DE4205037C2

DE4205037C2 - Lautsprechersystem und Verfahren zur Steuerung seines Richtvermögens

Info

Publication number: DE4205037C2
Application number: DE4205037A
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Yanagawa; Keishi Saito; Sumio Hagiwara
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1991-08-07
Filing date: 1992-02-19
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2012-02-20
Also published as: GB2259426B; DE4205037A1; US5233664A; GB2259426A; JPH0541897A; GB9203048D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Lautsprechersystem und ein Verfah ren zur Steuerung des Richtvermögens eines Lautsprecher systems gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 10.

Das Richtvermögen ist eine der Charakteristiken, die zur Be wertung des Betriebsverhaltens eines Lautsprechers verwendet werden. Das Richtvermögen ist die Eigenschaft, daß die Größe eines Schalldrucks in Abhängigkeit von der Richtung diffe riert. Es kann nicht wahllos gesagt werden, daß ein breiteres Richtvermögen in allen Anwendungen besser ist. Es gibt ver schiedene Richtcharakteristiken für verschiedene Anwendungen eines Lautsprechers, das heißt, des Dienstbereichs des Laut sprechers. Zum Beispiel ist für Tonanwendung ein breites Richtvermögen vorzuziehen, wogegen für Lautsprecheranwendung ein enges Richtvermögen gefordert wird, so daß die Sprache nur in einer vorbestimmten Richtung ausgestrahlt wird, um Heulen usw. zu vermeiden.

Andererseits umfassen die Faktoren, die das Richtvermögen eines Lautsprechers bestimmen, für eine einzelne Lautspre chereinheit den Aufbau der Lautsprechereinheit selbst, ob es ein Konus- oder ein Trichterlautsprecher ist, und für einen Konuslautsprecher die Tiefe des Konus, der seine Membran bil det. Ferner gibt es eine Art Schall, der nur in einer vorbe stimmten Richtung ausgestrahlt wird durch einen linear ange ordneten Lautsprecher (den sogenannten Tonsäulentyp), welcher eine Mehrzahl von Lautsprechereinheiten verwendet. In jedem Fall wird das Richtvermögen eines Lautsprechers durch den physischen Aufbau oder die Anordnung der Lautsprechereinheit selbst bestimmt. Jedoch erfordert es nicht nur Zeit und Mühe, einen Lautsprecher herzustellen, der eine Anforderung an das Richtvermögen erfüllt, sondern es werden auch häufig Be schränkungen auferlegt hinsichtlich der Außenabmessungen usw. Um dieses Problem zu überwinden, ist ein Lautsprecher system entwickelt worden, welches sein Richtvermögen elek trisch steuert unter Verwendung digitaler Filter (siehe japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. Hei 2-239 798).

Dieses Lautsprechersystem ist jedoch dafür vorgesehen, ein konsistentes Richtvermögen zu erhalten, das einen weiten Be reich von niedrigen bis zu hohen Frequenzen überdeckt, und in der Literatur findet sich keine Angabe eines spezifischen Steuerverfahrens zum Erhalten eines Richtvermögens in einer gewünschten Richtung.

Aus der DE-AS 44 943 ist eine Anordnung bekannt, bei der eine Vielzahl von Lautsprechern linear in einer Richtung angeord net sind. Zur Erzielung einer Richtwirkung der Hauptstrahl richtung der Lautsprecheranordnung befinden sich in den Ein gangsspeiseleitungen der einzelnen Lautsprecher Tiefpaßfilter mit unterschiedlichen, fest eingestellten Koeffizienten, die eine unterschiedliche Laufzeitverzögerung bewirken.

Aus Wireless Word, März 1971, Seite 132 bis 134 ist eine Lautsprecheranordnung bekannt, bei der die Lautsprecher in Form einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind. Diese Lautsprecheranordnung ist geeignet für akustische Tonwieder gabe in großen Räumen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lautspre chersystem und ein Verfahren zu seiner Steuerung anzugeben, bei dem das Richtvermögen schnell und auf einfache Weise variierbar ist.

