DE3130353A1

DE3130353A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur verbesserung des einschwingverhaltens insbesondere eines lautsprechers.

Info

Publication number: DE3130353A1
Application number: DE19813130353
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 8000 München Pfleiderer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-31
Filing date: 1981-07-31
Publication date: 1983-02-17
Also published as: AU8666482A; EP0071772A1; DE3130353C2; JPS5827498A

Description

OUR REFENENOE: P020681

BETRIFFT: RE:

Anmelder: Dipl.-Ing. Peter Pfleiderer, Erhardtstr.9, 8000 Ilinchen 5

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Einschwingverhaltens insbesondere eines Lautsprechers

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Auf dem Markt erhältliche elektrodynamische Lautsprecher besitzen in dem für sie vorgesehenen Frequenzbereich zumeist einen ausgeglichenen Frequenzgang und bei gleichmäßiger Ansteuerung nur geringe Verzerrungen. Treten jedoch ganz plötzliche, impulsartige Amplitudenänderungen des anregenden elektrischen Audiosignals auf, dann vermag die Lautsprechermembran in ihrer Bewegung diesen plötzlichen Amplitudenänderungen nicht sogleich zu folgen;

vielmehr treten nachteilige verfälschende Einschwingvorgänge auf, die sich bei einer Amplitudenerhöhung in einer allmählichen Angleichung der Membranschwingung an den erhöhten Amplitudenwert und bei einer Amplitudenverringerung in einem Nachschwingen äußern. Diese verfälschenden Einschwingvorgänge werden als Klangverfärbung hörbar. Die Ursache dafür liegt in. der Trägheit der Lautsprechermembran, mehr

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noch in dem Umstand, daß das auf die Membran einwirkende luftpolster erst zum Schwingen angeregt werden muß bzw. nachschwingt. Diese verflaschenden EinschwingTorgänge treten deshalb auch bei elektrostatischen oder magnetostatischen Lautsprechern insbesondere im Baß'pereich auf. Eine weitere Einflußgröße ist bei dynamischen Lautsprechern die Membranrückstellkraft, die vorallem dann zu berücksichtigen ist, wenn das Audiosignal ein Frequeiazgemisch enthält, das für die Dauer einiger höherfrequenter Schwingungen den Durchgang der lautsprechermembran durch ihre Ruhelage verhindert. (Ein Beispiel hierzu wird später anhand der Figur 3 ausführlich behandelt.)

Es wurde schon versucht, die so entstehenden Fehler bei der Umsetzung von einer elektrischen in eine akustische Schwingung durch eine Rückkopplung zu kompensieren. Hierzu wird die Bewegung der Membran kapazitiv, induktiv oder optisch abgetastet und werden die so erzeugten elektrischen Istwertsignale mit den SollwertSignalen verglichen. Abweichungen bewirken einen Spannungsstoß, der dem Sollwert überlagert wird. Das kann bei hohen Amplituden zu kurzfristigen Übersteuerungen des Endverstärkers und damit zu großen Klirrfaktoren führen. Ferner treten durch die hohen Stromspitzen in der Erregerwicklung des Lautsprechers in verstärktem Maße Partialschwingungen der naturgemäß nicht völlig steifen Membran auf, die wiederum ein erhöhtes Klirren zur Folge haben.

Im übrigen können derartige Nachregelungen der Membranauslenkung erst m:Vt einiger Verzögerung: nach Auftreten des Fehlers wirksam werden, so daß bei plötzlichen Amplitudenänderungen, die beispielsweise in der modernen Unterhaltungsund Tanisraualk häufig auftreten, durch den hohen Klirrfaktor deir nutzbare Dynamikbereich eingeschränkt wird, wobei aber troipzdem ein Nachschwingen der Membran nicht verhindert werden kann.

Der Erfindung !Liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Einschwingverhaltens eines Lautsprechers anzugeben, mit dem

Ziel, insbesondere bei plötzlichen Pegeländerungen des Eingangssignals eine sofortige Angleichung der Membranschwingung an die neue Amplitude sicherzustellen, ohne den Endverstärker dadurch stärker auszusteuern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 7 .

Im folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt darin Figur 1 Amplitudenänderungen eines zunächst sinusförmigen Audiosignals,

Figur 2 Verläufe von korrigierten Audiosignalen, Figur 3 Verlauf eines aus Grundwelle und Oberwellen bestehenden Audiosignals und dessen Ableitungen erster bis dritter Ordnung, Figur 4 eine Schaltungsanordnung zur Verbesserung des

Einschwingverhaltens eines Lautsprechers, !figur 5 ein Auaführunßsbeispiel für einen Signalanalysator,

Figur 6 ein Auaführungsbeispiel für eine Korrektursteuereinrichtung und

Figur 7 einen geänderten Schaltungsteil der Korrektursteuereinrichtung nach Figur 6.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, durch eine ständige Analyse des Audiosignals Abweichungen von einem sinusförmigen Verlauf, insbesondere Amplitudenänderungen zu erkennen und dem Audiosignal nach Art einer Vorwärtsregelung Korrekturimpulse zu überlagern. Beim Vorzeichenwechsel aufeinanderfolgender Scheitelwerte wird eine Korrektur nur vorgenommen, wenn das Verhältnis aus diesen Scheitelwerten ein vorgegebenes Maß überschreitet. Durch die Korrektur des Audiosignals wird eine zusätzliche Beschleunigung oder Abbremsung der Lautsprechermembran erzeugt. Iias ursprüngliche Audiosignal muß um die

J !

