EP1793646A2 - Lautsprecheranordnung zur Beschallung in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Lautsprecheranordnung zur Beschallung in einem Kraftfahrzeug Download PDF

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EP1793646A2
EP1793646A2 EP06077114A EP06077114A EP1793646A2 EP 1793646 A2 EP1793646 A2 EP 1793646A2 EP 06077114 A EP06077114 A EP 06077114A EP 06077114 A EP06077114 A EP 06077114A EP 1793646 A2 EP1793646 A2 EP 1793646A2
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EP
European Patent Office
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loudspeaker
sound
radiation
arrangement
signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06077114A
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Holger Dr. Opfer
Carsten Spichalsky
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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    • H04R5/02—Spatial or constructional arrangements of loudspeakers

Definitions

  • the invention relates to a loudspeaker arrangement and an associated method for sonication in a motor vehicle.
  • Speaker arrangements for sonicating the interior of a motor vehicle e.g. with music or acoustic information, which are provided for example by a radio, CD player, DVD player or a telecommunications or navigation system as an audio signal
  • Common loudspeaker systems usually use electrodynamic loudspeakers, the diaphragm being driven by the interaction between electric current and a magnetic constant field and the Lorentz force being utilized as the power source.
  • electrodynamic speakers are usually quite voluminous and heavy due to their usual cone design and the permanent magnet used, so that in particular in an arrangement of multiple speakers an enormous amount of space is required, especially in the limited space in the interior of a motor vehicle compromises in terms of installation , Sound power and optimal radiation characteristics required.
  • an acoustic element comprising any number, preferably two, layers and at least one plastic film spaced from the layer, wherein at least one layer comprises at least one porous layer, and the porous film and the plastic film substantially only in contact with each other at certain support points come while at the other locations an air gap between the porous layer and the plastic film is present.
  • the porous layer is either electrically conductive or at least coated on one of its surfaces so that it is electrically conductive.
  • the plastic film is charged or provided with an electrically conductive surface.
  • the support points at which the plastic film and the porous layer come into contact with each other are arranged so that the entire structure can change its thickness.
  • Electrostatic flat speakers have the property of a particularly pronounced directional characteristic, ie a pronounced sound radiation perpendicular to the speaker level. Since they are usually made of plastic, In addition to their flat design, they are characterized by good formability and low weight. However, since conventional flat panel loudspeakers are usually acoustic dipoles, the radiation typically occurs in both directions perpendicular to the loudspeaker surface. As a result, for example, an individual single-station public address within the vehicle without additional design measures is not possible.
  • the invention is therefore based on the technical problem of providing an improved loudspeaker arrangement for sonication in a motor vehicle.
  • the invention is based on the finding that the abovementioned disadvantages can be overcome if the relevant electrostatic flat-panel loudspeaker is designed with a unidirectional emission characteristic. In order to achieve such a unidirectional radiation characteristic, it is conceivable to attenuate the sound in the one emission direction, which is opposite to the desired main emission direction.
  • the invention proposes a loudspeaker arrangement and a corresponding method for sound reinforcement in a motor vehicle, comprising at least one loudspeaker which can be controlled by at least one audio processor, wherein the loudspeaker is designed as at least one electrostatic flat-panel loudspeaker with unidirectional radiation characteristic and the area loudspeaker means for active and / or passive attenuation of the sound radiation in a direction of a main radiation opposite direction of radiation.
  • This allows a free placement of the speaker (s) in the interior of the vehicle, at the same time a single-seat sound is feasible.
  • a suitable Positioning the speaker assembly spatial sound effects such as "Virtual Dolby Surround" or a wave field synthesis can be achieved.
  • the loudspeaker arrangement is formed from at least two adjacent area loudspeakers, which can be controlled by means of different complex transmission functions for setting a specific emission characteristic.
  • a directional loudspeaker ie a sound source with different radiances in different directions with a main lobe at an angle of 0 °, can be set over the entire audio frequency, for example to avoid side lobes leading to crosstalk to adjacent vehicle seats.
  • a directional speaker according to the invention that for frequencies whose wavelength is smaller than the extent of the radiator vertical to the alignment of the radiator, all sidelobes of the directional characteristic above 45 ° deviating from the orientation of the radiator by at least -10 dB are smaller. In this way, an individual single-station sound is made possible within the vehicle interior.
  • the term "motor vehicle” are preferably to be understood automobiles, but in the same way are also other means of transport and transport such as aircraft or rail vehicles detected.
  • the at least one loudspeaker is arranged pivotably in the interior of a motor vehicle.
  • the speaker can be brought into almost any position and be adapted in particular with regard to its emission characteristics of the acoustic conditions of the interior and the individual use situation within the vehicle or the needs of the user, so that in particular the irradiation of the sound to produce all-round sound or a single-station PA be enabled.
  • the at least one loudspeaker is arranged fold-out on the headliner of the motor vehicle.
  • the speaker can be folded down for use and placed in the acoustically optimal position, so that the folded down speaker can radiate the audio signal according to its pronounced directional characteristics optimally and directly from the front of the passenger. If the speaker is no longer needed, it can be folded back up into the rest position in the headliner and thus takes no additional space or does not interfere with the user's free view.
  • the means for passive attenuation of the sound radiation are designed as at least one sound-insulating layer on the side of the loudspeaker facing away from the main emission direction.
  • the rear volume of the flat-panel loudspeaker is preferably acoustically attenuated as much as possible acoustically on the side facing away from the main emission direction, and is limited to the outside by a preferably preferably reverberant termination.
  • the means for actively attenuating the sound radiation are designed as at least one active sound cancellation device comprising at least one further loudspeaker, wherein the active sound cancellation by generating a signal which is in phase opposition to the signal of the at least one loudspeaker, and by Controlling the other speaker with the opposite-phase signal takes place.
  • the further loudspeaker is preferably also designed as an electrostatic flat loudspeaker which actively dampens the radiation of sound in the direction opposite to the main emission direction.
  • the active damping is carried out according to the well-known in theory and practice "Active Noise Cancellation” principle (ANC), often referred to as “antinoise” principle.