Diese Aufgabe wird von einem Lautsprechersystem mit den Merk malen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein dem gemeinsamen Eingangsanschluß zugeführtes Tonsignal den jewei ligen linear angeordneten Lautsprechereinheiten über die Digitalfilter zugeführt. Ein Filterkoeffizient wird für jedes Digitalfilter eingestellt, um eine Zielrichtcharakteristik für akustische Strahlung durch eine Gruppe der linear ange ordneten Lautsprechereinheiten zu reproduzieren. Diese Fil terkoeffizienten werden beispielsweise durch ein nichtlineares Optimierungs verfahren so bestimmt, daß sie auf die Zielrichtcharakteri stik abgestimmt werden. Die Filterkoeffizienten nehmen Werte an, welche voneinander verschieden sind und auf der Basis einer Lautsprechereinheit eingestellt werden. Dementsprechend ist für jede Lautsprechereinheit ein Digitalfilter auf der Basis eins zu eins vorgesehen, und jedes Digitalfilter weist einen innewohnenden Filterkoeffizienten auf, so daß jede Laut sprechereinheit einzeln gesteuert werden kann. Also gestattet eine willkürliche Veränderung des Filterkoeffizienten ent sprechend der Zielrichtcharakteristik einem Lautsprecher, sein Richtvermögen feiner elektrisch zu steuern, ohne den Lautsprecheraufbau zu verändern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Lautsprechereinheiten auf einer Ebene in einer Matrixform an geordnet. Folglich ist das Lautsprechersystem mit einem Richtvermögen versehen, das durch die planare Anordnung der Lautsprechereinheiten bestimmt wird. Ein solches Richtvermö gen erscheint nicht nur in einer einzigen Anordnungsrichtung wie in dem linear angeordneten Lautsprechersystem (zum Bei spiel in einer Horizontalrichtung), sondern auch in einer unterschiedlichen Anordnungsrichtung (das heißt, in der Ver tikalrichtung). Daher wird bei der Bestimmung jedes Filterko effizienten durch das nichtlineare Optimierungsverfahren das Richtvermögen in der benötigten Horizontal- und Vertikalrich tung addiert, und durch das Einstellen der so bestimmten Fil terkoeffizienten an den jeweiligen Digitalfiltern kann das Richtvermögen in der Horizontal- und Vertikalrichtung nach Belieben elektrisch gesteuert werden, ohne den Aufbau des Lautsprechersystems zu verändern.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Lautsprechereinheiten so angeordnet, daß sie in der Horizon tal- und vertikalrichtung durch Wechselwirkung zwischen der ebenen Anordnung und den Digitalfiltern zu steuern sind, was folgende Vorteile mit sich bringt. Im Vergleich zu dem Laut sprechersystem mit dem zweidimensional angeordneten matrix förmigen Lautsprechersystem kann der Abstand zwischen Laut sprechereinheiten verengt werden. Folglich kann das Lautspre chersystem in der Größe vermindert werden, der Frequenzbe reich (insbesondere eine obere Grenzfrequenz), dessen Richt vermögen steuerbar ist, kann vergrößert werden, und die obe ren Frequenzen können zwischen den Lautsprechereinheiten übereinstimmend gemacht werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Lautspre chersystems der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Aussehens eines linear angeordneten Lautsprechersystems, welches eine erste Ausführungsform der Erfindung ist;

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Steuerverfahrens für das Richtvermögen gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung eines Hanningfensters;

Fig. 5 ein Schaubild des Frequenzganges eines FIR-Filters (m = 1) der Erfindung und eines Analogfilters;

Fig. 6 ein Schaubild des Frequenzganges eines FIR-Filters (m = 2) der Erfindung und eines Analogfilters;

Fig. 7 ein Schaubild des Frequenzganges eines FIR-Filters (m = 3) der Erfindung und eines Analogfilters;

Fig. 8 ein Schaubild des Frequenzganges eines FIR-Filters (m = 4) der Erfindung und eines Analogfilters;

Fig. 9 ein Schaubild des Frequenzganges eines FIR-Filters (m = 5) der Erfindung und eines Analogfilters;

Fig. 10 ein Schaubild des Frequenzganges eines FIR-Filters (m = 6) der Erfindung und eines Analogfilters;

Fig. 11 ein Schaubild des Frequenzganges eines FIR-Filters (m = 7) der Erfindung und eines Analogfilters;

Fig. 12 ein Schaubild des Frequenzganges eines FIR-Filters (m = 8) der Erfindung und eines Analogfilters;

Fig. 13 ein Schaubild des Frequenzganges eines FIR-Filters (m = 9) der Erfindung und eines Analogfilters;

Fig. 14 ein Diagramm einer zweidimensionalen Richtcharakte ristik bei 20 Hz in dem Lautsprechersystem einer Ausführungsform;

Fig. 15 ein Diagramm einer zweidimensionalen Richtcharakte ristik bei 100 Hz in dem Lautsprechersystem einer Ausführungsform;

Fig. 16 ein Diagramm einer zweidimensionalen Richtcharakte ristik bei 400 Hz in dem Lautsprechersystem einer Ausführungsform;

Fig. 17 ein Diagramm einer zweidimensionalen Richtcharakte ristik bei 1200 Hz in dem Lautsprechersystem einer Ausführungsform;

Fig. 18 ein Diagramm einer zweidimensionalen Richtcharakte ristik bei 14000 Hz in dem Lautsprechersystem einer Ausführungsform;

Fig. 19 (a) bis (d) Diagramme einer dreidimensionalen Zielrichtcharakteristik in dem Lautsprechersystem einer Ausführungsform;

Fig. 20 (a) bis (d) Diagramme einer dreidimensionalen Zielrichtcharakteristik bei 20 Hz in dem Lautspre chersystem einer Ausführungsform;

Fig. 21 (a) bis (d) Diagramme einer dreidimensionalen Zielrichtcharakteristik bei 100 Hz in dem Lautspre chersystem einer Ausführungsform;

Fig. 22 (a) bis (d) Diagramme einer dreidimensionalen Zielrichtcharakteristik bei 400 Hz in dem Lautspre chersystem einer Ausführungsform;

Fig. 23 (a) bis (d) Diagramme einer dreidimensionalen Zielrichtcharakteristik bei 1200 Hz in dem Laut sprechersystem einer Ausführungsform;

Fig. 24 (a) bis (d) Diagramme einer dreidimensionalen Zielrichtcharakteristik bei 1400 Hz in dem Laut sprechersystem einer Ausführungsform;

Fig. 25 eine perspektivische Ansicht des Aussehens eines zweidimensional angeordneten Lautsprechersystems, welches eine vorrangige Ausführungsform der Erfindung ist;

Fig. 26(a) bis 26(d) Diagramme einer dreidimensionalen Zielrichtcharakteristik in dem Lautsprechersystem der vorrangigen Ausführungsform;

