EP1034689A1 - Adaptiver akustischer monitor - Google Patents

Adaptiver akustischer monitor

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Publication number
EP1034689A1
EP1034689A1 EP98958231A EP98958231A EP1034689A1 EP 1034689 A1 EP1034689 A1 EP 1034689A1 EP 98958231 A EP98958231 A EP 98958231A EP 98958231 A EP98958231 A EP 98958231A EP 1034689 A1 EP1034689 A1 EP 1034689A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
loudspeaker
signal
microphone
room
adaptive acoustic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98958231A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philip Leistner
Jan Krüger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1034689A1 publication Critical patent/EP1034689A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/002—Damping circuit arrangements for transducers, e.g. motional feedback circuits

Definitions

  • the invention relates to an adaptive acoustic monitor according to the preamble of claims 1 and 2, as is known from DE 196 19 466 A1 of the applicant.
  • the sound reinforcement particularly in small rooms, with low-frequency sound signals (useful signals such as speech and music) generally encounters the problem that the acoustic properties of the rooms are mainly characterized by a modal or strongly location-dependent sound level distribution.
  • the emitted direct sound leads to a standing wave field due to wall reflections in the room and to distortion at the receiver location (listener).
  • sound absorbers can be used to suppress the modal spatial properties at low frequencies.
  • the existing equalization systems (loudspeaker box Digital 1. Product information from Canton Elektronik GmbH + Co.
  • the inverted impulse response can be superimposed on the useful signal in the time domain or folded with it.
  • the result is theoretically that the unadulterated useful signal can be expected at the receiver.
  • the long reverberation times typical of low frequencies lead to correspondingly long impulse responses.
  • Their processing or folding places high demands on the memory requirement and the computing speed of the mostly digital signal processing by means of signal processors. Apart from the technical and electronic complexity, this procedure is only valid for a single spatial transmitter-receiver constellation and must be renewed even if the positioning is slightly changed.
  • Acoustic devices in the manner of a loudspeaker consisting of an electroacoustic transducer and a housing, are known, in which the natural resonances and in some cases also the non-linear transmission properties of the loudspeaker are compensated for in order to avoid undesired distortions of the useful signal.
  • a sensor detection coil (US 5,533,134), structure-borne sound transducer (US PS 4,727,584, 4,573,189), optics (US 4,207,430), microphone (US 4,592,088)
  • a Drive coil forced vibrations of the transducer detected.
  • the output voltage of the respective sensor is fed back to the input of the loudspeaker after signal processing, ie superimposed on the useful signal.
  • EP 658 064 A2 which is also known, is to improve the reproduction properties of a loudspeaker through the most stable possible feedback and amplification of a microphone signal in front of the loudspeaker.
  • An additional circuitry in the feedback structure promises greater stability than the numerous known feedback systems (e.g. according to Speaker apparatus. US 4592088).
  • DE 3627002 A1 discloses a method and circuit arrangement for acoustically compensating for ambient noise when receiving headphones.
  • the microphone (RM) used is neither in the room to be irradiated nor directly in front of the loudspeaker (L).
  • a targeted and coordinated reaction to disturbing room resonances or their suppression in the sense of the adaptive acoustic monitor according to the invention is therefore impossible.
  • Active sound absorbers and mufflers (Olson, HF, May, EG: Electronic sound absorber. Journal of the Acoustical Society of America 25 (1953), pp. 1 130-1 136, reactive muffler) have a structure similar to that of sound reinforcement devices with equalization of the speaker properties.
  • DE 196 19 466 A1) for use in rooms and channels, which record the sound pressure with a microphone in the vicinity of a loudspeaker and amplify and invert this feedback to the loudspeaker.
  • the response of the loudspeaker leads to a reduction in the sound pressure at the location of the microphone, since there is no useful signal to be emitted in these systems.
  • the effectiveness of these active sound absorbers and silencers is also limited to a defined frequency range, which can only be achieved by exchanging the components (e.g. sound type of speaker, housing size) can be changed.
  • the broadband tuning of several systems is correspondingly complex.
  • the object of the invention is therefore to design the monitor so that the
  • Frequency range is broadband.
  • the adaptive acoustic monitor comprises the components loudspeaker (1), housing (2), a microphone M1 (3) immediately in front of or on the loudspeaker membrane, a further microphone M2 (4) in the housing (2) behind the loudspeaker membrane and a number of elements containing electronic circuit (5) including the supply of the useful signal to be reproduced (10), Figure 1.
  • the microphones M1 (3) and M2 (4) take the sound signal changed by the modal room properties and the speaker properties in a manner defined by their position and additionally possible noise (1 1) (eg fan noise) in room (9).