Zeitdauer verzögert werden, die für die Feststellung der Unterschiede der Scheitelwerte und für die phasenrichtige Einblendung der Korrekturimpulse erforderlich ist.

In Figur 1 sind einige zeitliche Abläufe von Audiosigna-J.en dargestellt,, die zunächst einen rein sinusförmigen Verlauf mit der Amplitude 1 aufweisen und von dem zweiten (negativen) Scheitelpunkt S an mit Ausnahme des Signals C in Schwingungen mit anderen Amplituden übergehen. Dabei sind die neuen Amplituden der Signale A und B größer als die ursprüngliche Amplitude, die neuen Amplituden der Signale D und I! sind kleiner. Amplitudenänderungen bis etwa zu einem Faktor 3 bzw. auf ungefähr ein Drittel des vorhergehenden Wertes können im allgemeinen noch ohne Korrekturmaßnahmen hingenommen werden. Beim Überschreiten (kev beiden Grenzwerte ist eine Korrektur erforderlich.

Die Amplitudenwerte sind in Figur 1 demgemäß in drei Bereiche I, II und III eingeteilt, wobei im Bereich I ein die Änderung der Momentanwerte unterstützender Korrek— turimpuls überlagert wird, im Bereich II keine Korrektur erfolgt und im Bereich III ein der Änderung der Momentanwerte entgegenwirkender Korrekturimpuls überlagert wird. Die Vorgabe anderer Grenzwerte für Amplitudenänderungen als die oben genannten kann in manchen Fällen günstiger sein.

Zur Erläuterung des Korrekturprinzips sind in Figur 2 Abschnitte von korrigierten Audiosignalen dargestellt. In beiden Fällen liegt eine Amplitudenzunahme vor. Gemäß dem Kurvenverlauf A wurde dem TJrsprungssignal beginnend am Wendepunkt WP ein Korrekturimpuls überlagert, der mit einer steilen Flanke ansteigt und daran anschließend nach einer cos-»Funktion abfällt. Der unter dem Audiosignal AS gezeichnete Korrekturimpuls KIi ist zu Ende, wenn das ursprüngliche Audiosignal AS den oberen Scheitelpunkt

S erreicht hat.

Die schraffierte Fläche bezeichnet den durch den Korrekturimpuls KH erzeugten Zuwachs an Spannungs-Zeit-Fläche bzw. an Strom-Zeit-Fläche, die sich als zusätzliche Erregung der Lautsprechermembran äußert und damit ihre Auslenkung verstärkt.

Es ist noch darauf hinzuweisen, daß der teilweise sehr steile Anstieg in dem schematisch dargestellten Kurvenverlauf A durch die nach oben begrenzte Bandbreite des Endverstärkers abgeflacht wird.

Dem Kurvenverlauf B liegt ein Korrekturimpuls KI2 zugrunde,

ρ der annähernd die Form einer sin -Kurve aufweist und sich vom ersten zum zweiten Scheitelpunkt S des ursprünglichen Audiosignals A3 erstreckt. Ein Korrekturimpuls KI2 dieser Form hat gegenüber dem ersten Beispiel den Vorteil, daß weniger Oberwellen entstehen.

Grundsätzlich können auch Korrekturimpulse mit anderer Form, beispielsweise Dreieck- oder Rechteckimpulse verwendet werden.

Die Figur 3 zeigt in dem Zeitdiagramm a einen weiteren Abschnitt eines Audiosignals AS, der eine größere Zahl von Scheitelpunkten S und Wendepunkten WP umfaßt. Als Besonderheit des dargestellten Kurvenverlaufs ist hervorzuheben, daß die Scheitelwerte ihr Vorzeichen nicht wechseln. Darüber hinaus bezeichnen die Markierungen S* Punkte, die keine echten Scheitelpunkte sind.

Zwischen den einzelnen Scheitelpunkten S und S* ist in Figur 3 angegeben, ob die Lautsprechermembran eine zusätzliche Beschleunigung B⁺ oder Bremsung B"~ erfahren muß. Die Zeitd.iagramme b, c und d zeigen den grundsätz-

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- 0'

lichen Verlauf der Ableitungen erster bis dritter Ordnung des Kurvenverlaufs in Diagramm a. Es ist ersichtlich, daß die Scheitelpunkte der zweiten Ableitung (Diagramm c) alle Scheitelpunkte der ursprünglichen Kurve einschließlich der unechten Scheitelpunkte S* markieren. Die Scheitelpunkte der ersten Ableitung entsprechen den Wendepunkten WP im Audiosignal AS. Mit der Bestimmung der zeitlichen Lage der Scheitelpunkte in den beiden Ableitungen des Audiosignals sind im Prinzip alle für die Korrektur des Audiosignals wichtigen Punkte erfaßt. Wesentlich einfacher als die Peststellung von Scheitelpunkten in den abgeleiteten Funktionen ist die Erfassung von Nulldurchgängen, die mit vertauschter Zuordnung wieder die Scheitelpunkte S und Wendepunkte WP der Ursprungsfunktion bezeichnen, naturgemäß fallen ,jedoch, wie auch der Vergleich der Zeitdiagramme a. und b in Figur 3 zeigt, bei den unechten Scheitelpunkten S* keine Fulldurchgänge der ersten Ableitung an.