Fig. 27 (a) bis (d) Diagramme einer dreidimensionalen Zielrichtcharakteristik bei 20 Hz in dem Lautspre chersystem der vorrangigen Ausführungsform;

Fig. 28 (a) bis (d) Diagramme einer dreidimensionalen Zielrichtcharakteristik bei 100 Hz in dem Lautspre chersystem der vorrangigen Ausführungsform;

Fig. 29 (a) bis (d) Diagramme einer dreidimensionalen Zielrichtcharakteristik bei 400 Hz in dem Lautspre chersystem der vorrangigen Ausführungsform;

Fig. 30 (a) bis (d) Diagramme einer dreidimensionalen Zielrichtcharakteristik bei 1200 Hz in dem Laut sprechersystem der vorrangigen Ausführungsform;

Fig. 31 (a) bis (d) Diagramme einer dreidimensionalen Zielrichtcharakteristik bei 1400 Hz in dem Laut sprechersystem der vorrangigen Ausführungsform;

Fig. 32 eine Vorderansicht eines Teiles eines Lautsprecher systems, welches eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist;

Fig. 33 ein Diagramm zur Erläuterung einer exemplarischen Anordnung einer wabenförmigen Lautsprecheranord nung;

Fig. 34 ein Diagramm des Frequenzganges einer Fehlerauswer tungsfunktion der wabenförmigen Lautsprecheranord nung;

Fig. 35 ein Diagramm zur Erläuterung einer exemplarischen Anordnung einer gitterförmigen Anordnung; und

Fig. 36 ein Diagramm des Frequenzganges einer Fehlerauswer tungsfunktion der gitterförmigen Lautsprecheranord nung.

Ein Lautsprechersystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 1 bis 24 gezeigt. Diese Ausfüh rungsform ist ein Beispiel, in welchem die Erfindung auf eine Lautsprechereinrichtung mit einer Mehrzahl linear angeordne ter Lautsprechereinheiten angewendet ist.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist das Lautsprechersystem einen einzigen gemeinsamen Eingangssignalanschluß IN auf, und die ser gemeinsame Eingangssignalanschluß IN verzweigt sich zu einer Mehrzahl von Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m, so daß jede der Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m parallel gesteuert werden kann. An Signalleitungen auf den Abzweigwegen zwischen dem gemeinsamen Eingangssignalanschluß IN und den Lautspre chereinheiten SP₁ bis SP_m sind Digitalfilter DF₁ bis DF_m und Verstärker A₁ bis A_m angeschlossen an die jeweiligen Laut sprechereinheiten SP₁ bis SP_m auf der Basis eins zu eins, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Verstärker A₁ bis A_m sind mit den je weiligen Digitalfiltern DF₁ bis DF_m in Reihe geschaltet. Eine Signalleitung 4 einer Steuereinrichtung 1 ist mit jedem der Digitalfilter DF₁ bis DF_m verbunden. Die Steuereinrichtung 1 stellt über die Signalleitung 4 spezifische Filterkoeffizien tendaten αhi an jedem der Digitalfilter DF₁ bis DF₁ ein. Die Filterkoeffizientendaten αhi werden in einem Speicher 2 ge speichert und an jedem der Digitalfilter DF₁ bis DF₁ durch Anweisung von einer Eingabetastatur 3 sequentiell einge stellt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, bilden die Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m (wobei in diesem Beispiel m = 9) eine Lautsprecheran ordnung, welche linear in gleichmäßigem Abstand in einer ein zigen Richtung angeordnet ist (zum Beispiel in Richtung der y-Achse). Vorzugsweise sollen die physikalischen Eigenschaf ten jeder der Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m, zum Beispiel Faktoren, welche die Kennwerte der Lautsprechereinheit regeln (Durchmesser, Mindestansprechfrequenz, Masse der Membran, usw.), einander gleich sein. Ob der Wiedergabefrequenzbereich in drei Teile unterteilt wird, das heißt, einen Tiefton-, einen Mittelton- und einen Hochtonlautsprecher, oder ein Ge samtbereichstyp ist, kann angemessen gewählt werden. Ferner kann, obzwar nicht gezeigt, nach Anforderung des Falles ge eignet bestimmt werden, ob jede Lautsprechereinheit einzeln in einem Gehäuse enthalten ist, oder sämtliche Lautsprecher einheiten an einer einzigen angrenzenden Schallwand oder an einer Wand angebracht sind, das heißt, diese Auslegung wird von der besonderen Verwendung des Lautsprechersystems abhän gen. In Fig. 2 ist angenommen, daß die x-Achse die Richtung der Schallstrahlung angibt, die y-Achse die Richtung der Breite (oder die horizontale Richtung) angibt, und die z- Achse die Höhenrichtung (oder die vertikale Richtung) angibt.

Jedes der Digitalfilter DF₁ bis DF_m ist verwirklicht durch einen Digitalsignalprozessor (DSP) und ausgebildet zu einem gewöhnlichen Filter mit endlicher Impulsantwort oder FIR-Fil ter. Die Hardware umfaßt, obzwar nicht gezeigt: eine Arithme tik-Logik-Einheit (ALU) zur Durchführung von Rechen- und Logikoperationen, welche der Kern der Signalverarbeitung sind, eine Folgesteuerungseinheit (mit einem Programmzähler, einem Befehlsregister und einem Decoder) zur Steuerung einer Operationsfolge, einen Nurlesespeicher (ROM) zum Speichern erforderlicher Programme, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) zum Speichern von Daten, Register zum zeitweiligen Speichern von Daten, eine Eingabe-Ausgabe-Vorrichtung zum Aufnehmen und Senden der Daten von und zu einer äußeren Vorrichtung sowie Busse zum Verbinden der genannten Elemente untereinander.

