DE3907275A1 - Tonsystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tonsystem, allgemein die Beeinflussung des Frequenzgangs eines akustischen Systems und insbesondere neue Vorrichtungen und Techniken zur Verbesserung des akustischen Frequenzgang eines Systems, das getrennt angeordnete Lautsprecher besitzt, die in einem gemeinsamen Frequenzbereich arbeiten. Die Erfindung ist besonders nützlich bei der Verringerung von unerwünschten Anhebungen und Absenkungen bei einem Kraftfahrzeugtonsystem mit an verschiedenen Stellen eingebauten Lautsprechern.

Bei einem Kraftfahrzeugtonsystem werden die Lautsprecher oft an verschiedenen Stellen eingebaut. Wenn die Lautsprecher den Ton in einem gemeinsamen Bassfrequenzbereich abstrahlen, können mehrere Probleme entstehen. Durch die Auslöschung bzw. Verstärkung von Signalen derselben Frequenz, die von zwei oder mehr als zwei Lautsprechern stammen, können dort, wo sich der Hörer befindet, Einbrüche und Überhöhungen im Frequenzgang entstehen. Diese Frequenzgangeinbrüche und -überhöhungen sind bei Musikwiedergabe besonders unangenehm bei den unteren Frequenzen, bei denen die Wellenlänge im Vergleich zum Kopfdurchmesser des Hörers groß ist.

Bei einem typischen, früheren technischen Lösungsversuch werden für die Entzerrung von Mehrlautsprechersystemen Netzwerke minimaler Phase verwendet. Solche Netzwerke sind aber wegen des bei Netzwerken minimaler Phase von Natur aus vorhandenen Widerspruchs zwischen Phase und Größe nicht in der Lage, den Frequenzgang bei tiefen Frequenzen am Platz des Hörers ausreichend zu glätten. Das Problem ist bei mehreren Abhörplätzen, zum Beispiel auf den Vorder- und Rücksitzen eines Kraftfahrzeugs, noch schwieriger zu lösen. Die Lösung des Glättungsproblems erfordert dann noch mehr Freiheit bei der Entwicklung als für die Erzielung der Entzerrung für einen einzigen Abhörplatz.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten akustischen Wiedergabe innerhalb eines von mehreren, in Abständen angebrachten Lautsprechern beschallten Bereichs.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch mindestens zwei im Abstand angeordnete Lautsprecher und an diese Lautsprecher angeschlossene Verstärker, wobei die Lautsprecher in zumindest teilweise gemeinsamen Frequenzbereichen arbeiten, und eine Schaltung nichtminimaler Phase im Signalweg, der mindestens einen Verstärker und zugehörigen Lautsprecher enthält, zur Veränderung des Signals, das letzterem Lautsprecher in Bezug auf den anderen Lautsprecher zugeführt wird, um so am Abhörplatz, der sich im Abstand von den mindestens zwei Lautsprechern befindet, einen gleichmäßigeren Frequenzgang in dem gemeinsamen Frequenzbereich zu erzeugen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 und 2 Blockschaltbilder, die die logische Anordnung von Systemen gemäß der Erfindung darstellen,

Fig. 3 einen Stromlaufplan einer Entzerrerschaltung gemäß der Erfindung mit komplexen Nullstellen in der rechten Ebene,

Fig. 4 einen Stromlaufplan eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit realen Nullstellen in der rechten Ebene.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Fig. 1 und 2 enthalten Blockschaltbilder, in denen die logische Anordnung von Systemen gemäß der Erfindung dargestellt wird.

Der Differenzverstärker 11 erhält über die Eingangsleitungen 11 A bzw. 11 B ein rechtes und ein linkes Audiosignal und liefert ein Differenzsignal. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird dieses Signal dem Eingang einer Schaltung nichtminimaler Phase 12 zugeführt, die einen Entzerrer mit Nullstellen in der rechten Ebene enthält. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird dieses Differenzsignal einem Kompander 13 zugeführt. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird das Ausgangssignal der Schaltung nichtminimaler Phase 12 dem Eingang des Kompanders 13 zugeführt. In beiden Ausführungsbeispielen wird das Ausgangssignal des Kompanders 13 der Entzerrerschaltung 14 zugeführt, deren Ausgangssignal an den Rückkopplungseingang 13 F des Kompanders 13 zurückgeführt wird. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird das Ausgangssignal des Entzerrers 14 an den Leistungsverstärker 15 geliefert. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird das Ausgangssignal des Entzerrers 14 der Entzerrerschaltung nicht minimaler Phase 12 zugeführt, die Nullstellen in der rechten Halbebene aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal der Schaltung nichtminimaler Phase 12 an den Leistungsverstärker 15 geliefert. In beiden Ausführungsbeispielen speist das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 15 den Lautsprecher 16.

