 wird vor dem Endverstärker
2 in den Signalkanal eingespeist, in dem Endverstärker 2 verstärkt und auf den Lautsprecher
3 gegeben.
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In dem vom Lautsprecher 3 beschallten Raum befindet sich ein Mikrofon
5, welches das gesamte Geräusch in diesem Raum erfaßt.
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Dieses Geräusch enthält einen ersten Anteil, der dem Informationssignal
entspricht, einen zweiten Anteil, welcher dem Pilotton mit der Frequenz f entspricht,
sowie einen dritten An-0 teil, der dem Sörgeräusch der Umgebung entspricht. Das
Ausgangssignal des Mikrofons 5 wird, falls erforderlich, auf einen Verstärker 6
gegeben, dessen Ausgang mit einem Hochpaßfilter 7 und einem Tiefpaßfilter 8 verbunden
ist.
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die Grenzfrequenz des Hochpaßfilters 7 liegt direkt unterhalb der
Frequenz f0 des Pilottons, sodaß im wesentlichen nur dieser Pilotton dieses Hochpaßfilter
7 passiert. Die Größe des Ausgangssignals des Hochpaßfilters 7 ist ein Maß für den
jeweiligen Verstärkungsfaktor des Endverstärkers 2 und damit für die Lautstärke
des Informationssignals. Das Informationssignal selbst kann hierfür nicht herangezogen
werden, da es im Regelfall dynamisch ist und auch Pausen enthalten kann.
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Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 8 liegt knapp unter dem Signal-Ubertragungsbereich,
sodaß beispielsweise nur Frequenzen unter 50 Hz durch das Tiefpaßfilter 8 gelangen.
Wie oben erläutert, sind diese Frequenzen im Regelfall für die Stärke des Störgeräuschs
in einem Kraftfahrzeug repräsentativ.
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Die Ausgangssignale der Filter 7,8 werden durch die Dioden 9, 10 gleichgerichtet
und auf die Divisionsstufe 11 gegeben. Der Ausgang der Divisionsstufe 11 ist mit
dem Eingang des Komparators 12 verbunden, der ein zweites Eingangssignal vom Abgriff
des Potentiometers 13 erhält. Das Potentiometer 13 dient zur Einstellung des gewünschten
Störgeräuschabstands und ersetzt den herkömmlichen Lautstärkeregler. 2 Der Ausgang
des Komparators 12 führt zu einem Integrator 14, dessen Ausgangssignal den spannungsabhängigen
Endverstärker 2 aussteuert.
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Die Funktionsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung ist folgende:
Im abgeglichenen Zustand stimmt der Istwert des Störgeräuschabstands mit dem Sollwert
überein. Dann ist das Ausgangssignal der Divisionsstufe 11 gleich der am Potentiometer
13 abgegriffenen Spannung. Das Ausgangssignal des Komparators 12 ist null; die Ausgangsspannung
des Integrators 14 und der Verstärkungsfaktor des Endverstärkers 2 sind zeitlich
konstant.
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Wenn das Störgeräusch nun lauter wird, beispielsweise durch Zurückschalten
beim Kraftfahrzeug, fällt der am Ausgang der Divisionsstufe 11 gebildete Quotient
unter den Sollwert ab. Das Ausgangssignal des Komparators ist positiv; Ausgangsspannung
des Integrators 14 und Verstärkungsfaktor des Endverstärkers 2 wachsen solange an,
bis der Qutient am Ausgang der Divisionsstufe 11 wieder den Sollwert erreicht hat.
Dann wird das Ausgangssignal des Komparators 12 wieder null; Ausgangsspannung des
Integrators 14 sowie Verstärkungsfaktor des Endverstärkers 2 sind wieder - auf höherem
Wert - zeitlich konstant.
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Wird das Störgeräusch leiser, wenn beispielsweise das Kraftfahrzeug
langsamer fährt, so wächst der Quotient am Ausgang der Divisionsstufe über den Sollwert
an. Das Ausgangssignal des Komparators 12 wird negativ; die Ausgangsspannung des
Integrators 14 und der Verstärkungsfaktor des Endverstärkers 2 fallen ab, bis bei
niedrigeren Werten ein neuer Abgleich erreicht ist.
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Die in Figur 2 dargestellte Schaltungsanordnung wird dann verwendet,
wenn das Frequenzspektrum des Störgeräuschs völlig im Signal-Übertragungsbereich
liegt. Dann kann nicht, wie in Figur 1, durch ein einfaches Filter ein für das Störgeräusch
re-.
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präsentatives Signal erhalten werden.
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Die meisten Elemente der Schaltungsanordnung nach Figur 2 stimmen
mit
solchen aus der Figur 1 überein; sie tragen dasselbe Bezugszeichen, um 100 erhöht.