Bekanntlich kann ein Ausgangssignal Y(n) eines direkten FIR- Filters mit i, x_(n) (Eingangssignal) und αhi (Filterkoeffizientendaten), wobei i eine positive ganze Zahl von 0 bis N-1 ist, folgendermaßen ausgedrückt werden:

Folglich kann das FIR-Filter seine Filtercharakteristik will kürlich verändern durch Veränderung seines Filterkoeffizien ten αhi. Der Filterkoeffizient αhi wird von der Steuerein richtung 1 gesendet, wie vorher beschrieben, und in einem Register (Filterkoeffizientenregister) innerhalb des Digital signalprozessors gespeichert, wie ebenfalls vorher beschrie ben.

Die Verstärker A₁ bis A_m sind vorgesehen, um Ausgangssignal pegel von den Digitalfilter DF₁ bis DF_m zu verstärken auf Pe gel, die hoch genug sind, um die jeweiligen Lautsprecherein heiten SP₁ bis SP_m zu steuern.

Mit dem oben beschriebenen Aufbau wird nun ein Verfahren zur Steuerung der allgemeinen Richtcharakteristik von Tönen, die von der aus den Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m bestehenden Lautsprecheranordnung ausgestrahlt werden, in Verbindung mit dem Ablaufdiagramm von Fig. 3 beschrieben.

Zuerst wird das Steuerverfahren umrissen. Die allgemeine Richtcharakteristik der Lautsprecheranordnung ist eine Ansamm lung der Schalldrucke einzelner Töne, die von den jeweiligen Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m abgestrahlt werden. Eine gewünschte Charakteristik kann also erhalten werden durch Steuern des Ausgangsschalldrucks von jeder der Lautsprecher einheiten SP₁ bis SP_m. Also wird jeder der Filterkoeffizien ten der Digitalfilter DF₁ bis DF_m, die mit den Lautsprecher einheiten SP₁ bis SP_m verbunden sind, auf einen Wert einge stellt, der auf eine gewünschte Zielrichtcharakterstik abge stimmt ist. Um einen korrekten Filterkoeffizienten zu finden, werden zunächst Töne von einer Lautsprecheranordnung tatsäch lich erzeugt, seine Ausgangstöne werden durch ein Mikrofon gemessen, und anschließend werden auf der Grundlage der ge messenen Werte Filterkoeffizienten berechnet. Um die Berech nungen vorzusehen, ist es erforderlich, ein System zum Messen der Ausgangsschalldrucke der Lautsprecheranordnung zu imple mentieren und Filterkoeffizienten so zu berechnen, daß das tatsächliche Richtvermögen (angenähert) den Zielrichtvermögen entspricht, wobei das tatsächliche Richtvermögen unter Ver wendung der erhaltenen Ausgangsschalldrucke ausgewertet wird. Wenn eine Anzahl von Zielcharakteristiken vorhanden ist, wer den auf eine Zielcharakteristik abgestimmte Filterkoeffizien ten erhalten. Der Aufbau des Meßsystems und eines Rechenver fahrens werden nachfolgend beschrieben.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird eine Mehrzahl von Meßpunkten n = 1 bis N festgelegt, um eine tatsächliche Richtcharakteristik zu messen, die auf einer xy-Ebene (der horizontalen Richtung) zu entwickeln ist. Jeder der Meßpunkte liegt vor jeder der Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m im Abstand eines Radius r vor ihr, und die Meßpunkte sind um einen geeigneten Winkel Θ voneinander entfernt, wie in Fig. 1 gezeigt. Ein (nicht ge zeigtes) Mikrofon ist an jedem Meßpunkt n angeordnet, um die Schalldrucke von der Lautsprecheranordnung zu messen. Von den jeweiligen Mikrofonen abgegebene Schalldrucksignale können als das tatsächliche Richtvermögen Hym (ω) der Lautspre cheranordnung angenommen werden.

Das tatsächliche Richtvermögen Hyn (ω) kann durch folgende Gleichung (2) ausgedrückt werden (Schritt 105 in Fig. 3):

worin Hfm (ω) die Transferfunktion eines m-ten Digitalfil ters ist und Hsmn (ω) die Transferfunktion von der Ausgangs klemme eines m-ten Digitalfilters zu dem Mikrofon an einem n- ten Meßpunkt ist.

Um zu bestimmen, ob das tatsächliche Richtvermögen Hyn (ω) entweder einem Zielrichtvermögen entspricht oder an ein Ziel richtvermögen angenähert ist, wird eine Auswertungsfunktion f (ω) festgelegt. Die Auswertungsfunktion f (ω) kann durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt werden:

Darin ist Ci der Wägungskoeffizient, welcher auf einen will kürlichen Wert einzustellen ist zum Zeitpunkt der Messung (Schritt 101 in Fig. 3), wobei der Grad der Approximation mit größerem Wägungskoeffizienten Ci erhöht wird; Gi ist der Zielschalldruckwert [dB] an einem Meßpunkt i, das heißt, der Zielschalldruckwert entsprechend einem Zielrichtvermögen. Der Zielschalldruckwert Gi ist ein Wert, der so voreinzustellen ist, daß eine Zielrichtcharakteristik bezüglich jedes Meß punktes n = 1 bis N gebildet werden kann (Schritt 100 in Fig. 3).