  • the microphone voltage M1 is inverted and, after an amplitude adjustment (8), is superimposed on the useful signal (10) by means of an adder circuit (13) simultaneously with the microphone voltage M2 reduced by a controllable attenuator (7).
  • the result of the superposition serves to control the loudspeaker, which then emits a corrected output signal (12).
  • It is an electro-acoustic feedback circuit ( Figure 2) with the transfer function of the room (8) as part of a feedback branch.
  • the adaptive acoustic monitor suppresses all noise components on the microphone M 1 (3) that deviate from the useful signal (1 0) in an adjustable frequency range. This corresponds to an equalization of the useful signal (10) distorted by the room properties and the speaker properties already during the radiation and at the same time causes noise to be absorbed.
  • the loudspeaker (1) and the housing (2) together form an acoustic series resonator, consisting of a resistance (R), the mass (j ⁇ M) of the loudspeaker membrane and the compliance (1 / j ⁇ N) of the housing volume.
  • R resistance
  • j ⁇ M mass
  • (1 / j ⁇ N compliance
  • H L and H N can be formulated and used in the above equation
  • Figure 3 shows an exemplary version.
  • Figure 4 shows the transfer function (Y / XN) measured in a room with this version between the signal at the microphone 1 (3) and the original useful signal (10) the smoothed radiation by the adaptive acoustic monitor from about 70 Hz compared to the case without feedback.
  • a leveling of the curve can be seen, which indicates an additional correction of the speaker properties.
  • This effect is confirmed by a transfer function measurement in free field, the result of which is shown in Figure 5.
  • the resonance of the loudspeaker box at approx. 12 Hz is visibly reduced when emitted with the adaptive acoustic monitor and the entire curve shows an almost flat course from 80 Hz.
  • the absorption effect of the adaptive acoustic monitor with regard to broadband noise (1 1) when the useful signal (10) is switched off is confirmed by the comparison in Figure 6 in the frequency range around 70 Hz.
  • the insertion loss in Figure 7 illustrates the tunability of an exemplary adaptive acoustic monitor using the attenuator (7) when used as a silencer in a duct.
  • the use of several, differently coordinated, adaptive acoustic monitors in the room suppresses the room properties more or increases the sound absorption.
  • One embodiment is the integration in complex sound reinforcement devices (e.g. multi-way speakers) and sound reinforcement systems (e.g. stereophony).
  • complex sound reinforcement devices e.g. multi-way speakers
  • sound reinforcement systems e.g. stereophony
  • large wall linings made up of several, differently coordinated, adaptive acoustic monitors are provided.
  • both the low-frequency room properties and the loudspeaker resonances are compensated for much better during the radiation. This results from the combined evaluation of the signals of a microphone immediately in front of the loudspeaker and a second microphone in the housing behind the loudspeaker.
  • the technically very simple arrangement can be tuned and guaranteed in the frequency range thus a high adaptivity to the given space.
  • compensation and absorption are possible even at very low frequencies. All system elements can be integrated in the compact housing and protected against external access by a sound-permeable cover (14) on the front of the housing and the respective determination of the transfer function between the sound source and the receiver is omitted.
  • the tunability and effectiveness relate to the attenuation of low-frequency noise in a room or channel.
  • the adjustment by means of the electrically easily controllable attenuator (7) allows a common superordinate electrical or other remote-controlled control of all individual systems when using several adaptive acoustic monitors.
  • the adaptive acoustic monitor according to the invention aims to compensate for the acoustic properties, in particular the low-frequency room resonances, of the room to be sounded during the radiation. This requires on the one hand the detection of the original signal changed by the room and on the other hand the compensation of these changes with the aid of a feedback structure.
  • a basic requirement for this is the direct acoustic coupling of the adaptive acoustic monitor to the room, i.e. the loudspeaker (1) must radiate directly into the room and the microphone M1 (3) must record the sound field generated in the room at the location of the radiation.
  • the modification of the sound pressure signal obtained with the microphone M2 (4) in the housing (2) behind the loudspeaker membrane enables the adaptive acoustic monitor to be effectively tuned to the frequencies or frequency ranges with the most disturbing acoustic room characteristics.
  • Embodiments of EP 658 064 passive radiators contained basically serve to dampen disturbances that fall on the playback loudspeaker (speaker 42) from the room to be irradiated. Such separation from space is given in EP 658 064 as a prerequisite for the desired stable compensation of the speaker properties.
  • the passive radiator (passive radiator 43) and the loudspeaker (speaker 42) form an additional cavity (enclosed space 41 B) which, in the manner of an acoustic filter, at least distorts the changes in the emitted signal caused by the room.
