EP1169884A1 - Flächenlautsprecher und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

Flächenlautsprecher und verfahren zu dessen betrieb

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EP1169884A1
EP1169884A1 EP99960797A EP99960797A EP1169884A1 EP 1169884 A1 EP1169884 A1 EP 1169884A1 EP 99960797 A EP99960797 A EP 99960797A EP 99960797 A EP99960797 A EP 99960797A EP 1169884 A1 EP1169884 A1 EP 1169884A1
Authority
EP
European Patent Office
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loudspeaker
filter device
sound
digital
transfer function
Prior art date
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EP99960797A
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English (en)
French (fr)
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EP1169884B1 (de
Inventor
Robert Boesnecker
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Puren GmbH
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1169884A1 publication Critical patent/EP1169884A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1169884B1 publication Critical patent/EP1169884B1/de
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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    • H04R3/04—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response
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    • H04R7/02—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H04R7/04—Plane diaphragms
    • H04R7/045—Plane diaphragms using the distributed mode principle, i.e. whereby the acoustic radiation is emanated from uniformly distributed free bending wave vibration induced in a stiff panel and not from pistonic motion

Definitions

  • the invention relates to a flat-panel loudspeaker ge ⁇ Gurss to the preamble of claim 4 and a method for its operation according to the preamble of claim 1.
  • Area speakers of the type mentioned have long been known as such, for example from DE patent 484 872.
  • a voice coil that works according to the electrodynamic principle is used, which is placed directly on a surface - initially of any size and thickness and made of a selected material - and mechanically fixed there. If the voice coil is excited electrically by a sound generator, its vibrations are transmitted to the surface acting as a membrane and thus used as a sound-radiating surface.
  • a multitude of possible uses would exist for an electroacoustic transducer of this type. If, with a few exceptions, it has not yet become widely accepted, this is due to its electroacoustic properties, in particular its transmission function.
  • the sound-radiating surface with its mechanical properties is the main function. This surface can only transmit tones or sounds if it vibrates mechanically. Apart from the clamping, ie the mechanical mounting and the location of the voice coil on it, a plate-shaped surface, which is preferably excited to bending vibrations, is in itself a relatively complex structure in terms of its vibration behavior. While a commercially available loudspeaker based on the electrodynamic principle is still largely in hand, even if only with compromises, the sound-emitting membrane is in view To optimize their acoustic properties, this is not easily possible with surface speakers.
  • Illu ⁇ is strated this problem on an example is placed If the glass surface of a display window on which a voice coil, are used as flat-panel loudspeaker, so are the material, shape and dimensions of the sound-emitting surface, also its clamping substantially fixed.
  • the frequency response of the area loudspeaker in this example is thus essentially predetermined.
  • the natural resonances of the surface used for sound radiation with this material and the dimensions of the shop window result in a frequency response which - simplified - can be described by an excessive reproduction in the range of low tones and also by a tendency to distortion that affects the influence of those still in the listening range Natural resonances of higher order can be attributed. Corresponding characteristic non-linearities also occur with other materials, such as wood or plastic materials.
  • the invention is therefore based on a first subtask, using a method of the type mentioned at the beginning, to specify a way by which the non-linearities in the frequency response of the surface speakers can be mastered at least to such an extent that its sound spectrum appears sufficiently natural for the respective application.
  • a second subtask is to use a surface loudspeaker at the beginning using such a method named kind, the electro-acoustic properties inherent ⁇ - depending on the application - are optimized so that fulfills the quality of a sound thus carried out in the individual application requirements specified advertising to.
  • a flat-panel loudspeaker is not like a loudspeaker box composed of individual, individually designed loudspeaker units. His development to date has shown that approaches that have failed to achieve a satisfactory result by means of constructive measures to improve the area loudspeaker have shown.
  • the invention frees itself from conventional considerations of the electro-acoustician and takes a different path.
  • the elektroaku ⁇ stica properties of the surface of the speaker are set by the sum of the characteristics of the voice coil (s) used and the mechanical properties of the sound- strehl tract employed. For each arrangement of a surface loudspeaker determined in this way, its electroacoustic transfer function in the form of its frequency response - apart from tolerances - is defined.
  • the frequency response of the surface loudspeaker can be compensated for and thus linearized with a filter device arranged in the operating arrangement of the surface loudspeaker between the sound source and the amplifier located in front of the voice coil or the voice coils, provided that the transfer function of the Filter device is essentially inverse to the corresponding function of the combination of voice coil (s) and sound-emitting surface.