Da die Berechnung optimaler Filterkoeffizienten zur Verwirk lichung einer Zielrichtcharakteristik das Optimieren oder Minimieren der Auswertungsfunktion f (ω) umfaßt, wird ein tatsächliches Richtvermögen Hyn (ω) berechnet, welches die Auswertungsfunktion f (ω) minimiert (Schritte 105, 106, 107 in Fig. 3). Das anzuwendende Berechnungsverfahren ist ein nichtlineares Optimierungsverfahren. Diesbezüglich wird das "Broydon-Flether-Goldfarb-Shanmo-Verfahren" oder das "Davidon-Fletcher-Powell-Verfahren" vorzugsweise verwendet als der nichtlineare Optimierungsalgorithmus, obwohl andere solche bekannten Algorithmen angewendet werden können.

Da der Wägungskoeffizient Ci und der Zielschalldruckwert Gi, die für die Berechnung benötigt werden, im voraus vorgesehen werden in Gleichung (3) (Schritte 100, 101 in Fig. 3), muß das tatsächliche Richtvermögen Hyn (ω) zuerst berechnet wer den aus der Transferfunktion Hfm (ω) des Digitalfilters und der Transferfunktion Hsmn (ω) des Lautsprechers und seines Abstrahlungsraumes.

Die Transferfunktion Hfm (ω) eines Digitalfilters wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

Hfm (ω) = Rmax (ω) · sin (Xm(ω)) · exp (jΘm(ω)) (4)

Darin sind

Rmax (ω) : maximale Amplitude von Hfm (ω) [Rmax (ω) = 2 × r/m]
r : Abstand zwischen dem Lautsprecher und dem Meßpunkt
Xm (ω) : Parameter
Θm (ω) : Phase von Xm (ω) und Hfm (ω).

Die Transferfunktion Hsmn (ω) des Lautsprechers und des Ab strahlungsraumes können als Approximation berechnet werden durch ein Kolbenbewegungsmodell einer kreisförmigen Membran in einer unendlichen starren Wand, sofern der Durchmesser a, die Lage und der Meßpunkt einer Lautsprechereinheit definiert sind. Ein Schalldruck P (r,Θ) von der kreisförmigen Membran kann durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden:

worin
J : Besselfunktion
K : Wellenlängenkonstante (Schallgeschwindigkeit/Winkelfrequenz)
a : Durchmesser einer Lautsprechereinheit.

Der durch Gleichung (5) berechnete Schalldruck P (r,Θ) (Schritt 102 in Fig. 3) wird als die Transferfunktion Hsmn (ω) des Lautsprechers und des Strahlungsraumes verwen det (Schritt 103 in Fig. 3).

Da die durch Gleichung (4) erhaltene Transferfunktion Hfm (ω) (Schritt 104 in Fig. (3)) eine Frequenztransferfunk tion ist, wird sie einem invertierten Schnell-Fourier- Transform-Prozeß (FFT^-1) unterworfen zur Umwandlung in eine Impulsantwort h_(t) (Schritt 108 in Fig. 3).

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird dann die Impulsantwort h_(t) ver arbeitet mit einem Fenster W(t), beispielsweise einem Hanningfenster (Schritt 109 in Fig. 3). Die Zeitdauer T des Fensters W(t) beträgt

T = L · δt (6)

worin L die Abgreifzeit eines FIR-Filters ist und δt die Ab tastzeit ist.

Die so verarbeitete Impulsantwort h_(t) wird in einem Inter vall δt abgetastet, und der abgetastete Wert (die Amplitude) wird mit einem geeigneten Koeffzienten α vervielfacht, um den Koeffizienten αhi zu erhalten (Schritt 110 in Fig. 3), worin i = 1 bis L. Diese Signalverarbeitung wird durchgeführt, um eine Verschlimmerung von Fehlern zu vermeiden aufgrund einer Verschlechterung des Rauschabstands, wobei die Impulsantwort h_(t) überfließt oder zu klein ist.

Die erhaltenen Koeffizienten αhi werden an den jeweiligen Di gitalfiltern eingestellt (Schritte 111, 112 in Fig. 3).

Die obigen Operationen werden für jeden der Meßpunkte n = 1 bis N durchgeführt, und die erhaltenen Filterkoeffizienten αhi werden an den jeweiligen Digitalfiltern DF₁ bis DF_m ein gestellt.

Wenn ein Signal von der Steuereinrichtung 1 an die Lautspre chereinheiten SP₁ bis SP_m angelegt wird über die Digitalfil ter DF₁ bis DF_m, an welchen die Filterkoeffizienten αhi ein gestellt worden sind, kann eine gewünschte Richtcharakteri stik von der Lautsprecheranordnung erhalten werden.

In den Fig. 5 bis 13 sind exemplarische Frequenzgangkenn linien der jeweiligen Digitalfilter DF₁ bis DF_m gezeigt für den Fall, in welchem die durch die oben erwähnten Operationen erhaltenen Filterkoeffizienten αhi auf die jeweiligen Digi talfilter DF₁ bis DF_m eingestellt sind. In diesen Beispielen beträgt die Anzahl der zur Bildung einer Lautsprecheranord nung verwendeten Lautsprechereinheiten 9, wobei die entspre chenden Digitalfilter als m (m = 1 bis 9) bezeichnet sind. In jeder der Fig. 5 bis 13 bezeichnen das Bezugszeichen A die Amplitudenkennlinie eines FIR-Filters, B die Phasenkennlinie des FIR-Filters, während die Amplitudenkennlinie a und die Phasenkennlinie b eines Analogfilters zur Bezugnahme zusätz lich angegeben sind.