Da die Scheitelwerte des Audiosignals AS nach Betrag und Vorzeichen nur durch Abtastung im richtigen Zeitpunkt, nämlich beim Durchgang durch die Scheitelpunkte S gemessen werden können, werden in diesem Fall die unechten Scheitelpunkte S* des Audiosignals AS nicht berücksichtigt. Dies gelingt jedoch mit Hilfe der dritten Ableitung gemäß Diagramm d, die sowohl für die echten als auch für die unechten Scheitelpunkte S und S* Nullstellen aufweist.

Die Figur 4 zeigt die wesentlichen Elemente einer Schaltungsanordnung zur Durchführung der Korrekturmaßnahmen. Die Schaltungsanordnung empfängt über den Eingang E ein Audiosignal AS von einer nicht dargestellten Signalquelle, z. B. von eineni Vorverstärker. Das durch ein Verzögerungsglied DEL verzögerte Audiosignal ASV wird einem Endverstärker EV zur Speisung eines Lautsprechers zugeführt.

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Die Verzögerungszeit für das Audiosignal AS richtet sich nach der Jpauer des Korrekturimpulses KI und nach der tiefsten, in dem jeweils vorliegenden Fall in Betracht zu ziehenden Frequenz des Audiosignals AS. Da eine Information übißr die Art der Korrekturmaßnahme immer erst in einem Zeitpunkt verfügbar ist, in dem das unverzögerte Audiosignal AS den zweiten Scheitelpunkt des gerade betrachteten Paares von Scheitelpunkten S durchläuft und damit der Korrekturimpuls KI erst in diesem Zeitpunkt beginnen kann, muß die Verzögerungszeit eben so lang sein wie die Dauer des Korrekturimpulses KI. Das ist für einen Korrekturimpuls KH nach Figur 2A ein Viertel und für einen Korrekturimpuls KI2 nach Figur 2B die Hälfte der längsten Periodendauer.

Geht man beispielsweise von einem Frequenzband von 20 Hz bis 80 Hz aus, das häufig für den Betrieb von Tieftonlautsprechern verwendet wird, dann ergeben sich Verzögerungszeiten von 12,5 ms bzw. 25 ms. Zur Signalverzögerung können passive oder aktive Laufzeitglieder eingesetzt werden. Im folgenden werden handelsübliche Schieberegister, *ie Ei'merkette:pu3chaltungen mit 512 oder zweimal 512 Schaltstufen zugrundegelegt„ die entsprechend der gewünschten Verzögerungszeit mit einem Schiebetakt ZT mit einer Impulsfrequenz von kfiapp 41 kHz betrieben werden.

Das unverzögerte Audiosignal AS gelangt ferner zu einem Signalanalysator SAN. Der Signalanalysator SAN, auf des«* sen Einzelheiten noch näher eingegangen wird, erzeugt bei jedem Wendepunkt WP im Verlauf des Audiosignals AS einen Wendepunktimpuls WPI. Darüber hinaus liefert der Signalanalysator SAN noch weitere Impulse SI-^₁ oder SI^» die beim Durchgang des Audiosignals AS durch Scheitelpunkte S und S* entstehen und auch eine Information über die Beziehungen jeweils aufeinanderfolgender Scheitelwerte enthalten. Scheitelwertimpulse SI^₁ der ersten Art (B⁺)

J I J U Ö ¹D J

werden abgegeben, wenn jeweils zwei aufeinanderfolgende Scheitelwerte folgende Bedingungen a) oder b) erfüllen:

a) Beide Scheitelwerte sind positiv oder negativ und der erste Scheitelwert ist kleiner als der zweite,

b) die Scheitelwerte haben verschiedene Vorzeichen und der erste Scheitelwert ist kleiner als der zweite und das Verhältnis des größeren Scheitelwerts zum kleineren. Scheitelwert übersteigt einen vorgegebenen Wert (z.B. 3:1).

Scheitelwertimpulse SI-^₂ der zweiten Art (B*"*) treten unter folgenden Bedingungen auf:

c) Beide Scheitelwerte sind positiv oder negativ und der erste Scheitelwert ist größer als der zweite,

d) die Scheitelwerte haben verschiedene Vorzeichen und der erste Scheitelwert ist größer als der zweite und das Verhältnis des größeren Scheitelwerts zum kleineren Scheitelwert übersteigt einen vorgegebenen Wert (z. B. 3:1).

Die das Ergebnis der Audiosignal-Analyse kennzeichnenden Impulse WPI, SI-. .. und SI, ₂ werden einer Korrektursteuereinrichtung KST zugeführt, die die Aufgabe hat, die Korrekturimpulse KI zeitgerecht, d.h. vor dem Erreichen der zu korrigierenden Scheitelwerte im verzögerten Audiosignal ASV,■einzublenden.

