DE3910724C2

DE3910724C2 - Vorrichtung zum Einstellen der Verstärkung eines Tonsignals in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE3910724C2
Application number: DE19893910724
Authority: DE
Inventors: Amar G Bose; Joseph L Veranth
Original assignee: Bose Corp
Current assignee: Bose Corp
Priority date: 1988-04-04
Filing date: 1989-04-03
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2009-04-04
Also published as: DE3910724A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen der Verstärkung eines Tonsignals in einem Fahrzeug und behandelt insbesondere neuartige Vorrichtungen und Techniken zum Einstellen der Ver stärkung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und/oder dem Motorzustand des Fahrzeuges und/oder dem Eingangssignalpegel.

Fahrzeuge, wie z. B. Automobile, unterliegen externen Störge räuschen, die sich sowohl aus Motorgeräuschen als auch aus den durch die Fortbewegung verursachten Fahrbahngeräuschen zusam mensetzen. Diese Störgeräusche sind Bestandteil des Umgebungs geräuschpegels im Fahrzeug, durch den erwünschte Tonsignale überdeckt werden, was zu einer Veränderung der wahrgenommenen klanglichen Ausgeglichenheit und bei Musikwiedergabe zu einem Verlust bei Passagen mit sehr niedrigem Pegel führt. Mit einer einfachen Baßanhebung ist dieses Problem nicht zu lösen, da die se Maßnahme allein zu einer Verschlechterung der wahrgenommenen Verständlichkeit führt. Durch eine einfache Lautstärkeerhöhung ist das Problem auch nicht zu lösen, weil dann ein Verlust bei der Wahrnehmung der Bässe auftritt.

Die Auswirkung externer Störgeräusche auf die Wahrnehmbarkeit des in einem Fahrzeug wiedergegebenen Tonsignals hängt neben den Faktoren, die die Störgeräusche selbst beeinflussen, von mehreren Faktoren ab. Diese Auswirkung ist abhängig von der Lautstärke des wiedergegebenen Tonsignals, weil ja leise Stellen mit Musik oder Sprache stärker vom Hintergrundgeräuschpe gel beeinflußt werden als laute Passagen. Die Auswirkung hängt ebenfalls von der "Vorgeschichte" der Geräuschkulisse ab, weil sich ja der Wahrnehmungsmechanismus des Menschen als Reaktion darauf ändert, daß er einem länger anhaltenden Geräusch ausge setzt ist. Diese Eigenschaft hat zur Folge, daß nach einer längeren Geräuschbeeinflußung ein höherer Wiedergabepegel be nötigt wird.

In der DE 32 22 495 A1 ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 offenbart.

In der FR 2 579 843 A1 ist eine Vorrichtung zur Verstärkung eines wiedergegebenen Tonsignals in Abhängigkeit von den Fahrzeugbetriebszuständen offenbart, worin Mittel zur zeitlichen Verzögerung der Verstärkung vorgesehen sind.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Wiedergabe eines Tonsignals in einem Fahrzeug weiter zu verbessern.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in einer Zeichnung darge stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild, in dem die Hauptsignale darge stellt sind, die zu einem System gemäß der Erfindung gehören;

Fig. 2 die grafische Darstellung des Ausgangspegels des Teils zur dynamischen Lautstärkeregulierung bezogen auf ver schiedene Lautstärkeeinstellungen bei festem Eingangs pegel;

Fig. 3 die grafische Darstellung des Ausgangspegels desselben Systemteils bezogen auf verschiedene Fahrzeugbetriebs zustände bei festem Eingangspegel;

Fig. 4 die grafische Darstellung des Ausgangspegels desselben Schaltungsteils in Abhängigkeit vom Eingangspegel bei verschiedenen Lautstärkeeinstellungen und bei fester Frequenz;

Fig. 5 die grafische Darstellung des Ausgangspegels desselben Schaltungsteils in Abhängigkeit vom Eingangspegel bei verschiedenen Fahrzeugbetriebsbedingungen und bei fester Frequenz;