  • the targeted acquisition and compensation of room properties is not possible with a configuration, for example according to FIG. 45 in EP 658 064, in contrast to the adaptive acoustic monitor according to the invention.
  • Another function of the adaptive acoustic monitor according to the invention is directed to the exclusive attenuation of low-frequency noise (1 1) in a room or channel.
  • the electrical useful signal (10) is very small or zero, so that only the noise is present at the microphone M1 (3).
  • the inverting feedback and amplification of the microphone signal from M1 (3) results in the input signal for the loudspeaker (2), which as part of the room or duct wall then yields to the noise pressure and thereby reduces it.
  • the inclusion of the sound pressure signal obtained with the microphone M2 (4) in the housing (2) behind the loudspeaker membrane in turn enables the adaptive acoustic monitor to be tuned to the frequencies or frequency ranges of the noise.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Soundproofing, Sound Blocking, And Sound Damping (AREA)
  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen adaptiven akustischen Monitor nach Art einer Beschallungsvorrichtung, bestehend aus einem Lautsprecher (1) mit schalldichtem Gehäuse (2), die ein am Eingang anliegendes elektrisches Nutzsignal (10) in ein Schallsignal umwandelt und abstrahlt, wobei das mit einem Mikrofon (3) am oder unmittelbar vor dem Lautsprecher erfaßte und invertierte erste Schalldrucksignal gemeinsam mit dem von einem zweiten Mikrofon (4) im Gehäuse (2) hinter dem Lautsprecher (1) erfaßten sowie nach Vorzeichen und Betrag regelbar verringerten zweiten Schalldrucksignal dem elektrischen Nutzsignal (10) mittels einer Addiererschaltung (13) überlagert und verstärkt werden, so daß statt des elektrischen Nutzsignals (10) ein resultierendes überlagertes Signal (12) am Eingang des Lautsprechers (1) anliegt und in den Raum (9) abgestrahlt wird. Weiterhin kann der adaptive akustische Monitor nach Art eines Rückkopplungssystems aufgebaut sein, bestehend aus einem Lautsprecher (1) mit schalldichtem Gehäuse (2), einem Mikrofon (3) vor dem Lautsprecher (1) und einer Verstärkerschaltung (6), bei der das vom Mikrofon erfaßte Störsignal (11) invertiert und verstärkt an den Lautsprecher (1) rückgekoppelt wird, wobei das vom Mikrofon (3) am oder unmittelbar vor dem Lautsprecher (1) erfaßte und invertierte Schalldrucksignal des Störsignals (11) gemeinsam mit dem von einem zweiten Mikrofon (4) im Gehäuse (2) hinter dem Lautsprecher (1) erfaßten sowie nach Vorzeichen und Betrag regelbar verringerten Schalldrucksignal mittels einer Addiererschaltung (13) überlagert und nach einer Verstärkung (6) an den Lautsprecher (1) rückgekoppelt wird.

Description

Adaptiver Akustischer Monitor
Die Erfindung betrifft einen adaptiven akustischen Monitor gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 und 2, wie er aus der DE 196 19 466 A1 der Anmelderin bekannt ist.
Stand der Technik
Beschallung mit Entzerrung der Raumeigenschaften
Die Beschallung insbesondere kleiner Räume mit tieffrequenten Schallsignalen (Nutzsignale wie Sprache und Musik) stößt grundsätzlich auf das Problem, daß die akustischen Eigenschaften der Räume hauptsächlich durch eine modale bzw. stark ortsabhängige Schallpegelverteilung geprägt sind. Der abgestrahlte Direktschall führt durch Wandreflexionen im Raum zu einem Stehwellenfeld und am Empfängerort (Hörer) zu einer Verzerrung. Zur Unterdrückung der modalen Raumeigenschaften bei tiefen Frequenzen können einerseits Schallabsorber eingesetzt werden. Andererseits besteht die Möglichkeit, die modalen Raumeigenschaften bereits bei der Schallabstrahlung zu berücksichtigen, indem das elektrische Nutzsignal vorab um diese Eigenschaften korrigiert bzw. entzerrt wird. Die bislang vorhandenen Entzerrungssysteme (Lautsprecherbox Digital 1 . Produktinformation der Canton Elektronik GmbH + Co. KG, Biermann, H.: Wohnraumakustik. Audio 12/1996, S. 174-179) beruhen auf der genauen Bestimmung der Übertragungsfunktion im Frequenzbereich bzw. der Impulsantwort im Zeitbereich zwischen mindestens einer Schallquelle und einem Empfänger im Raum. Aus der Übertragungsfunktion sind Selektivfilter ableitbar, die bei Anwendung auf das abzustrahlende Nutzsignal raumbedingte ortsabhängige spektrale Minima verstärken und Maxima verringern. Die Schallquelle emittiert daraufhin ein Signal, das im Idealfall am Empfängerort dem tatsächlichen Nutzsignal entspricht. Der sehr große Dynamikbereich der modal bedingten Verzerrungen erfordert zur Kompensation schmalbandige Filter sehr hoher Ordnung mit entsprechender Flankensteilheit. Äquivalent zur Veränderung der Übertragungsfunktion im Frequenzbereich kann die invertierte Impulsantwort im Zeitbereich dem Nutzsignal überlagert bzw. mit ihm gefaltet werden. Im Ergebnis ist theoretisch beim Empfänger das unverfälschte Nutzsignal zu erwarten. Die für tiefe Frequenzen typischen langen Nachhallzeiten führen zu dementsprechend langen Impulsantworten. Deren Verarbeitung bzw. Faltung stellt hohe Anforderungen an den Speicherbedarf und die Rechengeschwindigkeit der meist digitalen Signalverarbeitung mittels Signalprozessoren. Abgesehen vom meßtechnischen und elektronischen Aufwand bleibt diese Vorgehensweise jeweils nur für eine einzige räumliche Sender-Empfänger-Konstellation gültig und muß selbst bei geringfügig veränderter Positionierung erneuert werden.