  • the transfer function of the filter device is simulated by digital filters, in particular by FIR (Finite Impulse Response) filters, the filter coefficients of which are derived from the inverse frequency curve of the surface loudspeaker.
  • FIR Finite Impulse Response
  • the filter device preferably has, as an input element, a sample / hold element, which is connected to the digital filter via an analog-to-digital converter, the output of which is connected to a digital-to-analog converter.
  • the filter device is equipped with a digital signal processor.
  • Digital signal processors are used on a large scale today and, due to the progress made in the development of integrated circuits, are also suitable for immersive "real-time" applications already available.
  • Digital Si ⁇ are gnalreaoren, albeit to a limited extent of the available volume for the program memory, freely programmable. This makes it possible, the function of the digital signal processor to different materials of the sound-emitting surface In addition, different outlines of the sound-radiating surface can be realized in this way.
  • FIG. 1 shows a surface loudspeaker in connection with a measuring arrangement for measuring its frequency response
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a circuit arrangement for operating the surface loudspeaker
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the circuit arrangement according to FIG. 2.
  • 1 shows a flat-panel loudspeaker 1 is schematically shown, a plate-shaped, schallabstrah ⁇ loin area 2 has, on the example of two Schwingspu ⁇ len are arranged 3 and 4 respectively.
  • the voice coils 3 and 4 are mechanically fixed on the sound-radiating surface 2 in such a way that, in the electrically excited state, they transmit their mechanical vibrations that occur to the sound-radiating surface 2 so that they themselves excite to vibrate and thus to emit sound.
  • the voice coils 3, 4 are connected in parallel to the outputs of an amplifier 5, the input of which is coupled to a sound source (not shown in FIG. 1) during normal operation.
  • a frequency analyzer 6 which, at a tunable frequency with a predetermined level, outputs a defined electrical measurement signal to the amplifier 5 and, via the voice coils 3, 4, the surface loudspeaker 1 stimulates sound radiation.
  • a measurement microphone 61 which is connected to the input of the frequency analyzer 6, is arranged at a defined distance from the surface loudspeaker 1, preferably along its central axis.
  • the frequency response of the test object is determined with this measuring arrangement, which is preferably set up in an anechoic room in order to reproduce the sound propagation in the free field as precisely as possible under measurement conditions.
  • this frequency response in the area loudspeaker 1 is determined by object-typical non-linearities, which is why it must be measured individually at least for each object type. This gives the flat panel loudspeaker 1 an essential measure of its electroacoustic transmission properties. In order to compensate for the non-linearities of the frequency response, the inverse function of the frequency curve obtained in this way is formed.
  • FIG. 2 shows schematically, using an operating circuit for the surface loudspeaker 1, how the measurement result described is used to equalize the transmission properties of the special electroacoustic transducer.
  • the sound source is exemplified by a magnetic tape device 7. Its output is connected to the amplifier 5 of the surface loudspeaker 1 via a filter device 8.
  • a transfer function is implemented which corresponds to that for this type of surface loudspeaker 1 measured, characteristic frequency curve in wesentli ⁇ chen-inverse.
  • the course of the transfer function of the filter device 8 is to be approximated to the inverse frequency curve of the surface loudspeaker 1, the higher the demands placed on the resulting transmission quality of the surface loudspeaker 1 in the respective application.
  • the electrical audio signals supplied by the magnetic tape device 8 are predistorted in a manner which is just opposite to the frequency response of the flat-panel loudspeaker 1.
  • This predistorted sound signal is fed to the voice coils 3, 4 of the surface loudspeaker 1 via the amplifier 5.
  • it is converted into acoustic signals in the flat panel loudspeaker 1, it is equalized again due to its transfer function.
  • the resulting frequency response of the flat-panel loudspeaker 1 is linearized the better, the closer the transfer function of the filter device 8 approaches the inverse frequency curve of the flat-panel loudspeaker 1.
  • electrical filters can also be constructed from discrete elements; however, complex transfer functions for a bandpass filter in the audible range, such as occur in this area of use in conjunction with flat-panel loudspeakers 1, can be implemented with discrete components only with great effort and then only in a first approximation. Realizations of the filter device 8 with discrete components are therefore only suitable in connection with a surface loudspeaker 1 if, in individual cases, only limited demands are placed on its transmission quality.
  • FIG. 3 therefore shows a further embodiment for the operating circuit of an area loudspeaker 1, with which even HiFi (high fidelity) requirements can be met.
  • the embodiment according to FIG. 3 differs from the embodiment according to FIG. 2 in the further configuration of the filter device 8.