Fig. 6 die grafische Darstellung des Ausgangspegels des Lei stungsverstärkers und der Begrenzerschaltung in Ab hängigkeit vom Eingangspegel bei einer festen Frequenz;

Fig. 7 die grafische Darstellung des Ausgangspegels der Ge samtschaltung in Abhängigkeit vom Eingangspegel bei einer gegebenen Lautstärkeeinstellung und einem gege benen Satz von Fahrzeugbedingungen;

Fig. 8 ein Blockschaltbild, in dem eine Schaltungsanordnung dargestellt ist, bei der die Schaltung zur automa tischen Lautstärkeregelung in einen Entzerrerteil und einen Kompanderteil unterteilt ist;

Fig. 9 die schematische Darstellung einer Schaltung zum Er zielen der Entzerrerfunktion zusammen mit der Ver stärkungsregelung;

Fig. 10 die schematische Darstellung einer Schaltung zur Rea lisierung des Kompanderteils der Schaltung;

Fig. 11 die schematische Darstellung einer Schaltung zum Er zielen der Entzerrerfunktion ohne Verstärkungsrege lung;

Fig. 12 die grafische Darstellung des Frequenzgangs der Ent zerrerschaltung ohne Verstärkungsregelung;

Fig. 13 die schematische Darstellung einer Schaltung zur Rea lisierung des Kompanderteils der Schaltung einschließ lich Verstärkungsregelung;

Fig. 14 ein Blockschaltbild, in dem die Aufteilung der Schal tung so erfolgt, daß sich ein Teil in der Nähe der Signalquelle und ein Teil in der Nähe des Lautspre chers befindet;

Fig. 15 die schematische Darstellung des Kompanderteils der Schaltung, die sich in der Nähe der Signalquelle be findet.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild mit der logischen Zusammen stellung eines Systems gemäß der Erfindung, bei dem das zu ver stärkende Tonsignal vom Eingang 22 zum Ausgang 23 über eine dynamische Lautstärkeregelung 20 läuft, die in Reihe geschaltet ist mit einem Leistungsverstärker und einer Begrenzerschaltung 21. Die dynamische Lautstärkeregelung 20 kann ein System mit ei nem Einsteller 24 zur manuellen Tonsignalpegeleinstellung ent halten. Die dynamische Lautstärkeregelung kann eine Schaltung enthalten, mit der verschiedene Funktionen in der nachfolgend beschriebenen Weise ausgeführt werden.

Die Fig. 2 enthält die grafische Darstellung des Verhaltens der dynamischen Lautstärkeregelung 20 bei verschiedenen Einstel lungen des Lautstärkeeinstellers, wobei die übrigen Fahrzeugbe triebszustände als unverändert angenommen werden. Bei zunehmen der, manuell eingestellter Verstärkung nimmt die niederfrequente Spitzenamplitude bezogen auf die Amplitude bei den mittleren Frequenzen ab.

Die Fig. 3 zeigt die grafische Darstellung von Verstärkungskurven in Abhängigkeit von der Frequenz für die dynamische Lautstärkeregelung 20, wobei die manuell eingestellte Verstärkung einen fe sten Wert hat und die Fahrzeugbetriebsbedingungen verändert wer den. Ein Hauptmerkmal des Systems ist die Tatsache, daß der Fre quenzgang sich viel deutlicher ändert, wenn die Verstärkung mit dem Lautstärkeeinsteller 24 geändert wird, als dies infolge von veränderten Fahrzeugbetriebszuständen der Fall ist. Allgemeiner ausgedrückt besteht die Wirkung der dynamischen Lautstärkerege lung 20 mit den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Eigenschaf ten darin, den Gesamtfrequenzgang so zu verschieben, daß keine der bei abgeschaltetem Motor aufgenommenen Kurven in Fig. 2 durch keinerlei Einstellung des von Hand eingestellten Verstär kungseinstellers auf irgendeine der äquivalenten Kurven bei ein geschaltetem Motor abgeglichen werden kann.