Beschallung mit Entzerrung der Lautsprechereigenschaften
Es sind Beschallungsvorrichtungen nach Art eines Lautsprechers, bestehend aus einem elektroakustischen Wandler und einem Gehäuse, bekannt, bei denen die Eigenresonanzen sowie zum Teil auch die nichtlinearen Übertragungseigenschaften des Lautsprechers kompensiert werden, um unerwünschte Verzerrungen des Nutzsignals zu vermeiden. Für diese Systeme ist charakteristisch, daß ein Sensor (Detektionsspule (US 5.533.134) , Körperschallaufnehmer (US PS 4.727.584, 4.573.189), Optik (US 4.207.430), Mikrofon (US 4.592.088)) die von einer Antriebsspule erzwungenen Schwingungen des Wandlers erfaßt. Die Ausgangsspannung des jeweiligen Sensors wird nach einer Signalverarbeitung an den Eingang des Lautsprechers rückgekoppelt, d.h. dem Nutzsignal überlagert. Bei der praktischen Realisierung dieser Entzerrung der Lautsprechereigenschaften sind je nach Sensorart dessen Eigenschaften sowie die Übertragungsfunktion zwischen Sensor und elektroakustischem Wandler zu berücksichtigen. Eine gezielte Kompensation der modalen Raumeigenschaften findet nicht statt, da diese Systeme keine geregelte Anpassung an die Raummoden aufweisen. Dies gilt besonders bei einer Resonanzfrequenz des Lautsprechers, die deutlich über den tiefen Resonanzfrequenzen des Raumes liegt.
Das Ziel der weiterhin bekannten EP 658 064 A2 liegt in der Verbesserung der Wiedergabeeigenschaften eines Lautsprechers durch die möglichst stabile Rückkopplung und Verstärkung eines Mikrofonsignals vor dem Lautsprecher. Ein schaltungstechnischer Zusatz in der Rückkopplungsstruktur verspricht dabei eine höhere Stabilität als die zahlreichen bekannten Rückkopplungssysteme (z.B. nach Speaker apparatus. US 4592088).
Aus der DE 3627002 A1 ist ein Verfahren und Schaltungsanordnung zur akustischen Kompensation des Umgebungsgeräusches bei Kopfhörerempfang bekannt. Dort befindet sich das verwendete Mikrofon (RM) weder im zu beschallenden Raum noch unmittelbar vor dem Lautsprecher (L). Eine gezielte und abgestimmte Reaktion auf störende Raumresonanzen bzw. deren Unterdrückung im Sinne des erfindungsgemäßen Adaptiven akustischen Monitors ist allein dadurch unmöglich.