Fig. 3 zeigt den Stromlaufplan eines geeigneten Ausführungsbeispiels einer Schaltung nichtmininaler Phase 12. Der Eingangsanschluß 21 ist über den Widerstand 22 mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 23 verbunden. Über Widerstand 24 und Kondensator 25 ist der Eingangsanschluß mit dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers 23 verbunden. Der Widerstand 26 verbindet den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 23 mit Masse. Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 23 und dem invertierenden Eingang liegt der Gegenkopplungswiderstand 27, der durch die in Reihe geschalteten Kondensatoren 25 und 31 überbrückt ist. Über den Widerstand 32 ist der Ausgang des Operationsverstärkers 23 mit Masse verbunden. Diese Ausführung der Schaltung nichtminimaler Phase ist durch komplexe Nullstellen in der rechten Ebene gekennzeichnet.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Schaltung nichtminimaler Phase 12 dargestellt, die durch reale Nullstellen in der rechten Halbebene gekennzeichnet ist. Der Eingangsanschluß 41 ist über den Widerstand 42 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 23 verbunden. Über den Kondensator 43 ist der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 23 mit Masse verbunden. Widerstand 44 verbindet den Eingangsanschluß 41 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 23. Widerstand 45 verbindet den Eingangschluß 41 mit Masse.

Der Gegenkopplungswiderstand 46 verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers 23 mit dem invertierenden Eingang. In Fig. 3 werden die Parameterwerte einer tatsächlich funktionierenden Ausführung der Entzerrerschaltung mit einer Polstelle bei 125,3 Hz und einer Nullstelle in der rechten Halbebene auf dem realen Teil der Achse bei 144,6 Hz bekanntgegeben.

Die Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Außer daß sie eine gleichförmigere Größe des Frequenzgangs an einer oder mehreren Stellen in der Abhörumgebung liefern, können Netzwerke nichtminimaler Phase in vielen Fällen den Dynamikbereich eines Tonwiedergabesystems für einen gegebenen Verstärker und Lautsprecher vergrößern. Dieses vorteilhafte Ergebnis tritt ein, weil bei einer gegebenen, von mehreren, in einem gemeinsamen Frequenzband abstrahlenden Lautsprechern aufzubringenden Schalleistung die Lautsprecher und Verstärker die geringste Leistung dann aufbringen müssen, wenn die Schallbeiträge von jedem der Lautsprecher am Abhörplatz gleichphasig sind. Dadurch wird bei einer gegebenen maximalen Schallausgangsleistung der Lautsprecher die Schalleistung am Abhörplatz und damit auch der Dynamikbereich durch die Verwendung von Netzwerken nichtminimaler Phase maximiert.

Der Wirkungsgrad des Systems kann definiert werden als Schalleistung am Abhörplatz dividiert durch die den Verstärkern zugeführte elektrische Leistung. Aus den im vorhergehenden Abschnitt dargelegten Gründen wird deshalb auch der Wirkungsgrad des Systems durch die Verwendung von Netzwerken nichtminimaler Phase erhöht.

Die Erfindung kann in einem System realisiert werden, bei dem eine beliebige Anzahl von mehr als einem Lautsprecher zum Einsatz kommt, die in einem gemeinsamen Frequenzbereich arbeiten. Bei den Lautsprechern kann es sich um Tieftöner oder Breitbandlautsprecher für den ganzen Frequenzbereich handeln. Die Erfindung ist zwar besonders vorteilhaft in Kraftfahrzeugen, sie kann jedoch auch vorteilhaft in anderen Umgebungen, einschließlich Hörsälen und sonstigen Räumen, praktisch verwendet werden.