Die Fig. 4 zeigt die grafische Darstellung des Ausgangspegels in Abhängigkeit vom Eingangspegel (beide Werte in dB) bei verschie denen Einstellungen des Verstärkungseinstellers und bei festen Fahrzeugbetriebsbedingungen, die eine Komprimierungsanordnung darstellen, die unter Bedingungen mit erhöhtem Störgeräusch, z. B. bei hoher Fahrgeschwindigkeit und/oder bei laufendem Motor, wünschenswert ist. Beim Drehen am Lautstärkeeinsteller erhöht sich die Ausgangsleistung deutlicher bei Pianissimostellen bzw. Stellen mit niedrigem Pegel als bei Fortissimostellen bzw. Stel len mit hohem Pegel.

Die Fig. 5 zeigt die grafische Darstellung des Ausgangspegels in Abhängigkeit vom Eingangspegel (beide in dB) bei verschiedenen Fahrzeugbetriebsbedingungen und bei fester Lautstärkeeinstellung. Der niedrigste Ausgangspegel tritt bei abgeschaltetem, der höch ste Ausgangspegel bei eingeschaltetem Motor und höchster Fahr zeuggeschwindigkeit, etwa 110 km/h, auf. Da in diesem Fal le der Umgebungsgeräuschpegel zunimmt, nimmt die Verstärkung bei den ganz leisen Musik- oder sonstigen Tonsignalpassagen mehr als bei sehr lauten Passagen zu, so daß in einer Situation mit sehr starken Störgeräuschen, in der der gesamte, dem Hörer zur Verfügung stehende Dynamikumfang des Systems begrenzt ist auf den Bereich zwischen dem Umgebungsgeräusch und der maximalen Ausgangsleistung des Fahrzeugtonsystems, der Dynamikumfang des am Eingang anliegenden Musiksignals oder sonstigen Tonsignals effektiv in den dann im Fahrzeug vorhandenen Dynamikbereich eingebettet ist. Die dynamische Lautstärkeregelung 20 enthält vorzugsweise Mittel wie z. B. ein geeignetes RC-Netzwerk, mit dem die Verstärkungsänderungen verzögert werden, damit sich der Hörer an die Änderungen des Umgebungsgeräuschpegels anpassen kann. Diese beträgt etwa einige Sekunden bei einer Erhöhung und mehrere Sekunden bei einer Verringerung, was der Zeit ent spricht, die ein Mensch benötigt, um sich an den geänderten Um gebungsgeräuschpegel anzupassen.

Die Fig. 6 zeigt die grafische Darstellung des Ausgangspegels eines Leistungsverstärkers und Kompressors (beide Werte in dB) bei einer festen Frequenz, die eine Begrenzung des Signals dar stellen mit dem Ziel, starke Verzerrungen zu vermeiden, wenn die maximale Ausgangsleistung des Verstärkers erreicht wird.

Die Fig. 7 zeigt die grafische Darstellung des Ausgangspegels einer vollständigen Schaltung in Abhängigkeit vom Eingangspegel bei einer gegebenen Frequenz, Lautstärkeeinstellung und einem gegebenen Satz von Fahrzeugbedingungen. Dabei sind die Spannungen repräsentativ für die Signalpegel in dB angegeben. Bei jedem be liebigen dieser Umgebungsbedingungssätze ist der Ausgangspegel abhängig vom Eingangspegel, von dem angenommen wird, daß er sich bei unterschiedlichen Musikpassagen zwischen V_imin und V_imax ändert. Bei den leisesten Musik- oder Sprachpassagen, bei denen der Eingangspegel der Schaltung bei V_imin liegt, beträgt der Ausgangspegel V_omin. In dem Maße, in dem der Eingangspegel an steigt, nimmt auch der Ausgangspegel zu und folgt dabei einer Kurve A mit durchschnittlicher Steilheit, so daß, wenn der Ein gangspegel seinen Maximalwert V_imax erreicht, der Ausgangspegel normalerweise einen Wert von V_omax annimmt. Unter manchen Be dingungen, wie z. B. bei weit aufgedrehtem Lautstärkeeinsteller oder unter lauten Fahrzeugbedingungen, kann der Verstärker den Begrenzungspunkt V_olim erreichen, bevor der Eingangspegel seinen Maximalwert erreicht hat.