Aktive Absorber und Schalldämpfer
Einen ähnlichen Aufbau wie Beschallungsvorrichtungen mit Entzerrung der Lautsprechereigenschaften weisen aktive Schallabsorber und Schalldämpfer (Olson, H.F., May, E.G.: Electronic sound absorber. Journal of the Acoustical Society of America 25 (1953), S. 1 130-1 136, Reaktiver Schalldämpfer. DE 196 19 466 A1 ) für den Einsatz in Räumen und Kanälen auf, die mit einem Mikrofon in der Nähe eines Lautsprechers den Schalldruck erfassen und diese Größe verstärkt und invertiert an den Lautsprecher rückkoppeln. Die Reaktion des Lautsprechers führt am Ort des Mikrofons zu einer Reduzierung des Schalldrucks, da bei diesen Systemen kein abzustrahlendes Nutzsignal anliegt. Allerdings beschränkt sich die Wirksamkeit dieser aktiven Schallabsorber und Schalldämpfer ebenfalls auf einen einmal festgelegten Frequenzbereich, der sich nur durch Austausch der Komponenten (z.B. Laut- sprecherart, Gehäusegröße) verändern läßt. Die breitbandige Abstimmung mehrerer Systeme ist entsprechend aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Monitor so auszubilden, daß der
Frequenzbereich breitbandig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Ansprüche 1 und 2 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Beschreibung des adaptiven akustischen Monitors
Der erfindungsgemäße adaptive akustische Monitor umfaßt die Komponenten Lautsprecher (1 ), Gehäuse (2), ein Mikrofon M1 (3) unmittelbar vor oder an der Lautsprechermembran, ein weiteres Mikrofon M2 (4) im Gehäuse (2) hinter der Lautsprechermembran sowie eine mehrere Elemente enthaltende elektronische Schaltung (5) einschließlich der Zuführung des wiederzugebenden Nutzsignales (10), Bild 1. Die Mikrofone M1 (3) und M2 (4) nehmen in einer durch ihre Position definierten Weise das durch die modalen Raumeigenschaften und die Lautsprechereigenschaften veränderte Schallsignal sowie zusätzlich mögliche Störgeräusche (1 1 ) (z.B. Ventilatorgeräusche) im Raum (9) auf. Die Mikrofonspannung M1 wird invertiert und nach einer Amplitudenanpassung (8) gleichzeitig mit der durch ein regelbares Dämpfungsglied (7) verringerten Mikrofonspannung M2 dem Nutzsignal (10) mittels einer Addiererschaltung (13) überlagert. Das Ergebnis der Überlagerung dient nach einer Verstärkung (6) zur Ansteuerung des Lautsprechers, der daraufhin ein korrigiertes Ausgangssignal (12) abstrahlt. Es handelt sich um eine elek- troakustische Rückkopplungsschaltung (Bild 2) mit der Übertragungsfunktion des Raumes (8) als Teil eines Rückkopplungszweiges. Bei hoher positiver Signalverstärkung (6) ermöglicht eine Betrags- bzw. Vorzeichenänderung des Dämpfungsgliedes (7) die Abstimmung des adaptiven akustischen Monitors auf beliebige Frequenzbereiche, wie z.B. solche mit besonders ausgeprägten Raumresonanzen oder starken Störgeräuschen. Diese Abstimmung betrifft jedoch nur den Wirkungsbereich hinsichtlich der Abstrahlung, d.h. die Lautsprecherresonanz bzw. die damit verbundene Verzerrung wird unabhängig von ihrer spektralen Lage in jedem Fall korrigiert. Insgesamt unterdrückt der adaptive akustische Monitor in einem einstellbaren Frequenzbereich alle Geräuschanteile am Mikrofon M 1 (3), die vom Nutzsignal (1 0) abweichen. Dies entspricht einer Entzerrung des durch die Raumeigenschaften und die Lautsprechereigenschaften verzerrten Nutzsignals (10) bereits bei der Abstrahlung und bewirkt zugleich eine Absorption von Störgeräuschen.
Die Wirkung des adaptiven akustischen Monitors läßt sich anhand der Regelungsstruktur im Bild 2 auch durch folgende Gleichung ausdrücken :
HV1 HL HR
1 1 - HV1 HV2 HN
Y = X< + X* bei (HM1 =-1) und (HM2 = 1)
HV1 HL HF HV1 HL HF
1 + 1 +
1 - HV1 HV2 HN 1 - HV1 HV2 HN
Der Lautsprecher (1 ) und das Gehäuse (2) bilden gemeinsam vereinfacht einen akustischen Serienresonator, bestehend aus einer Resistanz (R), der Masse (jωM) der Lautsprechermembran und der Nachgiebigkeit (1/jωN) des Gehäusevolumens. Unter dieser Voraussetzung sowie bei Normierung der Größen auf die akustische Impedanz der Luft lassen sich die Übertragungsfunktionen HL und HN formulieren und in die oben genannte Gleichung einsetzen
Y = X
S _ HV1 HR
1 +
1 + R + jωM + — (1 - HV1 HV2) jωN
HV1 HR
XN 1
1 + Hv1 HR + R + jωM + — (1 - HV1 HV2) Im interessierenden tiefen Frequenzbereich sind die Resistanz und die Masse sehr klein, so daß die Gleichung bei der erwähnten hohen positiven Signalverstärkung (6) vereinfacht werden kann
Die weitere Interpretation hängt von der Dimensionierung des Dämpfungsgliedes (7) ab. Die Einstellung (HV2 = 1/HV1) führt z.B. zu folgendem Verhältnis zwischen den Störgeräuschen, dem Nutzsignal und dem resultierenden Ausgangssignal:
s t ΛN
Diese Relation unterstreicht, daß einerseits Störgeräusche (1 1 ) im Raum (9) und andererseits der Einfluß des Raumes (9) auf die Abstrahlung des Nutzsignales (10) unterdrückt werden. Der adaptive akustische Monitor wirkt sowohl absorbierend als auch kompensierend. Die Adaptivität zeigt sich im Vergleich mit einem anderen Vorzeichen der Dämpfung (7). Die Einstellung (HV2 = -1/HV1) führt beispielsweise zu folgender Beziehung:
Diese praktisch leicht zu realisierende Einstellung führt zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz, ohne die Wirksamkeit des Gesamtsystems nennenswert zu beeinträchtigen.
