DE2747821C2 - Verstärkeranordnung für akustische Signale mit Mitteln zum Unterdrücken unerwünschter Störsignale - Google Patents

Description

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Die Erfindung geht aus von einer Verstärkeranordnung für akustische Signale mit Mitteln zum Unterdrükken unerwünschter Störsignale mit einem Hochpaßfilter, das einen Teil des zu verstärkenden Signals zum Liefern eines Regelsignals abscheidet, womit der Verstärkungsgrad der Anordnung rückgeregelt wird.

Eine derartige Verstärkeranordnung, die zum Aufzeichnen von Sprachsignalen gemeint ist, ist aus der britischen Patentschrift 12 28 795 bekannt. Da Zischgerausche in Sprachsignalen unerwünscht sind, ist diese Anordnung mit einem Diskriminator versehen, der beim Auftritt dieser Zischgeräusche ein Rückregelsignal zum Endverstärker abgibt, wodurch die Zischgeräusche verschwinden.

Der Diskriminator enthält dazu ein Hochpaßfiiier, dessen Grenzfrequenz auf 6000 Hz liegt. Dabei ist es wichtig, Störsignale, die durch akustische Rückkopplung entstehen - sogenannte Rückkopplungssignale - zu unterdrücken.

Dieses Rückkopplungssignal kann bei verschiedenen Frequenzen, beispielsweise zwischen 800 und 10 000 Hz auftreten und zwar abhängig von der akustischen Rück-

zut Unterdrücken von durch akustische Rückkopplung erzeugten Störsignalen

kopplungsstrecke, die das Signal zurücklegt. Sollte nun die genannte bekannte Anordnung durch Senkung der Grenzfrequenz des Hochpaßfilters zugleich zum Unterdrücken der Rückkopplung verwendet werden, so stellt es sich heraus, daß dies in der Praxis zwar möglich ist, aber nicht ohne Verlust der Klangfarbe der Zischgeräusche in dem zu verstärkenden akustischen Signal.

Wird die akustische Rückkopplung durch ein derartiges Zischgeräusch verursacht, so wird die Verstärkung während der ganzen Zeitdauer dieses Zischgeräusches zurückgeregelt sein. Beim auftretenden Zischgeräusch, beispielsweise in dem Wort »scheveningen« beträgt diese Zeit mehr als 600 ms. Es dürfte einleuchten, daß in einem derartigen Fall die Klangfarbe des zu verstärkenden akustischen Signals stark beeinflußt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer sehr schnellen Regelung, die die Klangfarbe des Signals praktisch nicht beeinträchtigt, die akustische Rückkopplung derart zu beschränken, daß die Rückkopplungsschwingung unterhalb eines bestimmten Lautstärkepegels bleibt, d. h. daß diese akustische Rückkopplung von einem Zuhörer nicht als belästigend erfahren oder sogar überhaupt nicht wahrgenommen wird.

Gelöst wird die Aufgabe bei einer Verstärkeranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch, daß der Ausgang des Hochpaßfilters mit einem Periodizitätsdetektor verbunden ist, der zwischen Signalen mit regelmäßiger Periodizität und denen mit unregelmäßigem Charakter wie Rausch- oder Sprachsignale einen Unterschied macht, wobei das genannte Regelsignal dem Ausgang des Periodizitätsdetektors entnommen wird.

Ein Periodizitätsdetektor, wie dieser beispielsweise in I.P.O. Annual Progress Report, Nr. 5, 1970, Seiten 188-197 beschrieben worden ist, wird für Sprachanalyse verwendet und kann auf sehr schnelle Weise - in der Größenordnung einiger Millisekunden - signifikante periodische Signale von unregelmäßigen Signalen unterscheiden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein derartiger Periodizitätsdetektor zum Feststellen ob eine elektroakuitische Verstärkeranlage zur akustischen Rückkopplung neigt, durchaus geeignet ist.

Ein derartiger Detektor bietet die Möglichkeit, daß die Regelung derart schnell einsetzt, daß das weitere Anwachsen einer akustischen Rückkopplungsschwingung vermieden und die Klangfarbe des zu verstärkenden Signals nicht beeinträchtigt wird.