  • a sound signal is generated with the help of the other speaker, which is at least opposite to the desired main emission direction in phase opposition to the sound signal of the at least one (main) speaker.
  • the sound amplitudes of the opposing phases in the opposite direction of the main radiation cancel each other out almost completely in the ideal case, resulting in an active sound attenuation in the respective emission direction.
  • an active attenuation by means of ANC is frequently used, in particular in these cases.
  • passive damping requires large amounts of passive sound absorption material, thick absorption layers or special structures, which leads to high costs and additional weight and represents no viable solution especially in lack of space.
  • active damping may be beneficial.
  • the combination of such active damping measures with an additional passive damping is extremely effective and leads to good results.
  • the ANC principle can also be advantageously used in the main emission direction to improve the emission characteristic, for example to reduce unwanted emission lateral crosstalk effects in the single-station PA, find application. It is particularly advantageous that in the case of ausklappbaren from the headliner variant of the area loudspeaker, the active damping measures can be used both in the folded position of or the area speaker in the headliner and in the folded down position.
  • the generation of the antiphase signal takes place as a function of a sound signal of the at least one loudspeaker detected by a microphone and / or as a function of a signal processed by the audio processor for controlling the at least one loudspeaker.
  • the control of the further loudspeaker for generating the antiphase signal can be done adaptively with the aid of a microphone, by which the radiated sound signal of the (main) loudspeaker is detected. Although this procedure requires additional hardware, it is relatively easy and inexpensive to implement.
  • the actual emission conditions in the context of a closed "feedback" control circuit can be taken into account in the best possible way, since the microphone actually detects the sound actually emitted by the at least one (main) loudspeaker and generates an "error signal" based thereon into the regulation.
  • the control of the further loudspeaker for generating the mutual signal can also take place directly on the basis of the processed signal for controlling the at least one (main) loudspeaker, which then serves as a reference signal. If the emission characteristic or transfer function of the (main) loudspeaker is known, it is possible, preferably by means of the audio processor, to use the transmitted reference signal of the (main) loudspeaker in the context of a feedforward control, i.
  • the "counter signal" required for active damping is calculated. It is also conceivable, the control of the other speaker using a combination of feedback and feedforward control, i. to operate in response to the output from the microphone error signal and the conditioned reference signal to control the (main) speaker in order to achieve the most efficient active damping.
  • the realization of the controller is conceivable both in analog and digital mode of operation.
  • the microphone is designed as an electrostatic surface microphone.
  • electrostatic loudspeakers can be exploited, that they are operated relatively simply as a microphone, ie for the conversion of sound pressure into an electrical signal can. If no signal voltage is actively applied to the porous layers of electrostatic loudspeakers, an incident sound wave leads to a deflection of the plastic layer, which results in a voltage change at the electrodes of the porous layers, which can be tapped off as signal voltage. Therefore, it is possible in a simple manner to operate the electrostatic speakers alternately as a microphone, for example for the hands-free or in-vehicle communication between different occupants. Thus opens up the possibility of using directional microphones in the limited interior of a motor vehicle due to the flat design of Elektrostaten.
  • the at least one loudspeaker and the at least one further loudspeaker are designed as electrostatic surface loudspeakers, wherein the one each is designed as a surface dipole and the other one as a surface monopole.
  • Electrostatic flat loudspeakers can be operated both as surface monopole and as surface dipole loudspeakers.
  • a surface dipole is to be understood as an area loudspeaker whose directional characteristic brings about a radiation of the sound which occurs in opposite directions perpendicular to the loudspeaker surface in both directions.
  • a surface monopole is to be understood as an area loudspeaker whose directional characteristic entails a radiation of the sound which is in phase in both directions perpendicular to the loudspeaker surface.
  • An area monopole can be produced, for example, by means of a so-called multilayer panel, which corresponds to an electrostatic area loudspeaker composed of several layers and membranes.
  • active damping by means of ANC it is particularly advantageous if in each case one of the two loudspeakers used is designed as a surface dipole and the other one as a surface monopole, since an extinction then takes place only in one emission direction. It is important to ensure that in each case that side of the two speakers, which has the opposite phase to the other speaker is aligned in the direction opposite to the main direction of radiation, so that the attenuation by means of phase cancellation takes place only in this direction.
  • the at least one further loudspeaker is designed as an active reflector. If in each case one of the two loudspeakers used is in the form of a plane dipole and the other one as a monopole of areas, an extinction is then effected only in one of the emission directions, namely the one in which the two loudspeakers emit different phases, this emission direction preferably being opposite to the main emission direction. Because then in contrast in Main radiation direction both speakers in-phase radiate to each other, the radiated in "desired direction" sound pressure can thereby be even doubled, since the same phases in the main emission superimpose and thus strengthen. This arrangement is therefore a so-called "active reflector".
  • the at least one loudspeaker can be used as a microphone and / or as an acoustic damping element.
  • electrostatic loudspeakers to be able to be operated in a comparatively simple manner as a microphone, they can also be used as damping elements due to their flat design, the porous layers and the volume of air contained in them. This is particularly useful in the hinged on the headliner variant, when the speakers are in the folded up position.
  • An additional use as a thermal insulation element, as a mechanical stabilizer and as an elastic suspension element is also conceivable.
  • the at least one loudspeaker can be used as a projection surface for displaying visual information.
  • motor vehicles increasingly include visual infotainment applications such as e.g. TV, video or DVD systems are used, they can serve for this preferably flat loudspeakers in addition to their Schallabstrahlungsfunktion simultaneously as an image projection surface.
  • Flat panel speakers with a bright or white outer surface are particularly advantageous for this purpose.
  • in conjunction with the hinged on the headliner folding version of the electrostatic flat panel speakers can thus achieve a space-saving manner, an advantageous dual use of area speakers.
  • At least one crossover for separating the frequency components of the sound to be made is provided and at least the low frequency components can be emitted via a separate subwoofer and / or bass shaker.