Eine beispielhafte Ausführung gibt Bild 3 wieder. Bild 4 zeigt anhand der mit dieser Ausführung in einem Raum gemessenen Transferfunktion (Y/XN) zwischen dem Signal am Mikrofon 1 (3) und dem ursprünglichen Nutzsignal (10) die geglättete Abstrahlung durch den adaptiven akustischen Monitor ab etwa 70 Hz im Vergleich zum Fall ohne Rückkopplung. Neben der Verringerung der modal bedingten Spitzenwerte ist eine Nivellierung der Kurve erkennbar, die auf eine zusätzliche Korrektur der Lautsprechereigenschaften hinweist. Dieser Effekt bestätigt sich bei einer Transferfunktionsmessung im Freifeld, deren Ergebnis im Bild 5 dargestellt ist. Die Resonanz der Lautsprecherbox bei ca. 1 12 Hz wird bei der Abstrahlung mit dem adaptiven akustischen Monitor sichtbar reduziert und die gesamte Kurve weist ab 80 Hz einen nahezu ebenen Verlauf auf. Die Absorptionswirkung des adaptiven akustischen Monitors bezüglich eines breitbandigen Störgeräusches (1 1 ) bei abgeschaltetem Nutzsignal (10) belegt der Vergleich im Bild 6 wiederum im Frequenzbereich um 70 Hz. Die Einfügungsdämpfungen im Bild 7 veranschaulichen die Abstimmbarkeit eines beispielhaften adaptiven akustischen Monitors mit Hilfe des Dämpfungsgliedes (7) beim Einsatz als Schalldämpfer in einem Kanal.
Grundsätzlich gilt, daß durch die Verwendung mehrerer, unterschiedlich abgestimmter, adaptiver akustischer Monitore im Raum die Raumeigenschaften stärker unterdrückt werden bzw. die Schallabsorption steigt. Eine Ausgestaltung stellt die Integration in komplexen Beschallungsvorrichtungen (z.B. Mehrwege-Boxen) und Beschallungssystemen (z.B. Stereophonie) dar. Bei der Anwendung als Schalldämpfer in Kanälen sind großflächige Wandauskleidungen aus mehreren, unterschiedlich abgestimmten, adaptiven akustischen Monitoren vorgesehen.
Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik
Mit der vorliegenden Erfindung werden bereits bei der Abstrahlung sowohl die tieffrequenten Raumeigenschaften als auch die Lautsprecherresonanzen deutlich besser kompensiert. Dies ergibt sich durch die kombinierte Auswertung der Signale eines Mikrofons unmittelbar vor dem Lautsprecher und eines zweiten Mikrofons im Gehäuse hinter dem Lautsprecher. Die technisch sehr einfache Anordnung ist im Frequenzbereich abstimmbar und gewährleistet damit eine hohe Adaptivität an den gegebenen Raum. Trotz vergleichsweise kleiner Gehäuseabmessungen des Lautsprechers wird die Kompensation und Absorption selbst bei sehr tiefen Frequenzen möglich. Alle Systemelemente können im kompakten Gehäuse integriert sowie durch eine schalldurchlässige Abdeckung (14) an der Frontseite des Gehäuses gegenüber äußerem Zugriff schützt werden und es entfällt die jeweilige Bestimmung der Übertragungsfunktion zwischen Schallquelle und Empfänger.
