DE4443883C1 - Vorrichtung zur stereophonen Wiedergabe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur stereophonen Wiedergabe, mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus der Offenlegungsschrift DE 42 44 397 A1 ist es bekannt, daß durch die Erzeugung polarisierter akustischer Wellen eine Richtwirkung erzielt werden kann, die bei sehr kleinem Lautsprecherabstand einen sehr breiten räumlichen Stereo-Klang zur Folge hat.

Eine in eine bestimmte Raumrichtung polarisierte akustische Welle ist durch einen in dieser Richtung schwingenden Längsresonator erzeugbar. Dies ist eine bipolare Anordnung (akustischer Dipol), die Schwingungen in Richtung ihrer Verbindungsachse erzeugt. Ein aktiver akustischer Dipol ist ein axialer Strahler, der wie ein elektrischer Dipol schwingt und dazu z. B. durch zwei akustische Wandler (Lautsprecher) an den Enden erregt wird. Verbindet man den Zwischenraum der Wandler beispielsweise mit einem Rohr, bilden sich zur Verbindungsachse dieses akustischen Leiters etwa parallele Schwingungen aus. Durch gegenphasigen Betrieb der Wandler (Verpolung eines der Wandler) wird der akustische Effekt bei der Wiedergabe subjektiv verbessert.

Durch den gegenphasigen Betrieb der Wandler kommt es insbesondere im Bereich tiefer Töne - dem Baßbereich - zur Auslöschung der von den Wandlern erzeugten Wellen. Die Auslöschung entsteht ab einer gewissen Grenzfrequenz, die durch die Abmessung des verwendeten Rohrs vorgegeben ist.

Aus dem Lautsprecherbau ist allgemein der sogenannte "akustische Kurzschluß" bekannt, der den Zusammenhang zwischen tiefstem abzustrahlenden Ton und Weglänge des Schalles zwischen Vorderseite und Rückseite der verwendeten Lautsprechermembran beschreibt. Der akustische Kurzschluß tritt dann ein, wenn die Weglänge geringer als die halbe Wellenlänge des wiederzugebenden Tons ist. Üblicherweise ergibt sich damit die Weglänge zwischen Lautsprechermembran und Schallwandrand der zu verwendenden Schallwand als ein Viertel der Wellenlänge des tiefsten abzustrahlenden Tons, da die Weglänge an Vorder- und Rückseite der Schallwand berücksichtigt wird.

Durch die Verpolung eines der Wandler schwingen jedoch beide Wandler insbesondere im Tieftonbereich gleichgerichtet. Daher ist die Länge der verwendeten Röhre nur einfach zu berücksichtigen. Der akustische Kurzschluß ergibt sich deshalb bereits dann, wenn die Abmessung der verwendeten Röhre die halbe Wellenlänge eines abzustrahlenden Tons unterschreitet.

Aus diesem Grund ist bei Betrieb eines einzelnen akustischen Dipols mit Breitbandlautsprechern die Wiedergabe im Baßbereich nicht ausreichend, da sich der akustische Kurzschluß bei einer Röhrenlänge von beispielsweise 0,5m schon bei einer Frequenz von etwa 300 Hz einstellt (entsprechend obiger theoretischer Überlegung und Überprüfung durch Messung).

In der genannten Offenlegungsschrift wird deshalb angeregt, den Wiedergabefrequenzbereich aufzuteilen und mehrere akustische Dipole mit entsprechenden Abmessungen vorzusehen. Eine andere Möglichkeit ist es, nach dem Sub-Woofer-Prinzip nur einen einzigen Wandler für tiefe Töne vorzusehen, da diese für das menschliche Ohr nicht ortbar sind.

Diese Lösungen weisen jedoch den Nachteil auf, daß die Verwendung mindestens eines weiteren Wandlers mit hohem Aufwand verbunden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung anzugeben, bei der ohne den Aufwand für zusätzliche Wandler eine befriedigende Baßwiedergabe möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Aus der Patentschrift US 4,403,112 ist ein Sub-Woofer bekannt, der mittels zweier Lautsprecher aufgebaut ist. Beide Lautsprecher sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Durch ein Filternetzwerk wird erreicht, daß beide Lautsprecher unterhalb einer Übergangsfrequenz gleichphasig, darüber aber gegenphasig angesteuert werden. Beide Lautsprecher liegen beim bekannten Stand der Technik an einer Tonquelle und arbeiten als Baßlautsprecher. Durch die unterschiedliche Ansteuerung wird erreicht, daß der Sub-Woofer oberhalb der Übergangsfrequenz keine nennenswerte Schallenergie abstrahlt.

Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, daß durch die Phasenverschiebung des Wiedergabesignals, für Frequenzen unterhalb der durch die Abmessungen des verwendeten Körpers vorgegebenen Grenzfrequenz, die Verpolung aufgehoben wird und eine befriedigende Baßwiedergabe ohne zusätzliche Wandler ermöglicht wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand von Figuren.