  • electrostatic surface speakers especially in the higher frequency ranges provide a convincing sound behavior, while they often can not reproduce the lower frequency components in the same way with sufficient sound power or quality, it makes sense for a complete sound image, the low frequency components separately by means better suited for it irradiate. This can be done for example by means of a preferably arranged at or below the rear seat subwoofer and / or bass shaker.
  • Fig. 1 shows schematically a flat panel speaker 2, as it comes in a preferred embodiment of a loudspeaker arrangement 1 according to the invention for use.
  • the electrostatic surface speaker 2 is formed with a unidirectional radiation characteristic. For this purpose, the sound is emitted almost exclusively in a main emission direction 5, while it is attenuated in the direction opposite to the desired main emission direction 5.
  • the flat-panel loudspeaker 2 has both means for active and passive attenuation of the sound radiation in the emission direction opposite the main emission direction 5.
  • the electrostatic surface speaker 2 is also controlled by at least one audio processor (not shown).
  • the means for passive attenuation of the sound radiation are formed as at least slightly sound-absorbing layer 6 on the side facing away from the main emission 5 side of the flat panel speaker 2.
  • the weak sound insulating layer 6 which may be formed, for example, mineral wool, acoustically at least weakly attenuated at least at the edges.
  • the means for active attenuation of the sound radiation are designed as an active sound cancellation device.
  • a secondary loudspeaker 8 which is likewise designed as an electrostatic flat-panel loudspeaker, is provided as a further loudspeaker which actively dampens the radiation of sound in the direction opposite to the main emission direction 5.
  • the active damping takes place according to the principle of "Active Noise Cancellation” (ANC), ie there is an active sound cancellation by generating a sound signal by means of the secondary speaker 8, which is out of phase with the sound emitted from the area speaker 2 against the main emission direction 5 sound signal.
  • ANC Active Noise Cancellation
  • the sound amplitudes of the opposing phases cancel each other out in the direction opposite to the main emission direction 5, which leads to an active sound attenuation in this direction, which is why only one main sound amplitude 4 is maintained in the main emission direction 5 and the surface loudspeaker 2 as sound is discharged to the outside.
  • an antiphase signal 15 is initially generated, which is in antiphase to a useful signal 12, with which the electrostatic flat panel speaker 2 is driven.
  • the secondary speaker 8 is driven.
  • the generation of the antiphase signal 15 takes place by means of a regulator 10, which is preferably part of the (not shown) audio processor.
  • the generation can take place on the one hand as a function of a sound signal of the area loudspeaker 2 detected by a microphone 11.
  • a microphone 11 designed as electrostatic surface microphone microphone 11 is provided at the back of the secondary speaker 8.
  • the control of the secondary loudspeaker 8 for generating the antiphase sound signal then takes place adaptively with the aid of the microphone 11, by means of which the sound signal of the flat-panel loudspeaker 2 radiated counter to the main emission direction 5 is detected.
  • the generation of an error signal 14 based thereon is carried out, which is then transmitted to the controller 10 and flows into the control as a manipulated variable. This then corresponds to a closed "feedback" loop.
  • the control of the secondary loudspeaker 8 for generating the antiphase sound signal can also be carried out directly on the basis of the processed useful signal 12 for controlling the area loudspeaker 2, which then serves as the reference signal 13 for the control.
  • the control of the secondary loudspeaker 8 takes place on the basis of a combination of feedback and feedforward control.
  • the area loudspeaker 2 and the secondary loudspeaker 8 are both designed as electrostatic area loudspeakers, one each being a surface dipole 20 and the other one is designed as area monopole 21 (see Fig. 7a and 7b).
  • that side of the two loudspeakers which has the phase different from that of the other loudspeaker is oriented in the opposite direction to the main emission direction 5, so that the attenuation by means of phase cancellation takes place only in this direction.
  • the loudspeaker having the characteristic of a surface monopole 21 can be designed, for example, as a multilayer panel 30 (see FIG.
  • FIG. 2 schematically shows a further preferred embodiment of the loudspeaker arrangement 1 according to the invention in the cross-sectional view, the electrostatic flat-panel loudspeaker 2 having a unidirectional emission characteristic also being formed here.
  • the flat-panel loudspeaker 2 here only has means for passive attenuation of the sound radiation in the opposite direction to the main radiation 5, which forms a sound-insulating layer 7 and a reverberant termination 9 on the side facing away from the main emission direction 5 of the area loudspeaker 2 are.
  • the back volume of the area loudspeaker 2 is attenuated acoustically as much as possible by the sound-absorbing layer 7, which can be made of mineral wool, for example, and limited to the outside by the most reverberant finish 9 possible. Due to the sound-absorbing layer 7 and the reverberant termination 9, the sound amplitudes emitted by the area loudspeaker 2 in the direction opposite to the main emission direction 5 are almost completely damped or reflected in the opposite direction, which leads to passive sound attenuation in this direction, which is the reason for only one main sound amplitude 4 is maintained in the main emission direction 5 and is emitted from the surface speaker 2 as sound to the outside.
  • the loudspeaker arrangement 1 has at least one electrostatic flat-panel loudspeaker 2 with a unidirectional emission characteristic which has means for active and / or passive attenuation of the sound radiation in a direction of emission which is opposite to the main emission direction 5.
  • This may be, for example, an area loudspeaker 2 in accordance with the variants illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • the flat-panel loudspeaker 2 is in this case arranged fold-out on the headliner 27 of a motor vehicle shown in stylized form, as indicated by the double arrow and the half or fully unfolded position. In this way, e.g.
  • the area loudspeaker 2 folded down for use and placed in the acoustically optimal position, so that the folded-flat speaker 2 optimally and directly from the front, that is in the main emission direction 5, the audio signal according to its pronounced directional characteristic Inmates 19b can radiate.
  • the occupant 19b located in the rear seat 18 can thus be individually sounded without having an occupant 19a on the front seat 17, e.g. when the driver has to operate the steering wheel 16 is sonicated. If the area speaker 2 is no longer needed, it can be folded back up into the rest position in the headliner 27 and thus takes no additional space or does not interfere with the unobstructed view of the occupant 19b.