  • the filter device 8 is shown as a digital filter. Its on the re-specified as an example of a sound source Ma ⁇ gnetband réelle 7 connected input circuit is palpable as a shut-off / holding member 9 - often referred to as "Sample and Hold" - refers circuit -.
  • the gnetband réelle from ma- 8 supplied as an analog signal electrical sound signal sampled according to a predetermined sampling theorem, the sampled instantaneous value temporarily stored and fed to an analog-to-digital converter 10 connected to it, which converts the successive instantaneous values into digital signals expressed in binary form, in which the signals are fed to a digital signal processor 11.
  • the output side is the digital signal processor 11 connected to a digital-to-analog converter 12, with which its binary output signal is converted back into an analog electrical signal, which is fed to the surface speaker 1 via the amplifier 5.
  • This configuration of the filter device 8 takes advantage of the advances in the development of digital signal processing.
  • the semiconductor industry today offers users powerful, widely used signal processors for "real-time” applications. Possible uses of digital signal processors and configurations with appropriate programs can therefore be assumed to be known here.
  • the schematic illustration in FIG. The structure of the digital signal processor is not specified in detail, and in addition to a microcontroller, the actual control unit, a signal processor usually has a program, a data and an input / output memory which are connected to one another via a bus system with parallel address, control and data lines.
  • the possibility of storing a specific program in the program memory, which relates to the respective application improves the digital signal processor to a universally usable electronic circuit, which is used in the present field of application is used to emulate the transfer function of the filter device 8.
  • the filter or filters in the form of FIR (Finite Impulse Response) filters, which can also be used to implement complex transmission functions for “real-time” requirements in a known manner
  • FIR Finite Impulse Response
  • the transmission quality of the flat-panel loudspeaker 1 has very high requirements, such as HiFi quality, so it may be necessary due to the necessary signal processing under real-time conditions to carry out this signal processing in parallel operation of several signal processors without leaving the basic solution.
  • the embodiments described above open up a wide range of applications for the flat panel loudspeaker.
  • the free programmability of the digital signal processor 11 allows the effort for the measurement of the frequency response of the respective type of surface loudspeaker 1 and the conversion of the measured frequency curve into a more or less approximate inverse transfer function of the filter device 8 with regard to the respective application to optimize.
  • Small, but also large-format area loudspeakers can be realized. Since the selection of materials in a surface loudspeaker designed according to the invention is no longer subject to the conventional limitation, it is also possible, for example, to select materials with a very low specific weight for the sound-emitting surface.
  • Panel loudspeakers according to the invention can therefore be used both for commercial purposes, such as public sound reinforcement systems, and also for advertising surfaces, such as in the personal area, as high-quality, very flat loudspeaker units which are integrated, for example, in furniture.

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Description

Beschreibung
Flächenlautsprecher und Verfahren zu dessen Betrieb
Die Erfindung bezieht sich auf einen Flächenlautsprecher ge¬ mäß dem Obergriff des Patentanspruches 4 sowie auf ein Verfahren zu dessen Betrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Flächenlautsprecher der genannten Gattung sind als solche seit langem, beispielsweise bereits aus DE-Patent 484 872 bekannt. Bei einem Flächenlautsprecher wird eine nach dem elektrodynamischen Prinzip funktionierende Schwingspule eingesetzt, die unmittelbar auf eine Fläche - an sich zunächst be- liebiger Größe und Dicke und aus einem gewählten Material bestehend - gesetzt und dort mechanisch fixiert ist. Wird die Schwingspule von einem Schallgeber elektrisch angeregt, so werden ihre Schwingungen auf die als Membran wirkende Fläche übertragen und damit diese selbst als schallabstrahlende Flä- ehe benutzt. Für einen elektroakustischen Wandler dieser Gattung wären an sich eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten gegeben. Wenn er sich bis heute, abgesehen von wenigen Ausnahmen, dennoch nicht in größerem Umfang durchgesetzt hat, ist das auf seine elektroakustischen Eigenschaften, insbeson- dere seine Übertragungsfunktion zurückzuführen.