So umfaßt der Signalkanal auch hier Vorstufen, die durch die Bezugszahl 101 gekennzeichnet
sind, und einen spannungsabhängigen Endverstärker 102. Ein Tonfrequenzgenerator
104 erzeugt einen Pilotton, der dem Signalkanal vor dem Endverstärker 102 zugeführt
wird und dessen Frequenz f 0 knapp oberhalb der Hörschwelle liegt. Der Lautsprecher
103 strahlt sowohl die eigentliche Information als auch den verstärkten Pilotton
ab.
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Das Mikrofon 105 ist im beschallten Raum angeordnet. Sein Ausgangssignal
wird über den Verstärker 106 auf das Hochpaßfilter 107 und das Tiefpaßfilter 108
gegeben. Das Hochpaßfilter 107 läßt im wesentlichen nur den Pilotton passieren,
der durch die Diode 109 gleichgerichtet und auf den Eingang der Divisionsstufe 111
gegeben wird.
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Das Tiefpaßfilter 108 besitzt eine Grenzfrequenz, die im wesentlichen
gleich der Grenzfrequenz des Hochpaßfilters 107 ist.
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Das heißt, das Tiefpaßfilter 108 läßt im wesentlichen alle Frequenzen
mit Ausnahme des Pilottons passieren. Das durch die Diode 118 gleichgerichtete Ausgangssignal
des Tiefpaßfilters 108 ist somit für die Summe aus empfangenem Informationssignal
und Störgeräusch repräsentativ. Es wird auf einen Eingang einer Subtraktionsstufe
gegeben, wo eine dem empfangenen Informationssignal entsprechende Spannung subtrahiert
wird.
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Diese Spannung wird wie folgt gewonnen: Zwischen spannungsabhängigem
Verstärker 102 und Lautsprecher 103 ist ein Filter-und Quadrierkreis 116 angeschlossen.
Dieser enthält ein Tiefpaßfilter, das im wesentlichen mit dem Tiefpaßfilter 108
übereinstimmt. Das gefilterte, nur Information enthaltende Signal wird hier außerdem
quadriert. Die durch die Diode gleichgerichtete und an das Potentiometer 119 gelegte
Spannung ist ein Maß für die vom Lautsprecher 103 abgestrahlte Informationsschallstärke.
Diese
wiederum ist proportional dem vom Mikrofon 105 empfangenen Informationssignal. Am
Potentiometer 119 läßt sich somit eine Spannung abgreifen, die gleich dem Informationsanteil
im gleichgerichteten Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 108 ist.
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Der Schleifer des Potentiometers wird hierzu bei konstanter Störgeräuschlautstärke
so eingestellt, daß bei Variationen der Informationslautstärke am Ausgang der Subtraktionsstufe
115 keine Spannungsschwankungen auftreten. Dann ist das Ausgangssignal der Subtraktionsstufe
115, das auf den zweiten Eingang der Divisionsstufe 111 gegeben wird, allein für
die Störgeräusch-Lautstärke repräsentativ.
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An die Divisionsstufe 111 schließen sich wie bei der Ausführungsform
von Figur 1 ein Komparator 112, das den Sollwert vorgebende Potentiometer 113 und
der den spannungsabhängigen Verstärker ansteuernde Integrator 14 an. Die Funktion
der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform stimmt mit derjenigen der Schaltungsanordnung
von Figur 1 vollständig überein.
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Sofern es sich bei den nach den Figuren 1 und 2 gebauten Geräten um
Radiogeräte handelt, können die Schaltungsanordnungen leicht so ausgebaut werden,
daß ein selbsttätiger Senderschwund-Ausgleich stattfindet. Dies ist (für die Ausführungsform
nach Figur 1) in Figur 4 gezeigt. Bauelemente, die solchen aus Figur 1 entsprechen,
sind mit denselben Bezugszeichen zuzüglich 200 gekennzeichnet.
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Aus den Vorstufen 201 ist hier eine Hochfrequenzstufe 201 a herausgezeichnet.
Aus ihr wird eine Gleichspannung ausgekoppelt, die der empfangenen Senderfeldstärke
proportional ist. Im Tonfrequenzgenerator 204 ist ein spannungsabhängiger Verstärker
integriert, der von der aus der Hochfrequenzstufe 201 a ausgekoppelten Gleichspannung
angesteuert wird. Auf diese Weise
ist die Amplitude des vor dem
Endverstärker 202 in den Signalkanal eingespeisten Pilottons proportional zur empfangenen
Senderfeldstärke. Wird etwa bei einem Autoradio mit zunehmender Entfernung des Fahrzeugs
vom Sender dessen Empfangs feldstärke kleiner, so fällt der Quotient am Ausgang
der Divisionsstufe (in Figur 1: 11) unter den Sollwert ab. Die Verstärkung wird
auf dieselbe Weise nachgeregelt, wie dies bei einer Erhöhung des Störgeräuschs der
Fall wäre.