Für die Erzeugung der Korrekturimpulse KI bestehen mehrere Möglichkeiten. Eine hinsichtlich des dafür benötigten Schaltungsaufwands und der Form der Korrekturimpulse KI günstige Möglichkeit ist der Darstellung in Figur 4 zugrundegelegt. Hierbei wird durch einen Korrektursignalgenerator KSG- das verzögerte Audiosignal ASV differenziert, so daß an dessen Ausgang ein Signa!verlauf verfügbar ist, der in bezug auf Amplitude und Phasenlage stets an das Audiosignal ASV angepaßt ist. Gegebenenfalls kann noch eine wählbare Verstärkung oder Abschwächung vorge-

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sehen sein.

Durch eine Wählschaltung TS werden entsprechend dem Steuersignal aus der Korrelctursteuereinrichtung KST aus dem vom Korrekturcignalgenerator KSG gelieferten Signalverlauf Korrekturimpulse KI ausgeblendet und gemeinsam mit dem verzögerten Audiosignal ASV dem Endverstärker EV zugeführt .

Die Figur 5 zeigt ii'inzelheiten des Signalanalysators nach Figur 4· Durch eine erste und zweite Differenzierstufe DIFF1 und DIFF2 wird zunächst die erste und sodann die zweite Ableitung AS" des Audiosignals AS gewonnen, die bei jedem Wendepunkt WP der Audiοsignalkurve einen Nulldurchgang aufweist, wie schon anhand der Figur 3 ausgeführt wurde. Ein angeschlossener Impulsgeber GWP, der beispielsweise einen Schmitt-Trigger mit geringer Hysterese enthält, wertet die Nulldurchgänge aus und gibt bei jedem Nulldurchgang, unabhängig von dessen Richtung, einen kurzen Impuls WPI mit der Dauer von etwa 1 us ab.

Durch eine dritte Differenzierstufe DIFF3 wird schließlich noch die dritte Ableitung AS"¹ erzeugt, die im Gegensatz zur ersten Ableitung AS¹ auch bei den unechten Scheitelpunkten S* der Audiosignalkurve (vgl. Figur 3) durch Null geht. Ein weiterer Impulsgeber GS liefert kurze Scheitelpunktimpulse SI von etwa einer ^us-Dauer bei allen Nulld.urchgängen der dritten Ableitung AS"¹.

Die restlichen Schaltungsteile de3 Signalanalysators nach Figur 5 dienen zum Vergleich von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Scheitelwerten des Audiosignals AS und zur Bildung entsprechender Bewertungssignale BS bzw. BS~ nach den bereits für die Scheitelwertimpulse SI^₁ und ^SIk2 S^enanirten Kriterien. Zu diesem Zweck ist eine erste Gruppe von Speichern S₁₁ bis S₁ . vorgesehen, in die

I O U O ü

- γ- /h.

unter Steuerung durch, einen Scheitelpunktimpuls SI der gleichzeitig "vorliegende erste Scheitelwert des unverzögerten Audiosignals AS übernommen wird. Im gleichen Zeitpunkt wird der erste Scheitelwert des mit Hilfe einer Gleichrichteranordnung G-L gleichgerichteten Audiosignals AS in zwei weitere erste Speicher S₁C- und S₁^ eingegeben.

Durch den nächstfolgenden Scheitelpunktimpuls SI werden die Inhalte der ersten Speicher S₁₁ bis S₁ r in zweite Speicher S21 bis S₂g weitergeschoben und in die ersten Speicher S₁₁ bis S₁g die neuen Scheitelwerte eingegeben. Ein dritter Scheitelpunktimpuls SI schiebt den ursprünglich ersten Scheitelwert aus der Speicheranordnung hinaus und setzt den ursprünglich zweiten Scheitelwert an dessen Stelle. Ein in die ersten Speicher S₁₁ bis S₁^ gleichzeitig eingegebener neuer Sch<?itelwert des Audiosignals AS wird nun als zweiter Scheitelwert betrachtet.

Besonderheiten Jpei der Übergabe der Speicherinhalte ergeben sich für die beiden Paare von Speichern S₁1- und Spc bzw. S.jg und Spg. Im erqten Fall (S₁ c nach S^c) wird nämlich der Scheitelwert Tor der Eingabe in den zweiten Speicher Spc auf beispielsweise ein Drittel seines Wertes reduziert, im zweiten Pall (S₁ g nach S~g) dementsprechend um den Faktor 3 verstärkt.

Die Inhalte der Paare aus je einem ersten und einem zweiten Speicher S₁₁, Sp₁ bis S₁ g, Sog werden mit Hilfe von Eomparatoren K0MP1 bis KOMP6.miteinander verglichen. Die Komparatoren K0MP1 bis K0MP6 können beispielsweise aus Differenzverstärkern mit anschließenden Schwellwertschaltern mit niedriger Ansprechschwelle bestehen. Zu beachten ist dabei, daß Differenzverstärker die Differenz der Absolutwerte der Scheitelwerte messen, während im vorliegenden Pail die Differenz ihrer Beträge interessiert. Wenn beide Scheitelwerte ewi negative.s Vorzeichen haben, muß also das

-y- /ιό-

Vergleichsergebnis invertiert werden.

Bestimmungsgemäß sollen die Vergleichsergebnisse der Komparatoren KOMP1 und K0MP2 nur ausgewertet werden, wenn beide Scheitelwerte ein positives Vorzeichen haben. Die Auswertung der Vergleichsergebnisse der Komparatoren KOMP3 und KOMP4 setzt ein negatives Vorzeichen für beide Scheitelwerte voraus. Die Auswertung der Vergleichsergebnisse der Komparatoren EOMP 5 und KOMP6 erfolgt schon wegen der vorhergehenden Amplitudengleichrichtung des Audiosignals AS vorzeichenunabhängig.