Funktionsbestimmend ist vor allem die schallabstrahlende Fläche mit ihren mechanischen Eigenschaften. Diese Fläche kann nur dann Töne oder Klänge übertragen, sofern sie mechanisch schwingt. Abgesehen von der Einspannung, d. h. der mechanischen Lagerung und dem Ort Fixierung der Schwingspule auf ihr, ist eine vorzugsweise zu Biegeschwingungen angeregte plattenförmige Fläche in ihrem Schwingungsverhalten an sich bereits ein relativ komplexes Gebilde. Während man es bei ei- nem handelsüblichen Lautsprecher nach dem elektrodynamischen Prinzip, wenn auch da nur mit Kompromissen, noch weitgehend in der Hand hat, die schallabstrahende Membran im Hinblick auf ihre akustischen Eigenschaften zu optimieren, ist dies beim Flächenlautsprecher nicht ohne weiteres möglich. Illu¬ striert sei diese Problematik an einem Beispiel: Soll die Glasfläche eines Schaufensters, auf die eine Schwingspule aufgesetzt ist, als Flächenlautsprecher eingesetzt werden, so liegen Material, Form und Abmessungen der schallabstrahlenden Fläche, auch ihre Einspannung im wesentlichen fest. Der Fre- guenzgang des Flächenlautsprechers in diesem Beispiel ist damit im wesentlichen vorbestimmt . Typischerweise bedingen die Eigenresonanzen der zur Schallabstrahlung ausgenutzten Fläche bei diesem Material und den Abmessungen des Schaufensters einen Frequenzgang, der - vereinfacht - durch eine überhöhte Wiedergabe im Bereich tiefer Töne und ferner durch eine Klirrneigung zu beschreiben ist, die auf den Einfluß von noch im Hörbereich liegenden Eigenresonanzen höherer Ordnung zurückzuführen ist. Entsprechende charakteristische Nichtlinea- ritäten treten auch bei anderen Materialien, wie Holz- oder Kunstwerkstoffen auf.
Wie z. B. aus US-A-3 728 497, auch US-A-3 636 281 oder
US-A-3 449 531 bekannt, wurden Anstrengungen unternommen, die bekannten Nachteile des Flächenlautsprechers mittels konstruktiver Maßnahmen zu beheben. Gewisse Verbesserungen konnten auf diese Weise erreicht werden, eine grundsätzliche Lö- sung, die dem Flächenlautsprecher ein breites AnwendungsSpektrum erschlossen hätte, haben die bisher unternommenen Versuche aber noch nicht erbracht.
Der Erfindung liegt daher eine erste Teilaufgabe zugrunde, mit einem Verfahren der eingangs genannten Art einen Weg anzugeben, mit dem die Nichtlinearitäten im Frequenzgang der Flächenlautsprecher wenigstens soweit zu beherrschen sind, daß sein Klangspektrum für den jeweiligen Anwendungsfall ausreichend natürlich wirkt.
Eine zweite Teilaufgabe besteht darin, unter Verwendung eines derartigen Verfahrens einen Flächenlautsprecher der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen elektroakustische Eigen¬ schaften - je nach Anwendungsfall - so optimiert sind, daß damit im einzelnen Anwendungsfall vorgegebene Anforderungen an die Güte einer damit ausgeführten Beschallung erfüllt wer- den.
Bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Flächenlautsprechers wird die erste Teilaufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 beschriebenen Merkmale ge- löst.
Bei einem Flächenlautsprecher der eingangs genannten Art wird die zweite Teilaufgabe durch im Kennzeichen des Patentanspruches 4 beschriebenen Merkmale gelöst.
In der Elektroakustik ist man sich bei der Entwicklung optimierter elektroakustischer Wandler seit langem bewußt, daß die Einflußgrößen, die die Übertragungsgüte eines elektroakustischen Wandlers bestimmen, in ihrer Wirkung einander häufig konträr entgegenstehen. Eine konstruktiv-mechanische Lösung, bei der alle diese Einflußgrößen in gleicher Weise optimiert sind, ist also nicht möglich und jeder elektroakustische Wandler ist, systematisch bedingt, immer eine Kompromißlösung. Die bekannte Lautsprecherbox mit einer Mehrzahl einzel- ner, individuell gestalteter Lautsprecher ist dafür ein treffendes Beispiel. Die erfindungsgemäßen Lösungen der beiden Teilaufgaben beruhen auf der gemeinsamen Überlegung, daß derartige durch konstruktiven Maßnahmen gekennzeichnete Kompromisse bei einem Flächenlautsprecher noch viel weniger zu ei- nem befriedigenden Ergebnis führen. Ein Flächenlautsprecher ist eben nicht wie eine Lautsprecherbox aus einzelnen, individuell gestalteten Lautsprechereinheiten zusammenzusetzen. Daß Lösungsansätze, die mittels konstruktiver Maßnahmen, den • Flächenlautsprecher zu verbessern versuchten, nicht zu einem befriedigenden Ergebnis geführt haben, hat seine bisherige Entwicklung gezeigt. Die Erfindung löst sich von konventionellen Überlegungen des Elektroakustikers und geht einen anderen Weg. Die elektroaku¬ stischen Eigenschaften des Flächenlautsprechers sind durch die Summe der Eigenschaften der verwendeten Schwingspule (n) und der mechanischen Eigenschaften der eingesetzten schallab- strehlenden Fläche festgelegt. Für jede so bestimmte Anordnung eines Flächenlautsprechers ist damit seine elektroakustische Übertragungsfunktion in Form seines Frequenzganges - von Toleranzen abgesehen - festgelegt. Ist die entsprechende Frequenzkurve durch Messung ermittelt, so kann man mit einer in der Betriebsanordnung des Flächenlautsprechers zwischen der Schallquelle und dem vor der Schwingspule bzw. den Schwingspulen liegenden Verstärker angeordneten Filtereinrichtung dann den Frequenzgang des Flächenlautsprechers kom- pensieren und damit linearisieren, sofern die Übertragungsfunktion der Filtereinrichtung zu der entsprechenden Funktion der Kombination aus Schwingspule (n) und schallabstrahlender Fläche im wesentlichen invers ist.