Bei ausgeschaltetem bzw. kleinem Nutzsignal bezieht sich die Abstimmbarkeit und Wirksamkeit auf die Dämpfung tieffrequenter Störgeräusche in einem Raum oder Kanal. Die Abstimmung mittels des elektrisch einfach regelbaren Dämpfungsgliedes (7) gestattet beim Einsatz mehrerer adaptiver akustischer Monitore eine gemeinsame übergeordnete elektrische oder anderweitig ferngesteuerte Regelung aller Einzelsysteme.
Der erfindungsgemäße Adaptive akustische Monitor zielt auf die Kompensation der akustischen Eigenschaften, insbesondere der tieffrequenten Raumresonanzen, des zu beschallenden Raumes bereits bei der Abstrahlung. Dies erfordert einerseits die Erfassung des vom Raum veränderten Ursprungssignals und andererseits die Kompensation dieser Veränderungen mit Hilfe einer Rückkopplungsstruktur. Eine Grundvoraussetzung dafür ist die unmittelbare akustische Ankopplung des Adaptiven akustischen Monitors an den Raum, d.h. der Lautsprecher (1 ) muß direkt in den Raum abstrahlen und das Mikrofon M1 (3) muß das im Raum erzeugte Schallfeld am Ort der Abstrahlung erfassen. Die Modifikation des mit dem Mikrofon M2 (4) im Gehäuse (2) hinter der Lautsprechermembran gewonnenen Schalldrucksignals ermöglicht die effektive Abstimmung des Adaptiven akustischen Monitors auf die Frequenzen oder Frequenzbereiche mit den am meisten störenden akustischen Raumeigenschaften.
Diese unterschiedlichen Ziele äußern sich auch im unterschiedlichen Aufbau des erfindungsgemäßen adaptiven akustischen Monitors und des in der bereits erwähnten EP 658 064 A2 beschriebenen Verfahrens, das teilweise ebenfalls mit zwei Mikrofonen (z.B. Fig. 45) operiert. Der in den betreffenden Ausgestaltungen von EP 658 064 grundsätzlich enthaltene passive Strahler (passive radiator 43, ab Spalte 23, Zeile 57) dient gerade der Dämpfung von Störungen, die aus dem zu beschallenden Raum auf den Wiedergabelautsprecher (Speaker 42) einfallen. Eine derartige Trennung vom Raum wird in der EP 658 064 gleichsam als eine Voraussetzung für die angestrebte stabile Kompensation der Lautsprechereigenschaften angegeben. Weiterhin formen der passive Strahler (passive radiator 43) und der Lautsprecher (speaker 42) einen zusätzlichen Hohlraum (enclosed space 41 B), der in der Art eines akustischen Filters die vom Raum hervorgerufenen Veränderungen des abgestrahlten Signals zumindest verzerrt. Die gezielte Erfassung und Kompensation von Raumeigenschaften ist mit einer Konfiguration z.B. nach Fig. 45 in der EP 658 064 im Gegensatz zum erfindungsgemäßen adaptiven akustischen Monitor nicht möglich.
Eine weitere Funktion des erfindungsgemäßen Adaptiven akustischen Monitors richtet sich auf die ausschließliche Dämpfung tieffrequenter Störgeräusche (1 1 ) in einem Raum oder Kanal. In diesem Fall ist das elektrische Nutzsignal (10) sehr klein oder Null, so daß nur die Störgeräusche am Mikrofon M1 (3) anliegen. Die invertierende Rückkopplung und Verstärkung des Mikrofonsignals von M1 (3) ergibt das Eingangssignal für den Lautsprecher (2), der als Teil der Raum- oder Kanalwand daraufhin dem Störschalldruck nachgibt und diesen dadurch reduziert. Die Einbeziehung des mit dem Mikrofon M2 (4) im Gehäuse (2) hinter der Lautsprechermembran gewonnenen Schalldrucksignals ermöglicht wiederum die Abstimmung des adaptiven akustischen Monitors auf die Frequenzen oder Frequenzbereiche der Störgeräusche.
Diese Funktion des erfindungsgemäßen Adaptiven akustischen Monitors ist in der EP 658 064 weder erwähnt noch ist sie mit einer derartigen Anordnung möglich. Der z.B. in Fig. 45 dort enthaltene passive Strahler (passive radiator 43) sowie der zusätzliche Hohlraum (enclosed space 41 B) vor dem Lautsprecher (speaker 42) verhindern sowohl die direkte Erfassung von Störgeräuschen im Raum als auch deren gezielte Dämpfung. Angesichts der unterschiedlichen schaltungstechnischen Vorgehensweise und vor allem der gänzlich anderen Ankopplung des erfindungsgemäßen Adaptiven akustischen Monitors an den zu beschallenden bzw. zu bedämpfenden Raum beschränken sich die Gemeinsamkeiten mit der EP 658 064 A2 auf die Verwendung von zum Teil gleichen Systemkomponenten.