Zu jedem durch eine Einstellung des Lautstärkeeinstellers und die Fahrzeugbedingungen, z. B. Geschwindigkeit und Batteriezustand, definierten Betriebskenndatensatz gehört jeweils ein eigener Wert für V_omin, V_omax und V_olim. Kennzeichnend für die Schaltung laut der vorliegenden Erfindung ist, daß V_omin in hohem Maße von Fahr zeugbedingungen und in geringem Maße von der Einstellung des Lautstärkeeinstellers abhängt, und daß V_omax in hohem Maße von den Einstellungen des Lautstärkeeinstellers und in geringem Maße von Fahrzeugbedingungen abhängt. V_olim hängt meistens von der Batteriespannung und der Verstärkerleistung ab. Die Steilheit A kann zur Vermeidung von künstlich hervorgerufenen Veränderungen bei zu starker Kompression oder Expansion eingeschränkt, werden.

Das Eingangssignal kann z. B. bei einer Compact-Disk als Signal quelle einen Dynamikumfang von 90 dB haben, was einem Wert von 1 V für V_imin und von 10 V für V_imax entspricht. Bei einem im Ausstellungsraum mit abgeschaltetem Motor stillstehenden Kraft fahrzeug kann der hörbare Dynamikumfang 80 dB betragen, von 40 dB Geräusch-Schalldruckpegel bis hin zum maximalen Verstärker ausgangsschallpegel von 120 dB, wobei der Lautstärkeeinsteller bis kurz vor dem Begrenzungseinsatz aufgedreht ist. Dies könnte einem Wert V_omin von 1 V und V_omax von 9 V entsprechen. Wird der Lautstärkeeinsteller weiter aufgedreht, kann V_omax von 9 V auf 10 V ansteigen, aber wenn V_olim bei 9 V angesetzt wird, führt dies nicht zu einer Ausgangspegelerhöhung bei lauten Passagen. Wenn man andererseits den Lautstärkeeinsteller zurückdreht, kann das V_omax auf 6 V absinken, ohne aber einen Einfluß auf V_omin zu haben, was einen Schallpegel zur Folge hat, der zwischen 40 dB Schalldruckpegel bei leisen Passagen und 90 dB bei lauten Pas sagen variiert. Wenn das Kraftfahrzeug gefahren wird, kann der Geräuschpegel auf 70 dB Schalldruckpegel ansteigen. Das könnte zur Folge haben, daß V_omax geringfügig von 6 V auf 7 V ansteigt, aber V_omin kann dadurch von 1 V auf 4 V ansteigen. Somit würde sich der wiedergegebene Musikpegel von 70 dB Schalldruck bei leisen Passagen bis zu 100 dB Schalldruck bei lauten Passagen ändern.

Wenn man von folgender Vereinbarung ausgeht,

x_i = Momentanwert des Eingangssignals (1)

x_o = Momentanwert des Ausgangssignals (2)

v_i = Pegel des Eingangssignals (z. B. x_i nach Gleichrichtung und Siebung) (3)

v_o = Pegel des Ausgangssignals (4)

V_i = log(v_i) (5)

V_o = log(v_o) (6)

dann kann die Eigenschaft der Fig. 7 durch folgende Gleichung genauer beschrieben werden:

V_o = V_omax - A(V_imax - V_i), (7)

wobei

Die Fig. 8 zeigt das Blockschaltbild einer zwecks Bedienkomfort unterteilten Schaltung, in der der Entzerrerteil vom Kompander teil getrennt ist. Der Kompanderteil kompensiert vorrangig die Fahrzeugzustände, besitzt aber einen geraden Frequenzgang. In diesem Falle wird die Schaltung durch die folgende Gleichung beschrieben:

V_o1 = V_oc + Vi - V_imax (9)

V_o2 = V_omax - A(V_oc - V_o1) (10)

Bei dieser Aufteilung wird die primäre Funktion der Lautstärke regelung zum Anpassen der Verstärkung der Schaltung durch Ände rung von V_omax als Reaktion auf geänderte Einstellungen des Lautstärkeeinstellers 24, die sich in Änderungen der Steuerspan nung V_oc äußern, in den Entzerrerteil der Schaltung integriert.