Gemäß Weiterbildungen der Erfindung wird die Übertragungsfunktion der Filtereinrichtung durch digitale Filter, insbesondere durch FIR( Finite Impulse Response)- Filter nachgebildet, deren Filterkoeffizienten aus der inversen Frequenzkurve des Flächenlautsprechers abgeleitet sind.
Vorzugsweise besitzt die Filtereinrichtung als Eingangsglied ein Abtast-/Halteglied, das über einen Analog-Digital- Umsetzer an das digitale Filter angeschlossen ist, dessen Ausgang mit einem Digital-Analog-Umsetzer verbunden ist.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die Filtereinrichtung mit einem digitalen Signalprozessor ausgestattet.
Digitale Signalprozessoren werden heute in großem Umfang eingesetzt und sind aufgrund der Fortschritte in der Entwicklung von integrierten Schaltkreisen auch für relativ recheninten- sive „real-time"-Anwendungen bereits verfügbar. Digitale Si¬ gnalprozessoren sind, wenn auch im beschränkten Umfang des zur Verfügung stehenden Volumens für den Programmspeicher, frei programmierbar. Damit wird es möglich, die Funktion des digitalen Signalprozessors an verschiedene Materialien der schallabstrahlenden Fläche, wie Holzwerkstoffe, Glas, Kunststoffe, unter anderem Polyurethanschaum anzupassen. Ferner lassen sich auch unterschiedliche Umrisse der schallabstrahlenden Fläche so realisieren. Damit wird deutlich, daß mit der Erfindung insbesondere das größte Hemmnis überwunden ist, das der weiten Verbreitung von Flächenlautsprechern bisher entgegenstand. Form und Materialauswahl der schallabstrahlenden Fläche stehen in weitem Umfang frei, ohne daß dies mit einer Minderung der Qualität der Schallabstrahlung erkauft werden müßte. Zwar ist nicht in jedem Anwendungsfall höchste und damit aus Aufwandsgründen auch immer noch relativ teure Qualität erforderlich, aber immerhin lassen sich Ausführungen verwirklichen, die sogar HIFI (High Fidelity)- Anforderungen vollauf genügen. Nicht nur in diesen Anwendungsfällen sind Volumen- und Gewichtsersparnis des Flächenlautsprechers im
Vergleich mit marktüblichen Lautsprecherboxen von großem Vorteil.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben, dabei zeigt:
Figur 1 einen Flächenlautsprecher in Verbindung mit einer Meßanordnung zur Messung seines Frequenzganges, Figur 2 eine erste Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Betreiben des Flächenlautsprechers und Figur 3 eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach Figur 2. In Figur 1 ist schematisch ein Flächenlautsprecher 1 dargestellt, der eine plattenförmig ausgebildete, schallabstrah¬ lende Fläche 2 besitzt, auf der beispielhaft zwei Schwingspu¬ len 3 bzw. 4 angeordnet sind. Die Schwingspulen 3 bzw. 4 sind auf der schallabstrahlenden Fläche 2 so mechanisch fixiert, daß sie im elektrisch angeregten Zustand ihre dabei auftretenden mechanischen Schwingungen auf die schallabstrahlende Fläche 2 übertragen, damit diese selbst zum Schwingen und so zur Schallabstrahlung anregen. In einer funktionsfähigen Be- triebsschaltung sind die Schwingspulen 3, 4 parallel an die Ausgänge eines Verstärkers 5 angeschlossen, dessen Eingang im normalen Betriebsfall an eine in Figur 1 nicht dargestellte Schallquelle angekoppelt ist.