Indessen ist es z,B„ für das Vergleichsergebnis des Komparator s KOKP1 ohne Bedeutung, ob'auf einen ersten positiven Soheitelwert ein zweiter kleinerer aber gleichfalls positiver Scheitelwert odor ein beliebig großer negativer Scheitelwert folgt. TX(Q trotzdem die gewünschten Aussagen zu erhalten, ist eine aus einem Schmitt-Trigger STR, zwei D-Flipflops FF1 und FF2 und zwei UND-Gliedern AN1 und AN2 bestehende Zusatzschaltung vorgesehen. Der mit niedrigen Ansprechschwellen ausgestattete Schmitt-Trigger STR schaltet bei jedem Nulldurchgang des Audiosignals AS in die durch das augenblicklich gültige Vorzeichen bestimmte Lage. Mit dem nächstfolgenden Scheitelpunktimpuls SI wird der jeweilige Schaltzustand des Schmitt-Triggers STR in das D-Flipflop FF1 übernommen. Der wiederum nächste Wendepunktimpuls WPI überführt die Vorzeicheninformation in das zweite D-Flipflop FF2.. '

Die einander entsprechenden Ausgänge des Schmitt-Triggers STR und des D-Flipflops FF2 sind mit den Eingängen der UND-Glieder AN1 bzw. AN2 verbunden. Die Signalwerte an den Ausgängen der ϋϊΠΡ-Glieder AN1 und AN2 geben für die Zeit vom Ende eines Soheitelpunktimpulses bis zum Ende des nachfolgenden Auskunft darüber, ob die betreffendeiScheitelwerte gleiches Vorzeichen hatten und welches Vorzeichen sie hatten. Dabei bedeutet eine binäre "1" am Ausgang des UND-

Gliedes AN1 positives Vorzeichen für "beide Scheitelwerte, eine "binäre "1" am Ausgang des UND-Glieds AN2 negatives Vorzeichen für b^ide Scheitelwerte. Die Ausgangssignale dey UND-Glieder ΛΝ1 und AN2 werden durch weitere UND-Glieder AN3 bis AN6 init den AusgangsSignalen der Komparatoren KOMP1 bis K0MP4 verknüpft.

Gemäß der Forderung, abhängig von den Ergebnissen der Schei· telwertvergleichtf eine zusätzliche Beschleunigung B oder Bremsung B"" der lautsprechermembran zu erreichen, werden die nach dem vorhergehenden teilweise korrigierten Ausgangssignale der Komparatoren K0MP1, K0MP3 und KOMP5 einerseits und der Komparatoren K0MP2, K0MP4 und KOMP6 andererseits zu Signalen [BS⁺] bzw.^BS^-J zusammengefaßt. Mit Hilfe der UND-Glieder AN7 und AHB werden die Signale BS⁺ und BS*" durch Scheitelpunktimpulse SI abgefragt und damit die Scheitelwertimpulse SI_k1 und SIk₂ S^ewoimen·

Pur das Weitere ist nochmals hervorzuheben, daß die Wendepunktimpulse WPI nur Zeitpunkte bezeichnen, die Scheitelwertimpulse SL^₁ und SI, ρ M-ⁿgegen neben einer Zeitinformation auch noch eine Information darüber enthalten, ob eine Korrektur überhaupt erfolgen soll und welcher Art die Korrektor (Beschleunigung oder Bremsung) sein soll.

Die Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Durchführung der Korrektur des Audiosignals unter Verwendung des anhand der Figur 5 beschriebenen Signalanalysators SAN. Dem Ausführunrsbeispiel sind Korrekturimpulse KHnach i?igur 2A zugrundegelegt, die mit einer steilen Flanke beginnen und nach einer cos-Funktion abfallen. Der Beginn der Korrekturimpulse KD soll mit den Wendepunkten WP de3 verzögerten Audiosignals ASV zusammenfallen. Weiter wird vorausgesetzt, daß sich das vom lautsprecher zu verarbeitende Frequenzband von 20 Hz bis 80 Hz erstreckt. Die in diesem Fall erforderliche Vorzöperunf"; deo Audiosignals AS um eine Viertelperiode einer Schwingung mit der

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tiefsten Frequenz entspricht somit einer !Laufzeit von 12,5 ms, Als Verzögerungsglied DEL ist ein taktgesteuertes Schieberegister wie eine Ladungsverschiebeschaltung (z.B. Eimerkettenschaltung) mit 512 Schaltstufen vorgesehen.

Mit dem Takt ZT aus einem nicht dargestellten Taktgenerator zum Weiterschalten des Verzögerungsglieds DEL wird auch ein 9-stufiger binärer Vorwärtszähler CR mit einem Zählvolumen

von 2 = 512 Zählimpulsen betrieben. Der Binärzähler CR wird durch jeden Wendepunktimpuls WPI aus dem Signalanalysator SAF auf Null gesetzt und zählt anschließend vorwärts.