Die Fig. 9 zeigt das Blockschaltbild mit der logischen Anordnung eines Realisierungsbeispiels des Teils zur Frequenzgangformung der durch Gleichung 9 definierten Schaltung. Der Bandpaßfilter in Fig. 9 hat im Durchlaßbereich vorzugsweise eine Verstärkung von mehr als 1.

Die Fig. 10 zeigt das Blockschaltbild mit der logischen Anord nung eines Realisierungsbeispiels des Teils zur automatischen dynamischen Entzerrung der durch Gleichung 10 definierten Schal tung. Die Verstärkung der Schaltung bei einem Eingangssignal V_i wird mit Hilfe des Multiplizierers 25 und die Kompression oder Expansion des Dynamikumfangs mit Hilfe des Multiplizierers 26 in Abhängigkeit vom Signal 27 eingestellt, das zur Vermeidung künstlich hervorgerufener Veränderungen bei zu starker Kompres sion oder Expansion begrenzt werden kann.

Bei einer alternativen Realisierung kann der Entzerrerteil un abhängig von der Stellung des Lautstärkeeinstellers eine kon stante Verstärkung haben, und die primäre Funktion des Laut stärkereglers kann vom automatischen dynamischen Entzerrerteil der Schaltung übernommen werden. Das Blockschaltbild in Fig. 11 zeigt die logische Anordnung für ein Realisierungsbeispiel des Entzerrerteils einer solchen Schaltung.

Die Fig. 12 zeigt die grafische Darstellung des Ausgangspegels dieses Teils der Schaltung in Abhängigkeit von der Frequenz bei Änderung am Lautstärkeeinsteller und bei festem Eingangspegel und festen Fahrzeugbedingungen. In diesem Falle beeinflußt der Lautstärkeeinsteller nur den Frequenzgang dieses Teils der Schaltung und nicht die Verstärkung. Mathematisch ausgedrückt kann diese Schaltung mit folgender Gleichung umschrieben werden:

V_o1 = V_i (11)

Der entsprechende Kompanderteil der Schaltung würde dann durch Gleichung 7 dargestellt werden.

Die Fig. 13 zeigt des Blockschaltbild mit der logischen Anord nung eines Realisierungsbeispiels des Kompanderteils der Schal tung entsprechend dieser Aufteilung. Bei der dynamischen Laut stärkeregelung ist es wünschenswert, daß sie sofort auf eine geänderte Stellung des Lautstärkeeinstellers 24 reagiert. An dererseits soll die Reaktion auf veränderte Fahrzeugbedingungen mit einer Verzögerung erfolgen, die der Anpassungszeit des menschlichen Wahrnehmungsvermögens entspricht. Dies wird durch die Filter 28 und 29 erreicht, bei denen es sich um einfache RC-Netzwerke oder um kompliziertere Netzwerke mit anderen Ver zögerungszeiten bei größer werdenden Signalen als bei kleiner werdenden handelt.

Das soeben genannte Beispiel setzt eine vollkommen lineare Re gelfunktion so wie bei Steigung A in Fig. 7 voraus und die Er findung umfaßt kompliziertere Regelfunktionen.