Im Gegensatz zu dem, was mit der bekannten Anordnung nach der genannten britischen Patentschrift erreicht werden kann, wird in der erfindungsgemäßen Anordnung die Regelung nur einsetzen, wenn eine Neigung zur akustischen Rückkopplung entsteht, während in der erstgenannten Anordnung jede übermäßige Erzeugung von hohen Tönen zu einer Rückregelung der Vestärkung führt. Der obengenannte bekannte Periodizitätsdetektor ist mit zwei Spitzendetektorkreisen ausgebildet, die untereinander eine stark verschiedene Zeitkonstante aufweisen. Sie arbeiten wechselweise mittels einer logischen Schaltung, wobei eine einzelne Frequenz mit einer Genauigkeit von 10% uesiiiniiinui ist. Diese Bestimmung erfolgt nach Messung nur zwei regelmäßig aufeinanderfolgender Perioden, aber die Praxis hat gezeigt, daß für eine zuverlässige Messung eines akustischen Rückkopplungssignals diese Anzahl vorzugsweise auf beispielsweise 5 Perioden erhöht werden kann.

Da dieser Periodizitätsdetektor sich für einen Fre-

quenzbereich von 800 Hz bis 4000 Hz eignet, ist die ikwu erforderliche Zeit weniger als 6 Millisekunden.

Da die Rückregelzeit des Verstärkers ebenfalls sehr klein, beispielsweise 2 Millisekunden sein kai.n, weist die erfindungsgemäße Verstärkerordnung den Vorteil s auf, daß das Auftreten einer akustischen Rückkopplung auf weniger als 0,01 Sekunde beschränkt bleiben kann. Diese Zeit ist zu kurz, um diese akustische Rückkopplung zu belästigenden Weiten ansteigen zu lassen.

Wenn die akmtische Rückkopplung einsetzt, wird die elektroakustische Verstärkeranordnung als Oszillator wirksam.

Die akustische Rückkopplungsschwingung weist dann eine immer größer werdende Amplitude auf.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Periodizitätsdetektor einen einfachen Spitzendetektor, dessen Zeitkonstante der der Grenzfrequenz des Hochpaßfilters nahezu entspricht, welcher Spitzendetektor einem logischen Kreis eine Anzahl Impulse liefert, deren Lage der der Spitzen des akustisehen Rückkopplungssignals entspricht, welcher Kreis eine Anzahl Zeittore enthält, wodurch in nahezu gleichen Zeitabständen liegende Impulse zu einer Zählanordnung weitergeleitet werden, die nach Empfang mindestens vier dieser Impulse einen Schalter in einem Regelkreis betätigt, wodurch der Verstärkeranordnung das genannte Regelsignal abgegeben wird.

Die Verstärkeranordnung nach der Erfindung ist außer für Saalverstärkung durchaus verwendbar in Aufrufanlagen, Handfernsprechern und Hörgeräten.

Bei Saalverstärkung haben das Mikrophon und der Lautsprecher im allgemeinen eine feste Lage im Saal.

Dann sind die akustischen Eigenschaften in der akustischen Rückkopplungsstrecke zwischen Lautsprecher und Mikrophon nahezu konstant. Die akustische Rückkopplung erfolgt dann meistens bei nur einer Frequenz, die meistens in der Nähe von 2000 Hz liegt.

Besonders gute Resultate wurden erreicht mit den sogenannten Handhörgeräten bzw. Hörverstärkern, wobei das Mikrophon und der Verstärker in die Muschel eines Kopfhörers angeordnet sind. Diese Apparatur wird im Bedarfsfall gegen das Ohr gedrückt.

Wenn der Apparat lose vom Ohr ist, tritt akustische Rückkopplung auf, wobei jede Bewegung des Apparates die akustische Rückkopplungsstrecke ändern läßt, wodurch Änderungen in der Rückkopplungsfrequenz entstehen, die sogar einen Faktor 5 überschreiten können.

Die Frequenzsprünge verursachen jedoch keine Schwierigkeiten, da die Suchzeit nach der Periodizität in so diesem Fall durch eine Zeiteinstellanordnung (timer) überbrückt wird. Dabei ist zwischen dem Zähler und dem Schalter eine Zeitverzögerungsschaltung vorgesehen, deren Verzögerungszeit um viele Male größer ist als die minimal erforderliche Zeit, um den Zähler in die ss Endstellung zu bringen, wodurch nach Beendigung des periodischen Rückkopplungssignals der Schalter während dieser Verzögerungszeit nach wie vor geschlossen ist.

An Hand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Diese Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer Verstärkeranordnung.