■ Die vom Signalanalysator SAHT gelieferten Scheitelwertimpulse SIj^i und SI.p werden zwei identisch aufgebauten Schaltungsgruppen zugeführt. Die Schaltungsgruppen umfassen jeweils einen zweistufigen Adresszähler AZ1 bzw. ΛΖ2, einen Demultiplexer MUX1 bzw. MUX2, vier 9-stufige voreinsteilbare Zähler ZE11 bis ZE14 bzw. ZE21 bis ZE24, vier 9-stufige Durchlaufzähler ZA11 bis ZA14 bzw. ZA21 bis ZA24, von dsnen je einer einem voreinsteilbaren Zähler zugeordnet ist, sowie jeweils vier UND-Glieder AN11 bis AFl4 bzw. AN21 bis AN24 und ein RS-Flipflop PFM bzw. PP21 .-

Die Scheitelwertimpulse SIj^ bilden die Zählimpulse für den Adresszähler AZ1, der die Adressen für den Demultiplexer MÜX1 liefert. Entsprechend dem jeweiligen Zählerstand wird eine am Eingang des Demultiplexers MUX1 ständig anliegende binäre "1" auf einen der vier Ausgänge durchgeschaltet.

An die Ausgänge der Zählstufen des Vorwärtszahlers CR sind die Stufeneingänge der vier voreinstellbaren Zähler ZE11 bis ZE14 angeschlossen. Durch eine von den Ausgangssignalen des Demultiplexers MUX1 gesteuerte Verteileranordnung, bestehend aus den schon genannten UND-Gliedern ANI1 bis AN14, erhält in zyklischer Vertauschung immer einer der voreinstellbaren Zähler ZE11 bis ZE14 einen Scheitelwertimpuls SX,- zur Steuerung der parallelen Übernahme des augenblick-

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lichen Zählerstandes aus dem Vorlaufzähler CR zugewiesen. Gleichzeitig wird einer der vier zugeordneten Durchlaufzähler ZA11 bis ZÄH auf Null gesetzt.

Die Anzahl der voreinstellbaren Zähler ZE11 bis ZEI4 bzw. ZE21 bis ZE24 und der Durchlauf zähler ZA11 bis ZA14- bzw. ZA21 bis ZA24 richtet sich nach der maximalen Anzahl von Scheitelpunkten des Audiosignals AS während der Verzögerungszeit.

Erreicht einer der voreinstellbaren Zähler ZE11 bis ZE14 beim Hochzählen .mit Hilfe des Zähltaktes ZT über den höchsten Zählerstand hinweg wieder den Stand Full, dann gibt er einen (Übertrag-)Impuls ab, der das RS-Flipflop PP11 setzt. Das RS-Plipflop PP11 wird zurückgesetzt, wenn auch der zugeordnete Durchlaufzähler ZA11 bis ZAI4 wieder den Zählerstand Null erreicht.

Das Ausgangssignal des RS-Plipflops PP11 steuert eine Torschaltung TS1, die «»inen Abschnitt des differzierten verzögerten Audiosignals ASV als Korrekturimpuls KI auf den Endverstärker EV durchschaltet, solange das RS-Plipflop PP11 gesetzt ist. Dieser Korrekturimpuls erteilt der Membrane eine zusätzliche gleichsinnige Beschleunigung.

Die ScheitelwertirapulQe SI^? übernehmen die Steuerungen der zweiten Schaltungsgruppe mit den bereits erwähnten Elementen. Die innere Funktion der zweiten Schaltungsgruppe entspricht völlig der Punktion der beschriebenen ersten Schaltungsgruppe, so daß sich ein näheres Eingehen erübrigt. Indessen steuert das Ausgangssignal des zweiten RS-Plipflops PP21 eine Torschaltung TS2, die einen Abschnitt eines Signals, da3 aus dem differzierten verzögerten Audiosignal ASV durch eine zusätzliche Inversion mit dem Inverter INV gewonnen wird, auf den Endverstärker EV durchschaltet. Diese Impulse wirken bremsend auf die Membranbewegung.

Um einen ochaltklicks im akustischen Signal zu vermelden, empfiehlt es sich die Planken der Steuersignale für die Torschaltungen TS1 und TS2 etwas zu verrunden und Torschaltungen einzusetzen, deren SteuercharakterJstlk wenigstens annähernd linear verläuft.

Die Figur 7 zei£;t eine Anordnung mit zwei 9-stufigen Binärzählern CR1 und CR2, die somit beide das Zählvolumen 512 besitzen. Die Zähler CR1 und CR2 werden mit dem Zähltakt ZT betrieben. Joder Scheitelpunktimpuls SI setzt den ersten Zähler CR1 auf Null zurück. Der bis zum Eintreffen eines Wendepunktimpulüjes WPI aufgelaufene Zählerstand wird durch, den Wendepunktiijipuls WPI parallel in den zweiten Zähler CR2 übernommen.

Setzt man die Anordnung nach Figur 7 an die Stelle des Vorwärtszählers CR in der Korrektursteuereinrichtung nach Figur 6, dann ist ohnei zusätzliche Schaltungsänderungen die Verwendung von Korrekturimpulsen KI2 nach Figur 2B möglich. Durch eine geeignete Verrundung der Steuersignale für die Torschaltungen ,TS1 und TS2 werden aus den abgetasteten Abschnitten des differenzierten Audiosignals ASV die Korrekturimpulse KI2 mit der gewünschten, wenigstens annähernd

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einer sin -Funktion entsprechenden Form gewonnen.