Bei Verwendung der Digitalfilter DF₁ bis DF_m mit den in den Fig. 5 bis 13 gezeigten Kennlinien sind zweidimensionale Richtcharakteristiken (xy-Ebene) eines dem gemeinsamen Ein gangssignalanschluß IN zugeführten Tonsignals in den Fig. 14 bis 18 nach Frequenz gezeigt. In jeder der Fig. 14 bis 18 bezeichnen das Bezugssymbol . . . x . . . x . . . eine Zielcha rakteristik und das Bezugssymbol . . . o . . . o . . . eine tatsächliche Charakteristik. Wie anhand dieser Figuren ver ständlich, wurde ein Richtvermögen, das einem gewünschten Richtvermögen entspricht, erhalten über einen Bereich, der eine niedrige Frequenz (20 Hz) bis zu einer mittleren Fre quenz (1400 Hz) überdeckt, obwohl sich einige Seitenzipfel zeigen.

Um das Verständnis zu erleichtern, sind ferner in den Fig. 19 bis 24 Richtcharakteristiken einer Lautsprecheranordnung von den gleichen Frequenzparametern dreidimensional betrach tet gezeigt, wobei die Lautsprecheranordnung aus den gleichen 9 linear angeordneten Lautsprechereinheiten besteht. Wie aus den jeweiligen Figuren hervorgeht, zeigt jede Charakteristik ein Richtvermögen in einer Richtung von etwa 45° auf der xy- Ebene und zeigt eine konsistente, halbkreisförmige Verteilung in der z-Achsen-Richtung.

In den Fig. 25 bis 31 ist ein Lautsprechersystem gezeigt, welches eine vorrangige Ausführungsform der Erfindung ist. Diese Ausführungsform ist ein Beispiel, in welchem die Erfindung auf eine Lautsprecheranordnung angewendet ist, das aus einer Mehrzahl von Lautsprechereinheiten besteht, die in Matrixform (oder in Gitterform) angeordnet sind.

Wie in Fig. 25 gezeigt, weist das Lautsprechersystem einen einzigen Eingangssignalanschluß IN auf, und dieser gemeinsame Eingangssignalanschluß IN verzweigt sich zu einer Mehrzahl von Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m, so daß jede der Laut sprechereinheiten SP₁ bis SP_m parallel gesteuert werden kann. Wie in Fig. 25 gezeigt, sind Digitalfilter DF₁ bis DF_m an den Signalleitungen der jeweiligen Zweigwege, welche die Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m erreichen, so eingefügt, daß sie den jeweiligen Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m ent sprechen, die sich in der Vertikalrichtung (in der z-Rich tung) erstrecken, und ebenfalls sind Digitalfilter DF₀₁ und DF_0m. und Verstärker A₁ bis A_m, die mit den Filtern in Reihe verbunden sind, eingefügt an den Signalwegen, die sich von den Ausgangsklemmen der Digitalfilter DF₁ bis DF_m zu den je weiligen Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m verzweigen. Und zwar ist die in Fig. 2 gezeigte Lautsprecheranordnung in 9 Reihen in der Vertikalrichtung (in der z-Richtung) angeord net, und diese Anordnungen sind jeweils mit 9 Digitalfiltern verbunden. Obwohl nicht gezeigt, ist wie in der ersten Aus führungsform (Fig. 1) eine Steuereinrichtung 1 mit den Digi talfiltern DF₁ bis DF_m und DF₀₁ und DF_0m über eine Signallei tung verbunden, und in einem Speicher 2 gespeicherte Filter koeffizientendaten αhi sind an der Steuereinrichtung 1 einge stellt durch Betätigen einer Eingangstastatur 3 über die Steuereinrichtung 1.

Die Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m bilden eine Lautspre cheranordnung, wobei sie auf einer Ebene in Matrixform ange ordnet sind und den gleichen Abstand voneinander in einer zweidimensionalen Richtung (der yz-Ebene) einhalten. Ähnlich der ersten Ausführungsform sollen vorzugsweise die physischen Eigenschaften jeder der Lautsprechereinheiten SP₁ bis SP_m einander gleich sein. Die Struktur der Befestigung der Laut sprechereinheiten kann geeignet gewählt werden, je nach der besonderen Anordnung; die Lautsprechereinheiten können in Ge häusen, welche Montagekörper sind, oder an einer Wand ange ordnet sein. Ferner kann der Wiedergabefrequenzbereich auch willkürlich bestimmt werden. Bei den in Fig. 25 gezeigten Achsen gibt die x-Achse die Richtung der Schallabstrahlung an, die y-Achse eine Richtung der Breite (oder eine Horizon talrichtung) und die z-Achse eine Höhenrichtung (oder eine vertikale Richtung).

Für die Digitalfilter DF₁ bis DF_m und DF₀₁ und DF_0m werden wie in der ersten Ausführungsform direkte FIR-Filter angewen det, die Digitalsignalprozessoren verwenden. Das gleiche gilt für die Verstärker A₁ bis A_m, welche Leistungsverstärker ver wenden, von denen jeder einen angemessenen Verstärkungsfaktor aufweist.