  • the flat panel speaker 2 is preferably used in its folded-up position as a microphone and / or as an acoustic damping element.
  • the flat-panel loudspeaker 2 in addition to its sound radiation function, also serves as an image projection surface 23 for visual infotainment applications, such as e.g. TV, video or DVD systems.
  • the flat loudspeaker 2 is preferably provided with a light or white outer surface.
  • a crossover (not shown) is provided for separating the frequency components of the sound to be made and at least the low frequencies Frequency components can be emitted via a separate shaker 25, which is preferably arranged under the rear seat 18.
  • FIG. 4 and FIG. 5 show two variants of the preferred embodiment of the loudspeaker arrangement 1 according to the invention mounted in a vehicle, as shown in FIG. 3, in plan view. It can be seen that the from the Headliner 27 (see Fig. 3) folded down flat 2 speakers due to their unidirectional directivity their respective audio signal directly from the front, ie radiate in Hauptabstrahlraum 5 on the occupants 19b, 19c on the rear seats 18 of the vehicle. Due to the means for active and / or passive attenuation of the sound radiation in the direction opposite to the main emission direction 5, however, the area loudspeakers 2 emit no sound to the occupants 19a, 19d located on the front seats 17.
  • the loudspeaker arrangement 1 illustrated in FIGS. 4 and 5 is formed in each case from at least two adjacent area loudspeakers 2, it is conceivable that these can be controlled by means of different complex transmission functions for setting a specific emission characteristic.
  • a directional loudspeaker ie a sound source having a different lobe with a main lobe at an angle of 0 °, can be set over the entire audio frequency in order, for example, to avoid side lobes leading to crosstalk to the adjacent vehicle seats.
  • the area loudspeakers 2 are each arranged separately. For this reason, there is also provided for both occupants 19a, 19d a common, separate from the area speakers 2 fold-out image projection screen for DVD / video / TV infotainment functions.
  • the area loudspeakers 2 are integrated in a common fold-out area, which is why they can also be used simultaneously as an image projection area 23 for DVD video / TV entertainment.
  • electrostatic loudspeakers function by moving an electrically charged plastic diaphragm 31, which is as light as possible, in an electric field. This electric field is generally modulated by a sound signal 32, with the result that the plastic membrane 31 emits the sound as sound.
  • the plastic membrane 31 must be so taut that a linear transmission and a good mobility, ie in particular sufficient amplitudes and low attenuation, are ensured and the formation of membrane eigenmodes are suppressed.
  • the insulated plastic membrane 31 is placed between two felt-like porous layers 34, which are provided with metallic surfaces 35 are coated.
  • the porous layers 34 and the plastic membrane 31 come into contact with each other substantially only at certain support points formed as adhesive seam 37, while an air gap or cavity 33 is present between the porous layers 34 and the plastic membrane 31 at the other locations.
  • the plastic membrane 31 is then covered with a bias DC voltage 36 of 300-500 volts.
  • the plastic membrane 31 may also be formed as an electret, ie as an electrically insulating material which carries opposite electrical charges on two opposite surfaces and thus generates a permanent electric field in its surroundings.
  • the metallic surfaces 35 are acted upon by the antiphase electrical sound signal 32.
  • the felt-like porous layers 34 and the air volume contained in them act both as a damper and as a stabilizer and as a spring element.
  • the directional characteristic of the area loudspeaker 2a can be further positively influenced.
  • its directional characteristic is influenced by its shape.
  • the electrostatic area loudspeaker 2a then acts as a bidirectional loudspeaker or as a plane dipole (see Fig. 7a).
  • FIGS. 7a and 7b show diagrammatically the mode of action of surface dipoles or monopoles which are in principle already known from the prior art.
  • the surface dipole 20 shown in FIG. 7a consists of a flat-panel loudspeaker 2 whose directional characteristic brings about a sound radiation which occurs in both Directions perpendicular to the speaker surface takes place in phase opposition. That is, in one direction, the sound signal of positive amplitude is radiated, while simultaneously the same sound signal is radiated in the opposite direction with negative amplitude.
  • the area monopole 21 shown in FIG. 7b likewise consists of a flat loudspeaker 2 whose directional characteristic, however, entails a sound radiation which is in phase in both directions perpendicular to the loudspeaker surface.
  • Such a surface monopole 21 can be produced, for example, by means of a multilayer panel 30 shown in FIG. 8, which corresponds to an electrostatic flat loudspeaker 2 composed of a plurality of porous layers 34 and plastic membranes 31 and provided with perforations 38.
  • the porous layers 34 are each coated with metallic surfaces 35.
  • the support sites where the plastic membranes 31 and the porous layers 34 come into contact with each other, and the perforations 38 are arranged so that the entire structure of the multilayer panel 30 can change its thickness.

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Abstract

Lautsprecheranordnung (1) und zugehöriges Verfahren zur Beschallung in einem Kraftfahrzeug, umfassend mindestens einen Lautsprecher, der von mindestens einem Audio-Prozessor ansteuerbar ist, wobei der Lautsprecher als mindestens ein elektrostatischer Flächenlautsprecher (2) mit unidirektionaler Abstrahlcharakteristik ausgebildet ist und der Flächenlautsprecher (2) Mittel zur aktiven und/oder passiven Dämpfung der Schallabstrahlung in eine einer Hauptabstrahlrichtung (5) entgegengesetzten Abstrahlrichtung aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Lautsprecheranordnung und ein zugehöriges Verfahren zur Beschallung in einem Kraftfahrzeug.