Für einen Fachmann der technischen Akustik ist unmittelbar einleuchtend, daß unter anderem die Eigenschaften der schall- abstrahlenden Fläche 2, ihre Form, die Größe ihrer Fläche, ihre Dicke und vor allem auch ihre mechanischen Eigenschaften, aber auch die Ausgestaltung der Schwingspule (n) 3, 4 so- wie deren lokale Anordnung auf der schallabstrahlenden Fläche 2 die akustischen Eigenschaften des Flächenlautsprechers 1 bestimmen. Da z. B. völlig unterschiedliche Materialien für die schallabstrahlende Fläche 2 verwendet werden können, ergibt sich bereits aus der Materialauswahl eine Schwierigkeit. Denn davon hängt es ab, ob der Flächenlautsprecher 1, wie im Falle von Holzwerkstoffen, insbesondere im höheren Frequenzbereich oder andererseits wie beispielsweise bei Glas, auch Kunststoffen im niederfrequenten Bereich eine große Dämpfung aufweist, im letzteren Fall hohe Frequenzanteile überhöht wiedergibt und damit zum Klirren neigt. Wegen dieser Problematik haben sich Flächenlautsprecher, obwohl die Prinzipien dafür längst bekannt sind, in einer Vielzahl von an sich möglichen Anwendungsfällen bisher nicht durchgesetzt, weil andere elektroakustische Wandler bekannt sind, deren Frequenzgang einfacher korrigierbar ist. In Figur 1 ist, zur Lösung dieses Problems, nun weiterhin ei¬ ne Meßanordnung dargestellt, mit der der Flächenlautsprecher 1 in seinen Ubertragungseigenschaften akustisch analysiert wird. Um den Frequenzgang des Meßobjektes, d. h. also eines bestimmten Typs des Flächenlautsprechers 1 zu bestimmen, ist ein Frequenzanalysator 6 vorgesehen, der bei durchstimmbarer Frequenz mit vorbestimmtem Pegel ein definiertes elektrisches Meßsignal an den Verstärker 5 abgibt und über die Schwingspulen 3, ,4 den Flächenlautsprecher 1 zur Schallabstrahlung an- regt. In einem definierten Abstand von dem Flächenlautsprecher 1, vorzugsweise längs seiner Mittelachse, ist ein Meßmikrophon 61 angeordnet, das mit dem Eingang des Frequenzanaly- sators 6 verbunden ist.
Mit dieser Meßanordnung, die vorzugsweise in einem schalltoten Raum aufgebaut wird, um die Schallausbreitung im freien Feld unter Meßbedingungen möglichst exakt nachzubilden, wird der Frequenzgang des Meßobjektes bestimmt. Wie vorstehend angedeutet, ist dieser Frequenzgang beim Flächenlautsprecher 1 durch objekttypische Nichtlinearitäten bestimmt, weshalb er zumindestens für jeden Objekttyp individuell gemessen werden muß. Damit ist für den Flächenlautsprecher 1 ein wesentliches Maß für seine elektroakustischen Übertragungseigenschaften gewonnen. Um die Nichtlinearitäten des Frequenzganges zu kom- pensieren, wird zu der so gewonnen Frequenzkurve deren inverse Funktion gebildet.
In Figur 2 ist schematisch anhand einer Betriebsschaltung für den Flächenlautsprecher 1 dargestellt, wie das beschriebene Meßergebnis benutzt wird, um die Übertragungseigenschaften des speziellen elektroakustischen Wandlers zu entzerren. In Figur 2 ist die Schallquelle beispielhaft durch ein Magnetbandgerät 7 illustriert. Dessen Ausgang ist mit dem Verstärker 5 des Flächenlautsprechers 1 über eine Filtereinrichtung 8 verbunden. In der Filtereinrichtung 8 ist, wie in Figur 2 schematisch angedeutet ist, eine Übertragungsfunktion implementiert, die zu der für diesen Typ des Flächenlautsprechers 1 gemessenen, charakteristischen Frequenzkurve im wesentli¬ chen invers ist. Der Verlauf der Übertragungsfunktion der Filtereinrichtung 8 ist der inversen Frequenzkurve des Flächenlautsprechers 1 um so mehr anzunähern, je höhere Anforde- rungen an die resultierende Übertragungsgüte des Flächenlautsprechers 1 im jeweiligen Anwendungsfall gestellt werden. In der Filtereinrichtung 8 werden die von dem Magnetbandgerät 8 zugeführten elektrischen Tonsignale in einer Weise vorverzerrt, die dem Frequenzgang des Flächenlautsprechers 1 gerade entgegengesetzt ist. Dieses vorverzerrte Tonsignal wird über den Verstärker 5 den Schwingspulen 3, 4 des Flächenlautsprechers 1 zugeführt. Bei der Umwandlung im Flächenlautsprecher 1 in akustische Signale wird es aufgrund von dessen Übertragungsfunktion wieder entzerrt. Der resultierende Frequenzgang des Flächenlautsprechers 1 um so besser linearisiert, je genauer die Annäherung der Übertragungsfunktion der Filtereinrichtung 8 an die inverse Frequenzkurve des Flächenlautsprechers 1 ist.