In Anlagen zur Tonwiedergabe, Insbesondere zur Wiedergabe von Musik, wird das ganze wiederzugebende Frequenzband im allgemeinen mittels Frequenzweichen in mindestens drei Teilfreqti.enzbänder unterteilt und für jedes Teilfrequenzband ein speziell ausgebildeter Lautsprecher eingesetzt. Vorzugswelse wird die Unterteilung so gewählt, daß das Verhältnis aus der oberen und der unteren Grenzfrequenz in jedem Teilfrequens;band gleich ist.

Da die für die Durchführung der Korrekturmaßnahmen erforderliche Verzögerung des Audiosignals von der unteren Grenz-

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frequenz in dem betreffenden Teilfrequenzband "bestimmt wird, müssen die Audiosignale in höheren Frequenzbändern zusätzlich verzögert werden, um sicherzustellen, daß die Gesamtverzögerung der Audiosignale in allen Teilfrequenzbändern gleich ist.

Die Korrekturmaßnahmen können sowohl in Anlagen eingesetzt werden, in denen ein gemeinsamer Endverstärker für alle Teilfrequenzbänder vorgesehen ist und die Aufteilung durch nachgeschaltete Frequenzweichen erfolgt, als auch in Anlagen, in denen ,jedem Teilfrequenzband ein eigener Endverstärker zugeordnet ist und infolge dessen die !Frequenzaufteilung schon vorher erfolgen muß. In dem ersten Fall, bei dem die Frequenzaufteilung erst hinter dem gemeinsamen Endverstärker geschieht, bringt die Anwendung von Korrekturimpulsen von eier in Figur 2B dargestellten Form Vorteile» da diese Impulse oberwellenarm sind und damit die Gefahr, daß Oberwellen in ein höheres Frequenzband fallen, verringert wird.

Es kann ausreichend sein, die Korrektur nur im Tieftonbereich oder im Tiefton- und Mitteltonbereich durchzuführen.

Die beschriebenen Korrekturmaßnahmen können auch in Verbindung mit einem gegengekoppelten System vorgenommen werden, wie das in Figur 4 in Strichlinien dargestellt 1st. Ein. solches gegengekoppeltes System ist beispielsweise durch die DE-AS 21 17 847 bekannt. Es ist zweckmäßig, die Gegenkoppelung GK jeweils für die Dauer der Einspeisung der Korrekturimpulse zu unterbrechen. Dies kann mit Hilfe einer weiteren Torschaltung SG geschehen, die durch das Ausgangssignal der Korrektursignal-Steuereinrichtung KST, z. B. bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6, durch die konjunktiv verknüpften, invertierten Ausgangssignale der beiden RS-Flipfloys PF11 und FF21 gesteuert wird.

- ι/τ

Das erfindungsgemäße Verfahren 1st auch mittels einer Digitalsignale verarbeitenden, im übrigen äquivalenten Schaltungsanordnung durchführbar. Liegen analoge Eingangsdaten, d.h. ein analoges Audioaignal AS vor, so sind die den Scheitelwerten und di?n Wendepunkten zugeordneten Werte analog/ digital-umzuset^en und sind die dem Endverstärker zuzuführenden Signale wieder digital/analog-umzusetzen. Liegen die Audiosignalip in digitaler Form vor, z.B. als PCM-Signale, so erfolgt deren Korrektur zweckmäßig auf digitalem Wege.

Die Erfindung wurde ausführlich.mit Bezug auf die Korrektur von Audiosignalen erläutert, die einen Lautsprecher, z.B. dessen Membran, anregen; sie ist jedoch auch bei anderen Signalen anwendbar, die andere Trägheit bei plötzlichen Pegeländerungen aufweisende Elemente anregen, d.h. Elemente, die plötzlichen Pegeländerungen nicht folgen können und dadurch das von dem Element abzugebende Signal verfälschen.

7 Figuren
9< Patentansprüche

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Verbesserung des Einschwingverhaltens eines durch ein Eingangssignal, insbesondere ein Audiosignal, angeregten Trägheit bei plötzlichen Pegeländerungen aufweisenden Elements, insbesondere eines Lautsprechers, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Jeweils zwei aufeinanderfolgende Sclieitelwerte (S, S*) des Eingangssignals (AS) werden hinsichtlich Betrag und Vorzeichen miteinander verglichen,

b) abhängig von den Vergleichsergebnissen werden Korrekturimpulse (KH, KI2) erzeugt, die höchstens zwischen zwei aufeinanderfolgenden Scheitelpunkten (S, S*) wirksam sind und derein Amplitude der Differenz der Beträge der Scheitelwertii angepaßt ist,

c) die Korrekturimpulse (KH, KI2) werden dem Eingangssignal (ASV) nach Verzögerung überlagert, wobei die Verzögerungszeiif gleich der Dauer von Korrekturimpulsen (KH, KI2) für Schwingungen mit der niedrigsten für die Widergabe vorgesehenen Frequenz ist und für die Überlagerung folgende Kriterien gelten:

ca) ein die Änderung der Momentanwerte des Eingangssignals (ASY) unterstützender Korrekturimpuls (KH, KI2) wird überlagert, wenn beide Scheitelwerte gleiches Vorzeichen haben und der erste Scheitelwert kleiner ist als der zweite oder wenn die Scheiteiwerte verschiedene Vorzeichen haben und der erste Scheitelwert kleiner ist als dar zweite und das Verhältnis des größeren zum kleineren Scheitelwert einen vorgegebenen Wert übersteigt,

cb) ein der Änderung der Momentanwerte des Eingangssignale (ASV) entgegenwirkender Korrekturimpuls (KH, ΚΓ2) wird überlagert, wenn beide Scheitelwerte gleiches Vorzeichen haben und der erste Scheitelwert größer ist als der zweite oder wenn die Scheitelwerte verschiedenes Vorzeichen haben und der erste Scheitel