  • Lautsprecheranordnungen zur Beschallung des Innenraums eines Kraftfahrzeugs z.B. mit Musik oder akustischen Informationen, die beispielsweise von einem Radio, CD-Player, DVD-Player bzw. einem Telekommunikations- oder Navigationssystem als Audiosignal bereitgestellt werden, sind seit langem üblich und bekannt. Gängige Lautsprechersysteme verwenden dabei üblicherweise elektrodynamische Lautsprecher, wobei die Membran durch die Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und einem magnetischen Gleichfeld angetrieben und als Kraftquelle die Lorentzkraft ausgenutzt wird. Elektrodynamische Lautsprecher sind jedoch aufgrund ihrer üblichen Konus-Bauform sowie der verwendeten Permanent-Magneten in der Regel recht voluminös und schwer, so dass insbesondere bei einer Anordnung mehrerer Lautsprecher ein enormer Platzbedarf entsteht, der insbesondere in den begrenzten Raumverhältnissen im Innenraum eines Kraftfahrzeugs Kompromisse hinsichtlich Einbauort, Schalleistung sowie optimaler Abstrahlcharakteristik erforderlich macht.
  • Aus der WO 99/56498 ist ein akustisches Element bekannt, welches eine beliebige Anzahl, vorzugsweise zwei, Schichten und mindestens eine zu der Schicht beabstandete Kunststofffolie umfasst, wobei mindestens eine Schicht mindestens eine poröse Schicht umfasst und die poröse Schicht und die Kunststofffolie im wesentlichen nur an bestimmten Unterstützungsstellen miteinander in Kontakt kommen, während an den anderen Stellen ein Luftspalt zwischen der porösen Schicht und der Kunststofffolie vorhanden ist. Die poröse Schicht ist entweder elektrisch leitfähig oder mindestens auf einer ihrer Oberflächen so beschichtet, dass sie elektrisch leitfähig ist. Die Kunststofffolie ist aufgeladen oder mit einer elektrisch leitenden Oberfläche versehen. Die Unterstützungsstellen, an denen die Kunststofffolie und die poröse Schicht miteinander in Kontakt kommen, sind derart angeordnet, dass die gesamte Struktur ihre Dicke verändern kann. Durch Anlegen eines Signals an mindestens eine poröse Schicht wird dann die Kunststofffolie in Schwingungen versetzt, wobei vorzugsweise auch die andere poröse Schicht mit dem gegenphasigen Signal beaufschlagt wird. Diese Anordnung stellt einen elektrostatischen Flächenlautsprecher dar. Elektrostatische Flächenlautsprecher besitzen die Eigenschaft einer besonders ausgeprägten Richtcharakteristik, d.h. eine ausgeprägte Schallabstrahlung senkrecht zur Lautsprecherebene. Da sie üblicherweise aus Kunststoff hergestellt werden, zeichnen sie sich neben ihrer flachen Bauweise des Weiteren durch gute Formbarkeit und geringes Gewicht aus. Da es sich bei den gängigen Flächenlautsprechern üblicherweise um akustische Dipole handelt, erfolgt die Abstrahlung jedoch typischerweise in beiden Richtungen senkrecht zur Lautsprecherfläche. Dadurch ist z.B. eine individuelle Einzelplatzbeschallung innerhalb des Kraftfahrzeugs ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen nicht möglich. Werden zur Umgehung der Problematik der Rückabstrahlung des Schalls beispielsweise Flächenlautsprecher flach im Dachhimmel des Fahrzeugs angeordnet, so wird der Schall zwar zum einen wie erwünscht in Richtung der Insassen nach unten abgestrahlt, zum anderen erfolgt jedoch auch in entgegengesetzter Richtung eine Abstrahlung des Schalls nach oben, welche von der Karosserie reflektiert und ungerichtet in den Innenraum zurückgeworfen wird. Dies führt zu einer Verschlechterung des Klangs im Innenraum, unterbindet die ausgeprägte Richtcharakteristik der Flächenlautsprecher und kann unerwünschte Übersprecheffekte oder Resonanzen mit sich bringen. Zudem kann der von oben kommende Schall vom Zuhörer als unangenehm bzw. unnatürlich empfunden werden.
  • Der Erfindung liegt daher das technische Problem zu Grunde, eine verbesserte Lautsprecheranordnung zur Beschallung in einem Kraftfahrzeug zu schaffen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 13. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zu Grunde, dass die oben genannten Nachteile überwunden werden können, wenn der betreffende elektrostatische Flächenlautsprecher mit einer unidirektionalen Abstrahlcharakteristik ausgebildet ist. Um eine solche unidirektionale Abstrahlcharakteristik zu erzielen ist es vorstellbar, den Schall in der einen Abstrahlrichtung, die der erwünschten Hauptabstrahlrichtung entgegengesetzt ist, abzudämpfen. Daher wird erfindungsgemäß eine Lautsprecheranordnung und ein entsprechendes Verfahren zur Beschallung in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen, umfassend mindestens einen Lautsprecher, der von mindestens einem Audio-Prozessor ansteuerbar ist, wobei der Lautsprecher als mindestens ein elektrostatischer Flächenlautsprecher mit unidirektionaler Abstrahlcharakteristik ausgebildet ist und der Flächenlautsprecher Mittel zur aktiven und/oder passiven Dämpfung der Schallabstrahlung in eine einer Hauptabstrahlrichtung entgegengesetzten Abstrahlrichtung aufweist. Dadurch wird eine freie Platzierung des bzw. der Lautsprecher(s) im Innenraum des Fahrzeugs ermöglicht, wobei gleichzeitig eine Einzelplatzbeschallung realisierbar ist. Außerdem können dann durch eine geeignete Positionierung der Lautsprecheranordnung Raumklangeffekte wie beispielsweise "Virtual Dolby Surround" oder eine Wellenfeldsynthese erzielt werden. Des Weiteren ist vorstellbar, dass die Lautsprecheranordnung aus mindestens zwei benachbarten Flächenlautsprechern gebildet wird, die mittels unterschiedlicher komplexer Übertragungsfunktionen zur Einstellung einer bestimmten Abstrahlcharakteristik ansteuerbar sind. Mittels der komplexer Übertragungsfunktionen kann ein Richtlautsprecher, d.h. eine in unterschiedliche Raumrichtungen unterschiedlich