Zeichenerklärung
Lautsprecher H L Gehäuse H N Mikrofon 1 H M1 Mikrofon 2 H M2 Regelbare elektronische Schaltung Verstarker H V1 Dampfungsglied H v2 Amplitudenanpassung Raum H R 0 Nutzsignal (z B Sprache, Musik) X N 1 Storsignal X s 2 Ausgangssignal Y (korrigiertes Nutzsignal) 3 Addiererschaltung mit einem Operationsverstärker und elektrischen Wiederstanden zur Amplitudenanpassung (8) 4 Schalldurchlassige Abdeckung

Claims

Patentansprüche
1 . Adaptiver akustischer Monitor nach Art einer Beschallungsvorrichtung, bestehend aus einem Lautsprecher (1 ) mit schalldichtem Gehäuse (2), einem Mikrofon (3) am oder unmittelbar vor dem Lautsprecher (1 ) sowie einem zweiten Mikrofon (4) im Gehäuse (2) hinter dem Lautsprecher (1 ), die ein am Eingang anliegendes elektrisches Nutzsignal (10) in ein Schallsignal umwandelt und abstrahlt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lautsprecher (1 ) direkter Bestandteil der Schallfeldbegrenzung im Raum (9), z.B. einer Raumwand, ist und daß das vom Mikrofon (3) erfaßte und invertierte erste Schalldrucksignal gemeinsam mit dem vom zweiten Mikrofon (4) erfaßten sowie nach Vorzeichen und Betrag regelbar verringerten zweiten Schalidrucksignal dem elektrischen Nutzsignal (10) mittels einer Addiererschaltung (13) überlagert und verstärkt werden, so daß statt des elektrischen Nutzsignals (10) ein auf störende Raumresonanzen abgestimmtes resultierendes Signal (12) am Eingang des Lautsprechers (1 ) anliegt und in den Raum (9) abgestrahlt wird.
2. Adaptiver akustischer Monitor nach Art eines Rückkopplungssystems, bestehend aus einem Lautsprecher (1 ) mit schalldichtem Gehäuse (2), einem Mikrofon (3) am oder unmittelbar vor dem Lautsprecher (1 ) sowie einer Verstärkerschaltung (6), bei der das vom Mikrofon (3) erfaßte Störsignal (1 1 ) invertiert und verstärkt an den Lautsprecher (1 ) rückgekoppelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lautsprecher (1 ) direkter Bestandteil der Schallfeldbegrenzung im Raum (9), z.B. einer Raum- oder Kanalwand, ist und daß das vom Mikrofon (3) erfaßte und invertierte Schalldrucksignal des Störsignals (1 1 ) gemeinsam mit dem von einem zweiten Mikrofon (4) im Gehäuse (2) hinter dem Lautsprecher (1 ) erfaßten sowie in Abhängigkeit vom Frequenzbereich des Störsignals (1 1 ) nach Vorzeichen und Betrag regelbar verringerten Schalldrucksignal mittels einer Addiererschaltung (13) überlagert und nach einer Verstärkung (6) an den Lautsprecher (1 ) rückgekoppelt wird.
3. Adaptiver akustischer Monitor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß alle Komponenten des adaptiven akustischen Monitors im Gehäuse (2) integriert sind und daß eine schalidurchlässige Abdeckung (14) der Frontseite des Gehäuses (2) gegenüber äußerem Zugriff vorgesehen ist.
4. Adaptiver akustischer Monitor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere adaptive akustische Monitore in einem Raum (9) als Schallquelle für ein Nutzsignal (10) oder bei abgeschaltetem Nutzsignal (10) als Schallabsorber für Störgeräusche (1 1 )vorgesehen sind.
5. Adaptiver akustischer Monitor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere adaptive akustische Monitore ohne Zuführung eines Nutzsignales (10) in einem Raum (9) als Schallabsorber oder in einem Kanal als Schalldämpfer für Störgeräusche (1 1 )vorgesehen sind.
6. Adaptiver akustischer Monitor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Monitor Teil einer komplexen Beschallungsvorrichtung nach Art von Mehrwege- oder Mehrkanalsystemen ist.
7. Adaptiver akustischer Monitor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Monitor Teil einer komplexen Schallabsorber- oder Schalldämpferanordnung ist, wobei eine gemeinsame elektrische oder anderweitig ferngesteuerte Regelung aller Einzelsysteme vorgesehen ist.
8. Adaptiver akustischer Monitor nach einem der Ansprüchen 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine zusätzliche unabhängig regelbare Vorverstärkung des Nutzsignals (10) vorgesehen ist.
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