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Stößt die Verwendung eines Pilottons oberhalb der Hörschwelle auf
Schwierigkeiten, etwa, weil der Endverstvrker und der Lautsprecher keinen entsprechenden
Frequenzgang aufweisen, so kann bei Radiogeräten die in Figur 3 dargestellte Schaltungsanordnung
verwendet werden. Auch bei ihr wird ein konstanter, wählbarer Störgeräuschabstand
bei gleichzeitigem Senderschwund-Ausgleich erzielt. Soweit Bauelemente aus Figur
3 solchen aus Figur 1 entsprechen, sind sie mit derselben Bezugszahl zuzüglich 300
gekennzeichnet.
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Der Signalkanal umfaßt wieder mehrere Vorstufen 301, aus denen eine
Hochfrequenzstufe herausgezeichnet ist. Aus dieser Hochfrequenzstufe 301 a wird
ein Signal ausgekoppelt, das der empfangenen Senderfeldstärke proportional ist.
Dieses Signal wird dann durch die Diode 309 gleichgerichtet und an einen Eingang
der Divisionsstufe 311 gelegt.
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Im Signalkanal liegt wieder ein spannungsabhängiger Verstärker 302;
ein Tonfrequenzgenerator ist jedoch nicht vorhanden.Das im vom Lautsprecher 303
beschallten Raum angeordnete Mikrofon 305 erzeugt ein Ausgangssignal, das im Mikrofonverstärker
306 verstärkt wird. Aus dem verstärkten Mikrofonsignal wird mittels eines Tiefpaßfilters
308 auf dieselbe Weise ein für das Störgeräusch repräsentatives Signal erzeugt,
wie dies für die Figur 1 oben beschrieben wurde. Selbstverständlich läßt sich zur
Erzeugung dieses Signals auch die Schaltungsart verwenden, die
anhand
der Figur 2 beschrieben wurde, Das Ausbangssignal des Tiefpaßfilters 308 wird durch
die Diode 310 gleichgerichtet und an den zweiten Eingang der Divisionsstufe 311
gelegt. Die am Ausgang der Divisionsstufe erscheinende Spannung wird an einen Eingang
des Komparators 312 gelegt, dessen anderer Eingang wieder mit dem Abgriff eines
Potentiometers 313 verbunden ist. Der Ausgang des Komparators 312 steuert direkt
oder über einen (nicht dargestellten) Verstärker den spannungsabhängigen Verstärker
302 an.
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Die Funktion der Ausführungsform nach Figur 3 unterscheidet sich von
der Funktion der zuvor beschriebenen Ausführungsformen dadurch, daß hier kein Abgleich
erfolgt. Die Ausgangsspannung des Komparators 312 wird nie null; ihre Größe hängt
davon ab, wie stark der von der Divisionsstufe 311 ermittelte Quotient vom Sollwert
abweicht. Gleichwohl wird im beschallten Raum ein im wesentlichen konstanter Störgeräuschabstand
aufrechterhalten.
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We;nn in besonderen Fällen die Lautstärke des Störgeräuschs nur von
wenigen, leicht erfaßbaren Parametern, beispieweise von der Drehzahl eines Motors,
abhängt, kann dieser Parameter durch einen entsprechenden Wandler erfaßt und als
für das Störgeräusch repräsentatives Signal verwendet werden. Bei der Ausführungsform
nach Figur 3 ist dann kein Mikrofon mehr erforderlich.
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Alle in den Kästen der Figuren 1 bis 4 symbolisierte Schaltkreise
sind in den verschiedensten Ausführungen im Handel erhältlich und dem Fachmann bekannt.
Sie brauchen daher nicht näher erläutert zu werden. Die gegenüber herkömmlichen
Geräten zusätzlich verwendeten Bauelemente, insbesondere die Filter, die Divisions-
und Integrationsstufen, der Komparator und der Tonfrequenzgenerator brauchen nicht
hochwertig zu sein. Sie müssen ihre Funktion nur qualitativ, nicht aber quantitativ
genau
ausführen. Auch eine besondere Temperaturkompensation ist in der Regel nicht erforderlich.
Solche Bauelemente sind sehr preiswert. Bei Tonbandgeräten, Kassettenrecordern oder
kombinierten Radiorecordern ist ein Mikrofon schon vorhanden, das während der Wiedergabe
für die Zwecke der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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Die Gesamtkosten zur Herstellung eines erfindungsgemäßen, elektroakustischen
Geräts brauchen somit nicht nennenswert über denen herkömmlicher Geräte zu liegen.
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Statt des oben beschriebenen, in der Divisionsstufe gebildeten Quotienten
kann zur Darstellung des Störgeräuschabstands auch eine andere arithmetische 3 Funktion
gebildet werden, die den jeweiligen Umgebungsbedingungen und dem subiektiven Hörempfinden
entspricht. Entsprechende Funktionsgeneratoren sind bekannt.
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- Patentansprüche -