Ein Verfahren zur Steuerung des Richtvermögens ist ebenfalls dem der ersten Ausführungsform ähnlich. Die Filter koeffizienten αhi werden gemäß dem Ablaufdiagramm in Fig. 3 berechnet und an den jeweiligen Digitalfiltern DF₁ bis DF_m und DF₀₁ und DF_0m eingestellt. In diesem Fall sind die Mikro fone so angeordnet, daß sie eine Kugelfläche bilden, deren Zentrum bei einer Position liegt, die von der Zentralposition der Lautsprecheranordnung einen vorbestimmten Abstand auf weist.

Die in den Fig. 5 bis 13 gezeigten Frequenzgänge der ersten Ausführungsform werden auf diejenigen der Digitalfil ter DF₁ bis DF_m und DF₀₁ und DF_0m angewendet in dem Fall, in welchem die durch die obigen Prozeduren berechneten Filterko effizienten αhi eingestellt sind. Hier kann das Lautsprecher system mit einem Digitalfilter und einem Verstärker für jede Lautsprechereinheit ausgebildet sein, wenn die Eigenschaften der in der Vertikalrichtung (z-Richtung) angeordneten Digi talfilter und die Eigenschaften der in der Horizontalrichtung (y-Richtung) angeordneten Digitalfilter zusammengesetzt wer den. Kurz gesagt werden einundachtzig Arten von Filtereigen schaften benötigt für 9 × 9 (= 81) Lautsprechereinheiten.

In den Fig. 26 bis 31 sind die Charakteristiksteuerergeb nisse durch eine Lautsprecheranordnung gezeigt, die aus ins gesamt 81 Lautsprechereinheiten mit einer Anordnung von 9 × 9 besteht. Diese Beispiele sind diejenigen, in welchen die Zielcharakteristik unter etwa 75° auf der xy-Ebene, unter etwa 60° auf der yz-Ebene und in einer allgemein oberen rech ten Position, von vorne (zu der Lautsprecheranordnung hin) betrachtet erscheint. Wie aus den Fig. 26 bis 31 hervor geht, zeigt sich ein zufriedenstellendes Richtvermögen über den Bereich niedriger Frequenzen (um 100 Hz) bis zu einer mittleren Frequenz (1400 Hz), obwohl einige Seitenzipfel er scheinen.

In den Fig. 32 bis 34 ist ein Lautsprechersystem gezeigt, welches eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist. Das Merkmal dieser Ausführungsform ist die Anwendung einer waben förmigen Lautsprecheranordnung.

Und zwar ist, wie in Fig. 32 gezeigt, eine Mehrzahl von Lautsprechereinheiten so angeordnet, daß sie gegeneinander versetzt sind, und wie in Fig. 33 gezeigt sind diese Laut sprechereinheiten auf jeder Seite vielfacher Sechsecke als Ganzes verteilt. Die Lautsprechereinheiten sind jeweils mit (nicht gezeigten) Digitalfiltern verbunden, die jeweils eine unterschiedliche Eigenschaft aufweisen.

In dem Fall einer solchen wabenförmigen Lautsprecheranordnung beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Lautsprecher einheiten √/2 = 0,866 mal dem Abstand zwischen zwei benach barten Lautsprechereinheiten einer in Fig. 35 gezeigten git terförmigen Lautsprecheranordnung. Die Verengung des Abstands zwischen den Lautsprechereinheiten bedeutet, daß die Laut sprecheranordnung im Ausmaß der Verengung einer Punktschall quelle näher kommt, und das bedeutet hinsichtlich des Be triebsverhaltens, daß die obere Grenze von Frequenzen, bei welchen das Richtvermögen gesteuert werden kann, erhöht wird, und hinsichtlich der Gestalt und Abmessung, daß die Größe und Anzahl von Lautsprechereinheiten vermindert ist. Die waben förmige Lautsprecheranordnung ist also vorteilhafter als die gitterförmige Anordnung.

Fig. 34 zeigt eine exemplarische Frequenzkennlinie der Feh lerauswertungsfunktion einer Lautsprecheranordnung, die aus insgesamt 61 Lautsprechereinheiten besteht, die in Wabenform angeordnet sind. Wie aus Fig. 34 hervorgeht, liegt die obere Frequenzgrenze, bei welcher das Richtvermögen gesteuert wer den kann, bei etwa 1800 Hz auf der 0°-Achse sowie auf der 30°-Achse.

Andererseits werden in dem Fall der gitterförmigen Lautspre cheranordnung insgesamt 81 Lautsprechereinheiten angewendet. Wie in Fig. 36 gezeigt, ist Ihr Charakteristikum die obere Grenzfrequenz, bei welcher das Richtvermögen gesteuert werden kann, sie beträgt 1800 Hz auf der 0°-Achse, während sie bis auf 1500 Hz auf der 45°-Achse abfällt.

Die gitterförmige Lautsprecheranordnung zeigt also Schwankun gen in der oberen Grenzfrequenz, bei welcher das Richtvermö gen gesteuert werden kann, und bringt auch einige zusätzliche verschwenderische Lautsprechereinheiten mit sich, die waben förmige Lautsprecheranordnung zeigt hohe obere Grenzfrequen zen und kann mit einer kleineren Zahl von Lautsprechereinhei ten verwirklicht werden.

In der weiteren bevorzugte Ausführungsform ist der Prozeß zum Einstellen benötigter Filterkoeffizienten αhi an den jeweiligen Digital filtern DF₁ bis DF_m unter Verwendung direkter FIR-Filter als die Digitalfilter DF₁ bis DF_m und das Berechnen der Filterko effizienten zur Steuerung des Richtvermögens das gleiche wie bei der ersten und der zweiten Ausführungsform. Daher gelten die Zeichnungen und die Beschreibung der ersten und zweiten Ausführungsform ähnlich für die dritte Ausführungsform. Außerdem sind die Mikrofone so angeordnet, daß sie eine Ku gelfläche bilden, deren Zentrum sich in einer Position befin det, die von der Zentralposition der Lautsprecheranordnung um einen vorbestimmten Abstand getrennt ist.