Bekanntlich können elektrische Filter auch aus diskreten Elementen aufgebaut werden, komplexe Ubertragungsfunktionen für ein Bandfilter im Hörbereich, wie sie in diesem Verwendungsbereich in Verbindung mit Flächenlautsprechern 1 auftreten, sind mit diskreten Bauelementen jedoch nur mit Aufwand und auch dann nur in erster Näherung zu realisieren. Realisierungen der Filtereinrichtung 8 mit diskreten Bauelementen eignen sich in Verbindung mit einem Flächenlautsprecher 1 deshalb nur dann, wenn im Einzelfall an dessen Übertragungsgüte nur beschränkte Anforderungen gestellt werden.
In Figur 3 ist daher eine weitere Ausführungsform für die Betriebsschaltung eines Flächenlautsprechers 1 dargestellt, mit der sich sogar HiFi (High Fidelity-) - Anforderungen erfüllen lassen. Die Ausführungsform nach Figur 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Figur 2 in der weiteren Ausgestaltung der Filtereinrichtung 8. In Figur 3 ist die Filtereinrichtung 8 als digitales Filter dargestellt. Seine an das wieder als Beispiel für eine Schallquelle angegebene Ma¬ gnetbandgerät 7 angeschlossene Eingangsschaltung ist als Ab- tast-/Halteglied 9 - häufig auch als „Sample and Hold" - Schaltung bezeichnet - ausgebildet. Damit wird das vom Ma- gnetbandgerät 8 als analoges Signal zugeführte elektrische Tonsignal nach einem vorgegebenen Abtasttheorem abgetastet, der jeweils abgetastete Momentanwert zwischengespeichert und einem daran angeschlossenen Analog-Digital-Umsetzer 10 zugeführt, der die aufeinanderfolgenden Momentanwerte in binär ausgedrückte Digitalsignale umsetzt. In dieser Form werden die Signale einem digitalen Signalprozessor 11 zugeführt. Ausgangsseitig ist der digitale Signalprozessor 11 an einen Digital-Analog-Umsetzer 12 angeschlossen, mit dem sein binäres Ausgangssignal wieder in ein analoges elektrisches Signal umgesetzt wird, das über den Verstärker 5 dem Flächenlautsprecher 1 zugeführt wird.
Diese Ausgestaltung der Filtereinrichtung 8 nutzt mit Vorteil die Fortschritte in der Entwicklung der digitalen Signalver- arbeitung. Die Halbleiterindustrie bietet dem Anwender heute leistungsfähige, in weitem Umfang bereits eingesetzte Signalprozessoren auch für „real-time"-Anwendungen. Einsatzmöglichkeiten digitaler Signalprozessoren sowie Ausgestaltungen durch entsprechende Programme können deshalb hier als bekannt vorausgesetzt werden. In der schematischen Darstellung von Figur 3 ist deshalb der Schaltungsaufbau des digitalen Signalprozessors nicht in einzelnen angegeben. Üblicherweise besitzt ein Signalprozessor neben einem Mikrokontroller, der eigentlichen Steuereinheit, einen Programm-, einen Daten- und einen Ein-/Ausgabespeicher, die untereinander über ein Bussystem mit paralllelen Adreß-, Steuer- und Datenleitungen verbunden sind. Die Möglichkeit, in dem Programmspeicher ein bestimmtes, auf den jeweiligen Anwendungsfall bezogenes Pro- • gramm abzulegen, ertüchtigt den digitalen Signalprozessor zu einer universell einsetzbaren elektronischen Schaltung, der im vorliegenden Anwendungsbereich dazu eingesetzt wird, die Übertragungsfunktion der Filtereinrichtung 8 nachzubilden. Von Vorteil ist es dabei, das bzw. die Filter in Form von FIR (Finite Impulse Response) -Filtern zu implementieren, mit denen sich in bekannter Weise auch komplexe Übertragungsfunk- tionen bei „real-time"-Anforderungen realisieren lassen. Wer- den in einzelnen Anbwendungsfall an die Übertragungsgüte des Flächenlautsprechers 1 sehr hohe Anforderungen, etwa HiFi- Qualität gestellt, so kann es wegen erforderlichen Signalverarbeitung unter Echtzeit-Bedingungen notwendig werden, diese Signalverarbeitung im Parallelbetrieb mehrerer Signalprozes- soren vorzunehmen, ohne dabei den prinzipiellen Lösungsansatz zu verlassen.