Die Verstärkeranordnung gehört zu einem sogenannten Taschenhörgerät und besteht aus einem Vorverstär- ker 1 und einem Endverstärker 2, die beide ein Ganzes bilden können. Ein Mikrophon 3 ist an den Eingang des Vorverstärkers 1 angeschlossen; ein Lautsprecher 4 ist an den Ausgang des Endverstärkers 2 angeschlossen. Durch die gestrichelte Linie 5 ist die akustische Rückkopplung zwischen dem Lautsprecher 4 und dem Mikrophon 3 angedeutet.

Wenn akustische Rückkopplung auftritt, wird die Verstärkung des Vorverstärkers 1 durch einen Regelkreis 6 bis 32 rückgeregelt.

Ein Teil des Ausgangssignals des Vorverstärkers 1 wird durch ein Hochpaßfilter 7 gefiltert, dessen Grenzfrequenz 800 Hz beträgt. Danach wird dieses Signal von einem Verstärker 8 wenig verstärkt und dem Spitzendetektorkreis 9 zugeführt. Dieser Spitzendetektorkreis besteht aus einem Operationsverstärker 10, einer Diode 11, einem Kondensator 12 und einem Widerstand 13. Die Diode 11 sorgt dafür, daß der Kondensator 12 sich spontan auf den Spitzenwert jeder Signalspitze am H— Eingang des Operationsverstärkers 10 entlädt. Danch wird der Kondensator 12 allmählich über den Widerstand 13 entladen.

Das RC-Produkt des Kondensators 12 und des Widerstandes 13 - die Zeitkonstante des Spitzendetektorkreises - beträgt beispielsweise etwa 1,2 msek.

Die detektierte Spannung am Kondensator 12 wird danach über einen Spannungsfolger 14 einem Transistor 15 zugeführt, der einen Teil des Regelkreises bildet und für die Lieferung des Rückregelstromes zum Vorverstärker 1 sorgt.

Dies erfolgt jedoch erst dann, wenn tatsächlich eine Periodizität des Rückkopplungssignals festgestellt wurde. In dem Augenblick wird ein aus einem Feldeffekttransistor bestehender Schalter 16, der einen Teil des Regelkreises bildet, geöffnet.

Die Feststellung der Periodizität des Rückkopplungssignals geschieht wie folgt.

Hinter dem Operationsverstärker 10 befindet sich ein monostabiler Multivibrator 17. Nach jeder detektierten Signalspitze sperrt die Diode 11 und es entsteht ein Spannungssprung am Ausgang des Operationsverstärkers 10, wodurch der monostabile Multivibrator 17 kippt. Dieser liefert Impulse mit einer Breite von beispielsweise 8 us, die bei einem rauschförmigen Eingangssignal unregelmäßig und bei einem periodischen Eingangssignal zeitlich regelmäßig verteilt sind.

Die Aufgabe des Periodizitätsdetektors ist, diesen Unterschied zu ermitteln und zu einem Zähler zu übertragen.

Die 8 μβ-ΐπφϋΐββ werden mittels einer Anordnung 18 in eine Sägezahnspannung umgewandelt, wobei die Zeitdauer der Impulse lange genug ist, um einen Kondensator 19 der Anordnung 18 über einen Transistor 20 völlig zu entladen.

Danach wird der Kondensator 19 linear aufgeladen und zwar durch eine Konstantstromquelle 21, die im wesentlichen aus einem Feldeffekttransistor besteht.

Die Anordnung 18 erzeugt eine sägezahnförmigc Schwingung, deren aufeinanderfolgende Amplituden bei Rauschen stark verschieden sind und bei einem periodischen Signal mit der Periode T alle gleich sind.

Als Kriterium für ein periodisches Signal wird nun bestimmt, daß die Amplitude jedes Sägezahnes etwa 10% vöii dcf Vorgehenden abweichen darf.

Damit dies ermittelt wird, werden die sägezahnförmigen Schwingungen über einen Transistor 22 in einem Kondensator 23 gespeichert, der durch eine konstante Gleichstromquelle 24 nur langsam entladen wird. Über dem Kondensator 23 entsteht damit ein die Sägezahnspannung umhüllendes Signal.

Dies erfolgt derart, daß bei rein periodischen Impul-

sen mit einer Wiederholungszeit T der Transistor 22 leitend wird und zwar zu dem Zeitpunkt, wo 90% der Zeitdauer T verlaufen ist.