abstrahlende Schallquelle mit einer Hauptkeule im Winkel von 0°, über die gesamte Audiofrequenz eingestellt werden, um beispielsweise Nebenkeulen, die zu einem Übersprechen zu benachbarten Fahrzeugsitzen führen, zu vermeiden. Dabei kann unter einem erfindungsgemäßen Richtlautsprecher verstanden werden, dass für Frequenzen, deren Wellenlänge kleiner als die Ausdehnung des Strahlers vertikal zur Ausrichtung des Strahlers ist, alle Nebenkeulen der Richtcharakteristik oberhalb von 45° abweichend von der Ausrichtung des Strahlers um mindestens -10 dB kleiner sind. Auf diese Weise wird eine individuelle Einzelplatzbeschallung innerhalb des Fahrzeuginnenraums ermöglicht. Unter dem Begriff "Kraftfahrzeug" sind dabei vorzugsweise Automobile zu verstehen, in gleicher Weise sind jedoch auch andere Verkehrs- und Transportmittel wie z.B. Luft- oder Schienenfahrzeuge erfasst.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine Lautsprecher verschwenkbar im Innenraum eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Auf diese Weise kann der Lautsprecher in nahezu beliebige Positionen gebracht und insbesondere im Hinblick auf seine Abstrahlcharakteristik den akustischen Verhältnissen des Innenraums sowie der individuellen Nutzungssituation innerhalb des Fahrzeugs bzw. den Bedürfnissen des Benutzers angepasst werden, so dass insbesondere die Einstrahlung des Schalls zur Erzeugung von Rundumklang bzw. eine Einzelplatzbeschallung ermöglicht werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine Lautsprecher ausklappbar am Dachhimmel des Kraftfahrzeugs angeordnet. Auf diese Weise kann z.B. für Passagiere im Fond des Fahrzeugs der Lautsprecher zur Benutzung heruntergeklappt und in die akustisch optimale Position gebracht werden, so dass der heruntergeklappte Lautsprecher das Audiosignal entsprechend seiner ausgeprägten Richtcharakteristik optimal und direkt von vorne auf den Fahrgast abstrahlen kann. Wird der Lautsprecher nicht mehr benötigt, so kann er wieder nach oben in die Ruheposition im Dachhimmel geklappt werden und nimmt somit keinen zusätzlichen Raum mehr in Anspruch bzw. stört nicht die freie Sicht des Benutzers. Zum Versenken des Lautsprechers im Dachhimmel sind dabei diverse bekannte Klapp- und/oder Schiebemechanismen vorstellbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Mittel zur passiven Dämpfung der Schallabstrahlung als mindestens eine schalldämmende Schicht an der der Hauptabstrahlrichtung abgewandten Seite des Lautsprechers ausgebildet. Dabei ist vorzugsweise auf der der Hauptabstrahlrichtung abgewandten Seite das Rückvolumen des Flächenlautsprechers durch eine dämmende Schicht, beispielsweise aus Mineralwolle, akustisch möglichst stark bedämpft sowie durch einen weiter vorzugsweise möglichst schallharten Abschluss nach außen begrenzt. Somit wird in einfacher Weise eine unidirektionale Abstrahlung des elektrostatischen Flächenlautsprechers gewährleistet. Die genannten passiven Dämpfungstechniken entfalten dabei ihre beste Wirkung im mittleren und hohen Frequenzbereich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Mittel zur aktiven Dämpfung der Schallabstrahlung als mindestens eine Vorrichtung zur aktiven Schallauslöschung ausgebildet, welche mindestens einen weiteren Lautsprecher umfasst, wobei die aktive Schallauslöschung durch Erzeugen eines Signals, das gegenphasig zum Signal des mindestens einen Lautsprechers ist, sowie durch Ansteuern des weiteren Lautsprechers mit dem gegenphasigen Signal erfolgt. Der weitere Lautsprecher ist dabei vorzugsweise ebenfalls als elektrostatischer Flächenlautsprecher ausgebildet, welcher die Abstrahlung von Schall in die der Hauptabstrahlrichtung entgegengesetzte Richtung aktiv dämpft. Die aktive Dämpfung erfolgt dabei nach dem in Theorie und Praxis wohlbekannten "Active Noise Cancellation"-Prinzip (ANC), häufig auch als "Gegenschall"-Prinzip bezeichnet. Dabei wird mit Hilfe des weiteren Lautsprechers ein Schallsignal erzeugt, das zumindest entgegen der erwünschten Hauptabstrahlrichtung gegenphasig zum Schallsignal des mindestens einen (Haupt-)Lautsprechers ist. Dadurch löschen sich die Schallamplituden der gegensätzlichen Phasen in der der Hauptabstrahlrichtung entgegengesetzten Richtung im Idealfall gegenseitig nahezu völlig aus, was zu einer aktiven Schalldämpfung in der betreffenden Abstrahlrichtung führt. Da die vergleichsweise simplen passiven Dämpfungstechniken nicht in allen Frequenzbereichen effektiv anwendbar sind, bietet sich insbesondere in diesen Fällen häufig eine aktive Dämpfung mittels ANC an. Insbesondere im tiefen Frequenzbereich erfordert die passive Dämpfung große Mengen an passivem Schallabsorptionsmaterial, dicken Absorptionsschichten bzw. speziellen Strukturen, was zu hohen Kosten und zusätzlichem Gewicht führt und besonders bei mangelnden Platzverhältnissen keine gangbare Lösung mehr darstellt. In diesen Fällen kann eine aktive Dämpfung vorteilhaft sein. Insbesondere die Kombination solcher aktiver Dämpfungsmaßnahmen mit einer zusätzlichen passiven Dämpfung ist dabei äußerst effektiv und führt zu guten Ergebnissen. Das ANC-Prinzip kann zudem auch in vorteilhafter Weise in der Hauptabstrahlrichtung zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik, beispielsweise zur Reduktion von unerwünschten seitlichen Übersprecheffekten bei der Einzelplatzbeschallung, Anwendung finden. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass im Falle der aus dem Dachhimmel ausklappbaren Variante des Flächenlautsprechers die aktiven Dämpfungsmaßnahmen sowohl in der hochgeklappten Position des bzw. der Flächenlautsprecher im Dachhimmel als auch in der heruntergeklappten Position eingesetzt werden können.