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eröffnen dem Flächenlautsprecher eine breites Anwendungsspektrum. Die freie Programmierbarkeit des digitalen Signalprozessors 11 läßt es zu, den Aufwand für die Messung des Frequenzganges des jeweiligen Typs des Flächenlautsprechers 1 und die Umsetzung der gemesssenen Frequenzkurve in eine dazu mehr oder minder angenäherte inverse Ubertragungsfunktion der Fil- tereinrichtung 8 im Hinblick auf den jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren. Es lassen sich kleindimensionale, aber auch großformatige Flächenlautsprecher realisieren. Da die Materialauswahl bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Flächenlautsprecher bei weitem nicht mehr der konventionellen Beschränkung unterliegt, lassen sich beispielsweise auch Materialien mit einem sehr niedrigem spezifischen Gewicht für die schallabstrahlende Fläche auswählen. Insbesondere bei mobilen Anwendungen, bei denen Transportmöglichkeiten eine durchaus wesentliche Rolle spielen, ist es von großem Vor- teil, einen leichten Flächenlautsprecher bestehend aus Polyurethanschaum statt einer voluminösen konventionellen Lautsprecherbox mit hohem Gewicht zu bewegen. Erfindungsgemäße Flächenlautsprecher können daher sowohl zu gewerblichen Zwek- ken, wie öffentlichen Beschallungseinrichtungen, auch Werbe- flächen wie im persönlichen Bereich als hochwertige, dabei sehr flache Lautsprechereinrichtungen, die beispielsweise in Möbel integriert sind, eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Flächenlautsprechers (1), bei dem mindestens eine Schwingspule (3, 4) auf eine platten- förmige Fläche (2) mit vorbestimmten Materialeigenschaften aufgebracht ist, über die durch eine Schallquelle (7) elektrisch angeregte (n) Schwingspule (n) zum Schwingen angeregt Schall abgestrahlt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der akustische Frequenzgang dieses Flächenlautsprechers gemessen und seine Frequenzkurve ermittelt wird, daß für diese Frequenzkurve die dazu inverse Frequenzkurve ermittelt wird, daß diese inverse Frequenzkurve in einer Filtereinrich- tung (8) als deren Übertragungsfunktion nachgebildet wird und daß mittels der im Betriebszustand zwischen die Schallquelle und den Flächenlautsprecher geschalteten Filtereinrichtung aufgrund deren Übertragungsfunktion der Frequenzgang des Flächenlautsprechers kompensiert wird.
2.. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion der Filtereinrichtung (8) durch digitale Filter nachgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion mittels FIR (Finite Impulse Response) - Filter gebildet wird, deren Filterkoeffizienten aus der inversen Frequenzkurve abgeleitet sind.
4. Flächenlautsprecher mit mindestens einer Schwingspule (3, 4), die auf eine plattenförmige Fläche (2) mit definierten Materialeigenschaften aufgebracht ist und die, durch eine Schallquelle (7) elektrisch angeregt, diese Fläche zur Schallabstrahlung zum Schwingen in Schwingungen versetzt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schallquelle (7) und der mindestens einen Schwingspule (3 bzw. 4) eine Filtereinrichtung (8) angeordnet ist, deren Übertra- gungsfunktion zu dem Frequenzgang Flächenlautsprechers (1) invers ausgebildet ist.
5. Flächenlautsprecher nach Anspruch 4, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (8) als digitales Filter ausgebildet ist.
6. Flächenlautsprecher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (8) durch FIR (Finite Impulse Response) - Filter gebildet ist.
7. Flächenlautsprecher nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (8) als Eingangsglied ein Abtast-/Halteglied (9)besitzt, das über einen Analog-Digital-Umsetzer (10) an das digitale Filter (z. B. 11) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit einem Digital-Analog-Umsetzer (12) verbunden ist.
8. Flächenlautsprecher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung mit einem digitalen Signalprozessor (11) ausgestattet ist.
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