In dem Augenblick wird eine Zeiteinstellanordnung (timer) 25 getriggert, die ein UND-Tor 26 öffnet. Dieses Tor ist als »Zeitfenster« wirksam. Abhängig von der Spannung an dem Kondensator 23, also abhängig von der Periodendauer 7", bleibt das Tor 26 geöffnet, bis nach einer Zeitdauer 1,1 Γ die Anordnung 25 sich spontan zurückschaltet und das UND-Tor sich schließt.

Dieses Tor ist maximal von 0,9 bis 1,1 7", also während einer Zeitdauer von 0,2 T geöffnet.

Das UND-Tor 26 erhält zugleich 8 us-Impulse vom Multivibrator 17. Ist innerhalb des Zeitintervalls von 0,2 7", ein 8 us-Impuls vorhanden, so wird dieser Impuls vom UND-Tor 26 durchgelassen als sogenannter »periodischer Impuls«, der dem S-Eingang eines 4-Zählers 27 zugeführt wird. Zugleich werden diese Impulse der Anordnung 25 zugeführt, die dadurch rückgestellt wird. Zwischen der Anordnung 25 und dem Zähler 27 liegen das UND-Tor 26 und ein ODER-Tor 28. Darüber hinaus befindet sich zwischen dem Multibrator 17 und dem ODER-Tor 28 noch ein UND-Tor 29. Dadurch wird erreicht, daß der Zähler 27 rückgestellt wird wenn a) innerhalb der Zeitdauer 0-0,9 T ein frühzeitiger 8 |is-Impuls auftreten sollte und b) innerhalb der Zeitdauer (0,9-1,1) T kein 8 us-Impuls vorhanden wäre. Im Fall b) kippt die Anordnung 25 dann spontan zurück und das UND-Tor 26, also das Zeitfenster, wird geschlossen.

Die Praxis hat gezeigt, daß für einen eindeutigen Unterschied zwischen einem rauschförmigen und einem periodischen Signal mit dem obengenannten Kriterium von 10% Unterschied zwischen aufeinanderfolgenden Perioden mit 5 Perioden eine ausreichende Diskrimination erreicht wird, wodurch die Verwendung eines 4-Zählers 27 ausreicht.

Das Kriterium von 10% ist empirisch als Kompromiß ermittelt worden. Bei einem höheren Prozentsatz hat sich herausgestellt, daß es weniger Diskrimination zwisehen dem akustischen Rückkopplungssignal und einem rauschförmigen oder Sprachsignal gibt; während bei einem niedrigeren Prozentsatz der Periodizitätsdetektor der einzelnen periodischen Frequenz weniger gut folgen kann.

Die Anzahl von 5 Perioden ist vorausgesetzt um mit Gewißheit zu ermitteln, daß tatsächlich ein periodisches Signal beim Rückkoppeln vorhanden ist.

Beim Erreichen der Endstellung des Zählers 27 wird ein Flip-Flop 30 gekippt, der den Schalter 16 umschaltet. wodurch der Regelkreis den Rückregelstrom zum Vorverstärker 1 liefern kann und der Verstärkungsgrad ?urückgerege!t wird.

Wenn der Zähler 27 in die Ausgangslage gebracht ist, während der Flip-Flop umgekippt ist, wird solange die Zählstellung kleiner als 4 eine Verriegelung einer Zeiteinstellanordnung (timer) 31 über ein UND-Tor 32 zum Eingang aufgehoben.

Die Anordnung 31 hat eine eingebaute Verzögerungszeit von etwa 0,5 Sekunden. Erreicht der Zähler 27 innerhalb dieser Zeit wieder die Endlage, und zwar dadurch, daß abermals eine Periodizität im akustischen Rückkopplungssignal gefunden wurde, so wird die Anordnung 31 frühzeitig in die verriegelte Nullstellung gebracht, weil der Flip-Flop 30 noch nicht zurückgekippt ist.

Auf diese Weise ist der Schalter 16 im Rückregelkreis nach wie vor geschlossen.

Wenn der Flip-Flop 30 einmal umgekippt ist, fungi die Anordnung 31 jedesmal an der Verzögerungszeit an, wenn der Zähler 27 zurückgestellt wird. Auf diese Weise wird die Suchzeit nach einer anderen Periodizität überbrückt und der Vorverstärker 1 ist nach wie vor zurückgeregelt trotz etwaiger großer Frequenzsprünge im akustischen Rückkopplungssignal.