Es zeigt:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Aufhebung der Verpolung,

Fig. 3 den Phasengang der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In einen Körper 1, beispielsweise ein Rohr, sind zwei Lautsprecher 2 und 3 jeweils an den Enden des Rohrs 1 mit einem Abstand L voneinander eingebaut. Das Rohr 1 kann bedämpft sein, insbesondere kann das verwendete Dämmaterial eine Struktur aufweisen, die in Längsrichtung des Rohrs 1 gerichtet ist, um den erwünschten Polarisationseffekt zu unterstützen.

Die Signale einer Stereosignalquelle 7 werden von Leistungsverstärkern 4 und 5 verstärkt und betreiben die Lautsprecher 2 und 3. Einer der Lautsprecher, hier Lautsprecher 2, wird richtig gepolt betrieben, d. h. das Signal des Verstärkers 4 liegt an der positiven Klemme 22, während die Masseklemme 21 auf Masse gelegt ist. Der andere Lautsprecher, hier Lautsprecher 3, wird verpolt betrieben, d. h. das Signal des Verstärkers 5 liegt an der, Masseklemme 31, während die positive Klemme 32 auf Masse gelegt ist. Werden die Lautsprecher derartig betrieben, tritt der gewünschte Polarisationseffekt ein, tiefe Töne werden aber - wie oben erläutert - nur unbefriedigend wiedergegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine ausreichende Wiedergabe der tiefen Töne durch eine Einrichtung 6 ermöglicht, die über die Klemmen A und B in den Signalweg des wiederzugebenden Signals vor den Leistungsverstärker 5 eingeschleift ist, der den Lautsprecher 3 verpolt betreibt. Die Einrichtung 6 ermöglicht eine frequenzselektive Phasenverschiebung des Wiedergabesignals und weist einen Phasengang auf, wie er beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist. Bei der Grenzfrequenz f₀, die sich wie oben beschrieben aus der Abmessung L des Rohres 1 ergibt, erfolgt ein Phasensprung bei linearem Amplitudenverlauf derart, daß niedrigere Frequenzen um 180° verschoben werden, während höhere Frequenzen nicht beeinflußt werden. Durch die Verschiebung der unterhalb der Grenzfrequenz f₀ liegenden Frequenzen um 180° wird die Verpolung des Lautsprechers 3 aufgehoben, Signale mit einer Frequenz kleiner f₀ werden richtig gepolt wiedergegeben, während Signale mit einer Frequenz größer f₀ noch immer verpolt wiedergegeben werden.

Durch die beschriebene Phasenverschiebung selektiv nur für Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz bleibt der Polarisationseffekt in dem für die Ortung von Klangsignalen wichtigen höheren Frequenzbereich erhalten. Töne unterhalb der Grenzfrequenz werden hingegen richtig gepolt wiedergegeben, wodurch die Auslöschung aufgrund des akustischen Kurzschlusses vermieden wird, da die Anordnung bei richtiger Polung einem Lautsprecher mit geschlossenem Gehäuse entspricht (aus der Lautsprechertechnik ist allgemein bekannt, daß derartige Gehäuse eine unendliche Schallwand aufweisen).

Bezüglich des gewünschten Polarisationseffekts ist die phasenrichtige Wiedergabe von Signalen mit einer unterhalb der Grenzfrequenz liegenden Frequenz nicht erheblich, da tiefe Töne vom menschlichen Ohr schlecht zu orten sind (siehe z. B. oben erwähntes Sub-Woofer-Prinzip).

Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Einrichtung 6. Das an der Klemme B anliegende, wiederzugebende Signal wird einem Tiefpaßfilter 61 und einem Hochpaßfilter 62 zugeführt.

Die Filter 61 und 62 sind als Linkwitz-Riley-Filter ausgeführt. Für die Dimensionierung der Widerstände und Kondensatoren des Tiefpaßfilters 61 ist es bekannt, daß sich der Kapazitätswert der beiden gleich großen Kondensatoren als Kehrwert aus dem Produkt der gewünschten Kreisfrequenz mal dem Widerstandswert ergibt, wobei die Widerstandswerte für die beiden Widerstände gleich sind und beispielsweise im Bereich von 4,7 bis 10 kOhm liegen können.

Für die Dimensionierung der Widerstände und Kondensatoren des Hochpaßfilters 62 ist es bekannt, daß sich der Widerstandswert der beiden gleichen Widerstände als Kehrwert aus dem Produkt der gewünschten Kreisfrequenz mal dem Kapazitätswert ergibt, wobei die Kapazitätswerte für die beiden Kondensatoren gleich sind und beispielsweise im Bereich von 4,7 bis 10 nF liegen können.