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Erzeugung des gegenphasigen Signals in Abhängigkeit eines von einem Mikrofon erfassten Schallsignals des mindestens einen Lautsprechers und/oder in Abhängigkeit eines mittels des Audio-Prozessors aufbereiteten Signals zur Ansteuerung des mindestens einen Lautsprechers. Die Ansteuerung des weiteren Lautsprechers zur Erzeugung des gegenphasigen Signals kann dabei zum einen adaptiv mit Hilfe eines Mikrofons, durch welches das abgestrahlte Schallsignal des (Haupt-)Lautsprechers erfasst wird, erfolgen. Dieses Vorgehen erfordert zwar zusätzlichen Hardwareaufwand, ist jedoch vergleichsweise einfach und preisgünstig zu realisieren. Zudem können dabei insbesondere die tatsächlichen Abstrahlverhältnisse im Rahmen eines geschlossenen "Feedback"-Regelkreises bestmöglich berücksichtigt werden, da mittels des Mikrofons eine Erfassung des vom mindestens einen (Haupt-)Lautsprecher tatsächlich abgestrahlten Schalls und eine Erzeugung eines darauf basierenden "Fehlersignals" erfolgt, welches in die Regelung einfließt. Andererseits kann jedoch die Ansteuerung des weiteren Lautsprechers zur Erzeugung des gegenseitigen Signals auch unmittelbar auf Basis des aufbereiteten Signals zur Ansteuerung des mindestens einen (Haupt-)Lautsprechers erfolgen, welches dann als Referenzsignal dient. Ist die Abstrahlcharakteristik bzw. Übertragungsfunktion des (Haupt-)Lautsprechers bekannt, so kann vorzugsweise mittels des Audio-Prozessors aus dem gesendeten Referenzsignal des (Haupt-)Lautsprechers im Rahmen einer vorwärtsgekoppelten "Feedforward"-Regelung, d.h. ohne Nutzung des Fehlersignals, das zur aktiven Dämpfung notwendige "Gegensignal" berechnet werden. Es ist des Weiteren auch vorstellbar, die Ansteuerung des weiteren Lautsprechers anhand einer Kombination aus feedback- und feedforward-Regelung, d.h. in Abhängigkeit des vom Mikrofon abgegebenen Fehlersignals und des aufbereiteten Referenzsignals zur Steuerung des (Haupt-)Lautsprechers zu betreiben, um eine möglichst effiziente aktive Dämpfung zu erzielen. Die Realisierung des Reglers ist dabei sowohl in analoger als auch digitaler Funktionsweise denkbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Mikrofon als elektrostatisches Flächenmikrofon ausgebildet. Zu diesem Zwecken kann die weitere vorteilhafte Eigenschaft elektrostatischer Lautsprecher ausgenutzt werden, dass diese relativ einfach auch als Mikrofon, d.h. zur Wandlung von Schalldrucken in ein elektrisches Signal, betrieben werden können. Wird an die porösen Schichten elektrostatischer Lautsprecher keine Signalspannung aktiv angelegt, so führt eine einfallende Schallwelle zu einer Auslenkung der Kunststoffschicht, was eine Spannungsänderung an den Elektroden der porösen Schichten zur Folge hat, welche als Signalspannung abgreifbar ist. Daher ist es in einfacher Weise möglich, die elektrostatischen Lautsprecher wechselweise auch als Mikrofon, z.B. für die Freisprechanlage oder zur fahrzeuginternen Kommunikation zwischen verschiedenen Insassen, zu betreiben. Somit eröffnet sich aufgrund der flachen Bauweise der Elektrostaten die Möglichkeit der Nutzung von Richtmikrofonen auch im begrenzten Innenraum eines Kraftfahrzeugs.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der mindestens eine Lautsprecher und der mindestens eine weitere Lautsprecher als elektrostatische Flächenlautsprecher ausgebildet, wobei der jeweils eine als Flächendipol und der jeweils andere als Flächenmonopol ausgebildet ist. Elektrostatische Flächenlautsprecher können sowohl als Flächenmonopol- als auch als Flächendipol-Lautsprecher betrieben werden. Unter einem Flächendipol ist dabei ein Flächenlautsprecher zu verstehen, dessen Richtcharakteristik eine Abstrahlung des Schalls mit sich bringt, die in beiden Richtungen senkrecht zur Lautsprecheroberfläche gegenphasig erfolgt. Unter einem Flächenmonopol ist hingegen ein Flächenlautsprecher zu verstehen, dessen Richtcharakteristik eine Abstrahlung des Schalls mit sich bringt, die in beiden Richtungen senkrecht zur Lautsprecheroberfläche gleichphasig erfolgt. Ein Flächenmonopol kann beispielsweise mittels eines sog. Multilayer-Panels erzeugt werden, welches einem aus mehreren Schichten sowie Membranen zusammengesetzten elektrostatischen Flächenlautsprecher entspricht. Für die bereits oben beschriebene aktive Dämpfung mittels ANC ist es besonders vorteilhaft, wenn jeweils einer der beiden verwendeten Lautsprecher als Flächendipol und der jeweils andere als Flächenmonopol ausgebildet ist, da dann eine Auslöschung lediglich in einer Abstrahlrichtung erfolgt. Dabei ist darauf zu achten, dass jeweils diejenige Seite der beiden Lautsprecher, die die zum anderen Lautsprecher unterschiedliche Phase aufweist, in die der Hauptabstrahlrichtung entgegengesetzten Richtung ausgerichtet ist, damit die Dämpfung mittels Phasenauslöschung nur in dieser Richtung erfolgt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine weitere Lautsprecher als aktiver Reflektor ausgebildet. Ist jeweils einer der beiden verwendeten Lautsprecher als Flächendipol und der jeweils andere als Flächenmonopol ausgebildet, so erfolgt dann eine Auslöschung lediglich in einer der Abstrahlrichtungen, nämlich die, in der die beiden Lautsprecher mit unterschiedlicher Phase abstrahlen, wobei diese Abstrahlrichtung vorzugsweise der Hauptabstrahlrichtung entgegengesetzt ist. Da dann demgegenüber in Hauptabstrahlrichtung beide Lautsprecher zueinander gleichphasig abstrahlen, kann der in "Wunschrichtung" abgestrahlte Schalldruck dadurch sogar maximal verdoppelt werden, da sich die gleichen Phasen in Hauptabstrahlrichtung überlagern und somit verstärken. Es handelt sich bei dieser Anordnung daher um einen sog. "aktiven Reflektor".