Wird innerhalb einer halben Sekunde keine neue Periodizität gefunden und zwar dadurch, daß die akustische Rückkopplung aufhört, erreicht der Zähler 27 nicht die Endstellung und die Anordnung 31 kann die volle Verzögerungszeit von 0,5 Sekunden erreichen. In dem Augenblick wird der Flip-Flop 30 zurückgestellt, der seinerseits die Anordnung 31 in die verriegelte Nullstellung bringt. Der Schalter 16 wird geöffnet und der Rückregelstrom fällt weg, wodurch die Verstärkung des Vorverstärkers 1 wieder maximal wird.

Die Rückregelung des Vorverstärkers kann schrittweise durchgeführt werden. In dem Augenblick, wo der Zähler fünf gleiche Perioden im akustischen Rückkopplungssignal festgestellt hat und der Schalter 16 folglich geöffnet wird, kann durch Einschaltung einer festen Dämpfung die Verstärkung um beispielsweise 10 dB zurückgeregelt werden. Wenn der Periodizitätsdetektor danach nach wie vor wirksam ist, d. h. der Zähler abermals 5 Perioden zählt, wird die Verstärkung um abermals eine Dämpfung von 10 dB zurückgeregelt. Dies kann solange weitergehen, bis der akustische Rückkopplungseffekt nicht mehr hörbar ist. Danach nimmt die Verstärkung wieder entsprechend einer Zeitkonstante von beispielsweise 1 Minute zu. Selbstverständlich greift der Periodizitätsdetektor wieder in dem Augenblick ein, wo die akustische Rückkopplungsschwingung eine bestimmte Grenze überschreitet.

Für akustische Verstärkeranlagen in einem Saal befinden sich das Mikrophon 3 und der Lautsprecher 4 meistens an festen Stellen. Dies bedeutet, daß die akustische Rückkopplungsstrecke dann nahezu konstant ist, was bei akustischer Rückkopplung meistens feste einzelne Rückkopplungsfrequenzen ergibt. Weil dabei keine Sprünge in den Rückkopplungsfrequenzen auftreten, ist die Zeitüberbrückungsschaltung, - die aus der Anordnung 31 und dem Tor 32 besteht - überflüssig geworden.

Der 4-ZähIer 27 ist dann über den Flip-Flop 30 unmittelbar mit dem Schalter 16 verbunden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verstärkeranordnung für akustische Signale mit einer Schaltung zum Unterdrücken unerwünsch- s ter Störsignale, mit einem Hochpaßfilter (7), das einen Teil des zu verstärkenden Signals zum Liefern eines Regelsignals abtrennt, mit dem der Verstärkungsgrad der Anordnung rückgeregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß/der Ausgang des Hochpaßfilters mit einem Periodizitätsdetektor verbunden ist, der bei Signalen mit regelmäßiger Periodizität und Signalen mit unregelmäßigem Charakter - wie Rausch- oder Sprachsignale - unterschiedliche Ausgangssignale erzeugt, und daß das is genannte Regelsignal dem Ausgang des Periodizitätsdetekton; entnommen wird.

2. Verstärkeranordnung nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Periodizitätsdetektor einen Spitzendetektor (10 . . 13) enthält, dessen Zeitkonstante der Periodendauer der Greuzfrequenz des Hochpaßfilters (7) nahezu entspricht, und daß der Spitzendetektor eine Anzahl Impulse, deren Lage der der Spitzen des akustischen Rückkopplungssignals entspricht, einem logischen Kreis liefert, der eine Anzahl Zeittore enthält, und daß in nahezu gleichen Zeitabständen liegende Impulse zu einer Zählanordnung weitergeleitet werden, die nach Empfang mindestens vier dieser Impulse einen Schalter im Regelkreis betätigt, derart, daß das genannte Regelsignal zur Verstärkeranordnung abgegeben wird.

3. Verstärkeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zähler (27) und dem Schalter (16) eine Zeitverzögerungsschaltung (30, 31, 32) enthalten ist, deren Verzögerungszeit um viele Male größer ist als die minimal erforderliche Zeit um den Zähler in die Endstellung zu bringen, derart, daß nach Beendigung eines periodischen akustischen Rückkopplungssignals der Schalter während dieser Verzögerungszeit nach wie vor geschlossen ist.