Fig. 14 zeigt das Blockschaltbild einer weiteren Realisierung der Erfindung, die aus einem in der Nähe befindlichen Teil be steht. In dem US-Patent Nr. 4 282 605 werden einige der Vorteile beschrieben, die das Anordnen des Verstärkers beim Lautsprecher mit sich bringt. Bei einem Kraftfahrzeugaudiosystem besteht die Gefahr, daß die Leitungen zwischen Signalquelle, z. B. Emp fangsteil, Kassettenwiedergabegerät oder Compact-Disk-Abspiel gerät, und Verstärker unerwünschte Störungen aufnehmen. Falls sich die Lautstärkeregelung auf der Signalquellenseite befindet und dann der Lautstärkeeinsteller auf geringe Lautstärke gestellt wird, führen diese Leitungen das Nutzsignal mit niedrigem Pegel, so daß ein geringer Teil der aufgenommenen Störungen hörbar ist. Wenn sich aber stattdessen die Lautstärkeregelung dort befindet, wo auch der Lautsprecher und der Verstärker abgesetzt unterge bracht sind (siehe Fig. 14), dann kann der Pegel des Nutzsignals auf den Zuleitungen von der Quelle zum Lautsprecherverstärker ständig auf einem höheren Wert liegen. Deshalb verringert diese Besonderheit deutlich die Auswirkung der Störsignalaufnahme.

Ähnlich verhält es sich, wenn der Kompanderteil der Schaltung beim Lautsprecher angeordnet ist und die Fahrzeugbedingungen bei leisen Musikpassagen einen höheren Pegel erfordern, dann erhöhen sich die aufgenommenen Störungen, wohingegen in dem Falle, in dem der Kompanderteil der Schaltung bei der Signal quelle angeordnet ist (siehe Fig. 14), der Signalpegel größer wird, die Auswirkung der aufgenommenen Störungen jedoch kon stant bleibt. In diesem Falle kommt die Entzerrerschaltung mit der Lautstärkeregelung (siehe Fig. 9) am besten beim Lautspre cher zum Einsatz. Die Eigenschaften der Schaltung können dann durch folgende Gleichungen ausgedrückt werden:

V_o1 = V_imax - A(V_imax - V_i) (12)

V_o2 = V_o1 + V_omax - V_imax (13)

Bei dieser Realisierung werden sowohl das Lautstärkeregelsignal als auch das Signal oder die Signale, die die Fahrzeugbedingungen enthält bzw. enthalten, jeweils an den Stellen zugeführt, wo sich die Quelle und wo sich der Lautsprecher befindet. Eine weitere Alternative wird verständlich, wenn man zur Kenntnis nimmt, daß, da ja V_omax weniger stark durch Fahrzeugbedingungen als durch die Stellung des Lautstärkeeinstellers beeinflußt wird, diese Abhängigkeit bei minimaler Beaufschlagung durch elektrische Störungen in die Schaltung integriert werden kann, die sich in der Nähe der Quelle befindet, so daß sich die Gleichungen wie folgt ändern:

V_o1 = V_omax + V_imax - V_oc - A(V_imax - V_i) (14)

V_o2 = V_o1 + V_oc - V_imax (15)

Die Fig. 15 enthält das Blockschaltbild mit der logischen An ordnung eines Realisierungsbeispieles des Kompanderteils der Schaltung, so wie er durch Gleichung 14 beschrieben wird. Die zur Realisierung der entsprechenden Entzerrerfunktion mit Lautstärkeregelung verwendete Schaltung nach Gleichung 15 ist dieselbe wie die in Fig. 9.

Claims

1. Vorrichtung zum Einstellen der Verstärkung eines Tonsignals in einem Fahrzeug in Abhängigkeit von einem manuellen Lautstärkeeinsteller (24) und/oder Fahrzeugbetriebszuständen, mit
Mitteln (28, 29) für eine zeitliche Verzögerung der Reaktion der Verstärkung auf eine Änderung der Fahrzeugbetriebszustände und für eine unverzögerte Reaktion der Verstärkung auf eine Betätigung des manuellen Lautstärkeeinstellers (24),
dadurch gekennzeichnet, daß
bei einer Erhöhung des Umgebungsgeräuschpegels im Fahrzeug die zeitliche Verzögerung verschieden ist von der zeitlichen Verzögerung bei einer Verringerung des Umgebungsgeräuschpegels, und
bei zunehmender, manuell eingestellter Verstärkung am manuellen Lautstärkeeinsteller (24) die niederfrequente Spitzenamplitude des verstärkten Tonsignals bezogen auf die Amplitude bei den mittleren Frequenzen abnimmt.