Wie beschrieben worden ist, werden gemäß einer Ausfüh rungsform der Erfindung die Filterkoeffizienten zum Verwirk lichen einer gewünschten Richtcharakteristik an den Digital filtern eingestellt, die mit linear angeordneten Lautspre chereinheiten verbunden sind. Daher kann eine feine Charak teristiksteuerung mit dem gleichen Lautsprecheraufbau elek trisch durchgeführt werden, und willkürliche Richtcharakteri stiken können durch Verändern der Filterkoeffizienten erhal ten werden.

Gemäß der vorrangigen Ausführungsform der Erfindung kann eine Richtcharakteristik nicht nur in der Horizontalrichtung, son dern auch in der Vertikalrichtung elektrisch gesteuert werden unter Verwendung einer planaren Lautsprecheranordnung in einer Matrixform, ohne die Aufbauanordnung eines Lautspre chersystems zu verändern.

Gemäß der weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Richtcharakteristik nicht nur in der Horizontalrichtung, son dern auch in der Vertikalrichtung elektrisch gesteuert werden unter Verwendung einer wabenförmigen planaren Lautsprecheran ordnung. Zusätzlich kann im Vergleich zu der Lautsprecheran ordnung in Matrixform (Gitterform) die obere Grenzfrequenz, bei welcher das Richtvermögen steuerbar ist, erhöht werden, wobei die Anzahl von enthaltenen Einheiten vermindert werden kann.

Claims

1. Lautsprechersystem mit
einem gemeinsamen Eingangsanschluß zum Empfangen eines aku stisch auszustrahlenden Tonsignals,
einer Mehrzahl von Lautsprechereinheiten, die in einer Ebene angeordnet sind,
einer Mehrzahl von Digitalfiltern, die zwischen dem gemeinsamen Eingangsanschluß und den jeweiligen Lautsprechereinheiten ange schlossen sind, und Filterkoeffizienten aufweisen, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (1), die mit den Digitalfiltern (DF₁ . . . DF_m) gekoppelt ist, zum Bestimmen und Einstellen der Filterkoeffi zienten (αhi) durch ein nicht-lineares Optimierungsverfahren gemäß einer Zielrichtcharakteristik zur akustischen Ausstrah lung der Mehrzahl der Lautsprechereinheiten (SP₁ . . . SP_m).

2. Lautsprechersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl akustischer Empfänger (M₁ . . . M_N) zum Empfangen akustischer Ausgangssignale von den jeweiligen Lautspre chereinheiten (SP₁ . . . SP_m), wobei die akustischen Empfänger (M₁ . . . M_N) mit der Steuereinheit (1) gekoppelt sind und die Steuereinheit die Filterkoeffizienten (αhi) entsprechend der Zielrichtcharakteristik und den Ausgangssignalen der akusti schen Empfänger (M₁ . . . M_N) bestimmt.

3. Lautsprechersystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Verstärkern (A₁ . . . A_m), die an die Mehrzahl von Digitalfiltern (DF₁ . . . DF_m) und die jeweiligen Laut sprechereinheiten (SP₁ . . . SP_m) angeschlossen sind, zur Verstär kung der Ausgangssignale der Digitalfilter (DF₁ . . . DF_m).

4. Lautsprechersystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Speicher (2) zum Speichern der bestimmten Filterkoeffizienten (αhi) und eine Eingabeein richtung (3) zum Eingeben von Anweisungssignalen an die Steuer einrichtung (1).

5. Lautsprechersystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnete daß die Steuereinheit (1) eine CPU ist.

6. Lautsprechersystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Lautsprechereinheiten (SP₁ . . . SP_m) den gleichen Aufbau aufweist.

7. Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Lautsprechereinheiten (SP₁ . . . SP_m) linear angeordnet sind.

8. Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Lautsprechereinheiten (SP₁ . . . SP_m) in Matrixform angeordnet sind.

9. Lautsprechersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Lautsprechereinheiten (SP₁ . . . SP_m) in Wabenform angeordnet sind.

10. Verfahren zur Steuerung des Richtvermögens eines Lautspre chersystems, bei welchem Digitalfilter zwischen einem gemeinsa men Eingangssignalanschluß und einer Mehrzahl von Lautspre chereinheiten geschaltet sind, wobei jedes der Digitalfilter ein Ausgangssignal entsprechend einem Filterkoeffizienten liefert, mit den folgenden Schritten:
Anordnen der Lautsprechereinheiten in einer Ebene,
Bestimmen der Filterkoeffizienten für jedes der Digitalfilter entspre chend einer Zielrichtcharakteristik für die akustische Aus strahlung der Mehrzahl von Lautsprechereinheiten, gekennzeich net durch
Einstellen der Digitalfilter mit den jeweiligen, mittels eines nicht-linearen Optimierungsverfahrens bestimmten Filterkoeffi zienten.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anordnungsschritt das lineare Anordnen der Lautsprecherein heiten umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anordnungsschritt das Anordnen der Lautsprechereinheiten in einer Matrixform umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anordnungsschritt das Anordnen der Lautsprechereinheiten in einer Wabenform umfaßt.