I O U ό O

wert größer ist als der zweite und das Verhältnis des größeren zum kleineren Scheitelwert einen vorgegebenen Wert übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektursignale (KU, KI2) durch zeitgerechte Abtastung eines durch Differentiation des verzögerten Eingangssignals (ASV) abgeleiteten Hilfssignals bzw. durch Abtastung des invertierten Hilfssignals erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es in Verbindung mit einer G-egenkopplungsanordnung durchgeführt wird.
4. Verfahren na.ph Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplung für die Dauer der Einspeisung von Korrekturimpulsen i^ußer Punktion gesetzt wird.
5· Verfahren naoh einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich dee Eingangssignals in mehrere Frequenzbänder aufgeteilt wird und das Verfahren ausgewählt auf mindestens eines der Frequenzbänder angewendet wird. .
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Frequenzband die tieferen Frequenzen des Frequenzbereichs enthält.
7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Signalquelle zur Lieferung des Eingangssignals und mit einem Endverstärker zur Anregung des Elements, gekennzeichnet durch

a) ein Verzögerungsglied (DEL) zur Verzögerung des Eingangssignals (AS),

b) eine Einrichtung (KSG) zur Bildung der Korrektursignale (KH, KI2),

c) einen Signala>nalysator (SAN) zur Erzeugung von Scheitelpunktimpulsen (SI) und von Wendepunktimpulsen (WPI) sowie zum Vergleich von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Scheitelwerten naoh Betrag und Vorzeichen,

d) und eine Korrektursignal-Steuereinrichtung (KST) zur Steuerung der Überlagerung des verzögerten Eingangssignals (ASV) mit Korrekturimpulsen (KH, KI2) entsprechend den vom Signalanalysator (SAN)gelieferten Informationen (WPI, ^SIk1' ^SIk2)' .
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (DEL) zur Verzögerung des Eingangssignals (AS) als Schieberegister ausgebildet ist, dessen Stufenzahl (Z) und Schiebetakt (ZT) der zu erzielenden Verzögerungseeit angepaßt sind, wobei die Frequenz des Schiebetaktes (ZT) groß gegen die höchste für die Wiedergabe durch das Element vorgesehene Frequenz des Eingangssignals (AS₁) ist.

9, Schaltungsanardmnng nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Wierkmale:

a) Es sind ein η-stufiger Vorwärtszähler (CR, CR1, CR2) sowie η-stufige weitere Zähler (ZE11 bis ZE14 bzw. ZE21 bis ZE24) und Durchlaufzähler (ZAH bis ZA14 bzw. ZA21 bis ZA24) mit 2ⁿ = z, die mit dem Schiebetakt (Zähltakt ZT) betrieben werden, vorgesehen,

b) der Vorwärtszähler (CR, CR1, CR2) wird Jeweils durch einen den Beginn des Korrektur impuls es (KH, KI2) in bezug auf das unverzögerte Eingangssignal (AS) markierenden Impuls (WPI, SI₂) zurückgesetzt,

c) der augenblickliche Zählerstand des VorwärtsZählers (CR, CR1, CR2) wird durch einen das Ende des Korrekturimpulses (KH, KI2) in bezug auf das unverzögerte Eingangssignal (AS) markierenden Impuls (SI^₁, SI^₂) ⁱⁿ einen der weiteren Zähler (ZE11 bis ZE14 bzw. ZE21 bis ZE24) in zyklischer Vertauschung übergeben, gleichzeitig wird

O I O UO OO

ein zugeordneter Durchlauf zähler (ZA.11 bis ZA14- bzw. ZA21 bis ZA24) zurückgesetzt,

d) die weiteren Zähler (ZE11 bis ZEH bzw. ZE21 bis ZE24) erzeugen beim Erreichen des höchsten Zählerstandes einen Impuls, der den Beginn eines Korrelcturimpulses (ZU, KI2) in bezug auf das verzögerte Eingangssignal (AST) bezeichnet,

θ) die Durchlaufzähler (ZA11 bis ZAVt bzw. ZA21 bis ZA24) erzeugen beim Erreichen des höchsten Zählerstandes einen Impuls, der das Ende eines Korrelcturimpulses (KII, KI2) in bezug auf das verzögerte Eingangssignal (ASV) bezeichnet,

f) es sind mindestens ebenso viele weitere Zähler (ZE11 bis ZEH bzw. Z121 bis ZE24) lind Durchlauf zähler (ZA11 bis ZAH "bzw. ZA21 bis ZA24) vorgesehen, als dem Verhältnis der oberen zu der unteren Grenzfrequenz des Eingangssignals (AS) entspricht.