Nach der Aufspaltung des Wiedergabesignals in einen tief und einen hochfrequenten Teil werden die beiden Teilsignale mittels einer als Mischer betriebenen Subtrahiererschaltung 63 wieder zusammengefügt. Da der Subtrahierer 63 die Teilsignale unverändert zusammenfügen soll, haben alle verwendeten Widerstände den gleichen Wert, z. B. 10 kOhm. Am Ausgang A der Einrichtung, 6 steht dann ein Wiedergabesignal zur Verfügung, das den oben beschriebenen und in Fig. 3 gezeigten Phasengang aufweist.

Der Phasengang ergibt sich bei der Grenzfrequenz f₀ durch eine Phasenverschiebung des Tiefpasses 61 um -90° und des Hochpasses 62 um +90°, wobei durch den Subtrahierer das Ausgangssignal des Tiefpasses 61 um weitere -180° gedreht wird, so daß insgesamt eine Phasenverschiebung um -270° resultiert, was einer Phasenverschiebung von +90° entspricht.

Bei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz ist das Ausgangssignal des Hochpasses 62 null. Das Ausgangssignal des Tiefpasses 61 weist eine Phasenverschiebung auf, die sich null nähert, das Ausgangssignal an der Klemme A weist somit insgesamt die geforderte Phasenverschiebung um 180° auf.

Bei Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz ist das Ausgangssignal des Tiefpasses 61 null. Das Ausgangssignal des Hochpasses 62 weist eine Phasenverschiebung auf, die sich null nähert, das Ausgangssignal an der Klemme A weist somit insgesamt die geforderte Phasenverschiebung um 0° auf.

Insgesamt bewirkt die nach Fig. 2 realisierte Einrichtung 6 somit den geforderten kontinuierlichen "Phasensprung" bei der Grenzfrequenz f₀, mit linearem Amplitudenfrequenzgang.

Eine besonders anwenderfreundliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn alle in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 1 bis 6 markierten Bestandteile in der Art eines Aktivlautsprechers zusammengefaßt werden, an der direkt geeignete Signalquellen angeschlossen werden können.

In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß die Einrichtung 6 in einem Stereovoll-, -end- oder -vorverstärker enthalten ist. Um Probleme beim Betrieb anderer Schallwandler, bzw. von Schallwandlern mit mehreren Frequenzbereichen zu vermeiden, kann vorgesehen sein, daß die Einrichtung 6 abschaltbar ist.

Aus dem oben beschriebenen Zusammenhang ergeben sich für den Fachmann ohne weiteres andere Ausführungsformen. Beispielsweise kann die Aufhebung der Verpolung durch andere geeignete Maßnahmen erreicht werden, solange der beschriebene und in Fig. 3 dargestellte Phasengang beibehalten wird. Ebenso ist es möglich, statt der beschriebenen und in Fig. 3 dargestellten Phasenverschiebung um +180° eine Phasenverschiebung um -180° für Frequenzen vorzunehmen, die kleiner als die Grenzfrequenz f₀ sind.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur stereophonen Wiedergabe mit mindestens einem Schallwandler (2, 3) pro Stereokanal, wobei einer der Schallwandler (3) hinsichtlich seines Anschlusses an einen ihn versorgenden Leistungsverstärker (5) verpolt betrieben wird, und einem Körper (1), der die von den Schallwandlern (2, 3) erzeugten Schallwellen im wesentlichen als längs einer Wirkungslinie fortlaufende Wellen jeweils zu zwei gegenüberliegenden Endflächen des Körpers leitet, die den Körper begrenzen und die abstrahlenden Flächen eines akustischen Dipols bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (6) vorgesehen ist, welche die Verpolung des einen Schallwandlers (3) unterhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz (f₀) aufhebt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz (f₀) durch die Abmessung (L) des Körpers (1) festgelegt ist und derart berechnet wird, daß die Abmessung (L) der halben Wellenlänge entspricht, die eine Schallwelle bei der Grenzfrequenz (f₀) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (6) ein Tiefpaßfilter (61), ein Hochpaßfilter (62) und einen Mischer (63) aufweist,
daß das Wiedergabesignal an den Filtern (61, 62) anliegt und der Mischer (63) die Ausgangssignale der Filter (61, 62) zusammenfaßt,
daß das Tiefpaßfilter (,61) eine frequenzabhängige Phasenverschiebung aufweist, die bei Frequenzen kleiner der Grenzfrequenz (f₀) zumindest näherungsweise 0° beträgt,
daß das Hochpaßfilter (62) eine frequenzabhängige Phasenverschiebung aufweist, die bei Frequenzen größer der Grenzfrequenz (f₀) zumindest näherungsweise 0° beträgt, und
daß der Mischer (63) die Phase des Ausgangssignals des Tiefpaßfilters (61) um +180° oder -180° verschiebt, wohingegen der Mischer (63) die Phase des Ausgangssignals des Hochpaßfilters (62) nicht verändert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Filter (61, 62) von Linkwitz-Riley-Filtern gebildet werden, und
daß der Mischer (63) von einem Subtrahierer gebildet wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6) im Signalweg vor dem Leistungsverstärker (5) angeordnet ist.