Die Phasendifferenz zwischen den Signalen, die den minimal zwei Lautsprechern zugeführt werden, kann entweder durch ein einzelnes Netzwerk nichtminimaler Phase, das das dem einen Lautsprecher zugeführte Signal beeinflußt, oder durch zwei Netzwerke nichtminimaler Phase mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen in dem betreffenden Frequenzbereich realisiert werden.

Ein spezielles Netzwerk kann durch Messen des Frequenzgangs an einem vorher festgelegten Abhörplatz, durch Bestimmen des Unterschieds zwischen dem gemessenen Frequenzgang und dem am Abhörplatz gewünschten Frequenzgang und durch Entwickeln einer Schaltung nichtminimaler Phase konstruiert werden, die die Unterschiede zwischen gewünschtem und gemessenem Frequenzgang entsprechend den bekannten Netzwerksynthesetechniken kompensiert. Um für eine Abhörposition sowohl auf den Vorder- als auch auf den Rücksitzen einen gewünschten Frequenzgang zu erzielen, kann es wünschenswert sein, eine Entzerrung vorzusehen, bei der eine Absenkung des Frequenzgangs im gemeinsamen Frequenzbereich an dem einem Abhörplatz und eine Anhebung an dem anderen stattfindet, damit der Frequenzgang an beiden Abhörplätzen wirklich gleich ist. Dies kann mit Hilfe eines Netzwerks nichtminimaler Phase in Verbindung mit entsprechenden Netzwerken für die Abhörplätze erreicht werden.

Die Erfindung kann eine Anzahl weiterer Eigenschaften umfassen. Die durch die Schaltung nichtminimaler Phase verursachte Phasenverschiebung ist typisch nicht proportional der Frequenz über den größten Teil des Tonspektrums. Der gemeinsame Frequenzbereich umfaßt typischerweise Frequenzen unter 1 kHz. Es können zwei verschiedene Netzwerke nichtminimaler Phase den Spektralanteilen im Bereich unter 500 Hz unterschiedliche Phasenverschiebungen zuteil werden lassen. Die beiden verschiedenen Netzwerke nichtminimaler Phase können für die Spektralanteilen oberhalb von 1 kHz im Wesentlichen die gleiche Phasenverschiebung bewirken.

Claims (9)

1. Tonsystem gekennzeichnet durch
mindestens zwei im Abstand angeordnete Lautsprecher und an diese Lautsprecher angeschlossene Verstärker, wobei die Lautsprecher in zumindest teilweise gemeinsamen Frequenzbereichen arbeiten, und
eine Schaltung nichtminimaler Phase im Signalweg, der mindestens einen Verstärker und zugehörigen Lautsprecher enthält, zur Veränderung des Signals, das letzterem Lautsprecher in Bezug auf den anderen Lautsprecher zugeführt wird, um so am Abhörplatz, der sich im Abstand von den mindestens zwei Lautsprechern befindet, einen gleichmäßigeren Frequenzgang in dem gemeinsamen Frequenzbereich zu erzeugen.

2. Tonsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Schaltung nichtminimaler Phase verursachte Phasenverschiebung der Frequenz im überwiegenden Teil des Tonfrequenzspektrums nicht proportional ist.

3. Tonsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Frequenzbereich Frequenzen unterhalb von 1 kHz enthält.

4. Tonsystem nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch ein Kraftfahrzeug und dadurch, daß sich das Tonsystem in diesem Kraftfahrzeug befindet.

5. Tonsystem nach Anspruch 1, bei dem die Schaltung nichtminimaler Phase durch komplexe Nullstellen in der rechten Halbebene gekennzeichnet ist.

6. Tonsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zu den Nullstellen der rechten Halbebene gehörende Gütefaktor Q größer als 1 ist.

7. Tonsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung nichtminimaler Phase aus mindestens zwei verschiedenen Netzwerken nichtlinearer Phase besteht.

8. Tonsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verschiedenen Netzwerke nichtlinearer Phase den Spektralanteilen im Bereich unterhalb von 500 Hz unterschiedliche Phasenverschiebungen zuteil werden lassen.

9. Tonsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verschiedenen Netzwerke nichtminaler Phase für die Spektralanteile oberhalb von 1000 Hz im Wesentlichen die gleiche Phasenverschiebung bewirken.