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine Lautsprecher als Mikrofon und/oder als akustisches Dämpfungselement einsetzbar. Neben der bereits oben beschriebenen vorteilhaften Eigenschaft von elektrostatischen Lautsprechern, in vergleichsweise einfacher Weise auch als Mikrofon betrieben werden zu können, können diese auch aufgrund ihrer flachen Bauweise, der porösen Schichten sowie des in ihnen enthaltenen Luftvolumens gleichzeitig als Dämpfungselemente Verwendung finden. Dies bietet sich insbesondere in der am Dachhimmel angebrachten klappbaren Variante an, wenn die Lautsprecher sich in der nach oben geklappten Position befinden. Auch ist eine zusätzliche Verwendung als thermisches Isolationselement, als mechanischer Stabilisator sowie als elastisches Federungselement vorstellbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine Lautsprecher als Projektionsfläche für die Darstellung visueller Information einsetzbar. Da in Kraftfahrzeugen in zunehmendem Maße visuelle Infotainment-Applikationen wie z.B. TV-, Video- bzw. DVD-Systeme Anwendung finden, können für diese vorzugsweise Flächenlautsprecher neben ihrer Schallabstrahlungsfunktion gleichzeitig als Bildprojektionsfläche dienen. Hierfür sind insbesondere Flächenlautsprecher mit heller bzw. weißer Außenfläche vorteilhaft. Insbesondere in Verbindung mit der am Dachhimmel angebrachten klappbaren Variante der elektrostatischen Flächenlautsprecher lässt sich somit in platzsparender Weise eine vorteilhafte Doppelnutzung der Flächenlautsprecher erreichen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eine Frequenzweiche zur Auftrennung der Frequenzanteile der vorzunehmenden Beschallung vorgesehen und zumindest die tiefen Frequenzanteile sind über einen separaten Sub-Woofer und/oder Bass-Shaker abstrahlbar. Da elektrostatische Flächenlautsprecher insbesondere in den höheren Frequenzbereichen ein überzeugendes Klangverhalten bieten, während sie die tieferen Frequenzanteile häufig nicht in gleicher Weise mit ausreichender Schallleistung bzw. -qualität reproduzieren können, ist es sinnvoll, für ein vollständiges Klangbild die tiefen Frequenzanteile separat mittels dafür besser geeigneter Mittel einzustrahlen. Dies kann z.B. mittels eines vorzugsweise an bzw. unter dem Fond-Sitz angeordneten Sub-Woofers und/oder Bass-Shakers erfolgen. Es ist zudem ebenfalls vorstellbar, dass dessen beispielsweise auf den Vordersitzen unerwünschterweise hörbare Schallanteile dort weiter vorzugsweise durch gegenphasig betriebene Lautsprecher aktiv gedämpft bzw. gegenphasig überlagert werden, um auch für die tiefen Frequenzen eine zumindest örtlich begrenzte Beschallung innerhalb des Fahrzeuginnenraums zu erzielen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lautsprecheranordnung in der Querschnittsansicht,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lautsprecheranordnung in der Querschnittsansicht,
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer in einem Fahrzeug montierten erfindungsgemäßen Lautsprecheranordnung in der Querschnittsansicht,
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer in einem Fahrzeug montierten erfindungsgemäßen Lautsprecheranordnung in der Draufsicht,
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer in einem Fahrzeug montierten erfindungsgemäßen Lautsprecheranordnung in der Draufsicht,
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung eines Flächenlautsprechers in der Querschnittsansicht (Stand der Technik),
    Fig. 7a
    eine schematische Darstellung eines Flächendipols,
    Fig. 7b
    eine schematische Darstellung eines Flächenmonopols und
    Fig. 8
    eine schematische Darstellung eines Multilayer-Panels in der Querschnittansicht.
  • Fig. 1 zeigt schematisch einen Flächenlautsprecher 2, wie er in einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lautsprecheranordnung 1 zur Anwendung kommt. Der elektrostatische Flächenlautsprecher 2 ist dabei mit einer unidirektionalen Abstrahlcharakteristik ausgebildet. Dazu wird der Schall nahezu ausschließlich in einer Hauptabstrahlrichtung 5 abgestrahlt, während er in der Richtung, die der erwünschten Hauptabstrahlrichtung 5 entgegengesetzt ist, abgedämpft wird. Zu diesem Zweck weist der Flächenlautsprecher 2 sowohl Mittel zur aktiven als auch zur passiven Dämpfung der Schallabstrahlung in der der Hauptabstrahlrichtung 5 entgegengesetzten Abstrahlrichtung auf. Der elektrostatische Flächenlautsprecher 2 ist zudem von mindestens einem Audio-Prozessor (nicht dargestellt) ansteuerbar. Die Mittel zur passiven Dämpfung der Schallabstrahlung sind dabei als zumindest schwach schalldämmende Schicht 6 an der der Hauptabstrahlrichtung 5 abgewandten Seite des Flächenlautsprechers 2 ausgebildet. Dazu ist das Rückvolumen des Flächenlautsprechers 2 bzw. der Lautsprecheranordnung 1 auf der der Hauptabstrahlrichtung 5 abgewandten Seite durch die schwach schalldämmende Schicht 6, die beispielsweise aus Mineralwolle ausgebildet sein kann, zumindest an den Rändern akustisch wenigstens schwach bedämpft. Des Weiteren sind die Mittel zur aktiven Dämpfung der Schallabstrahlung als eine Vorrichtung zur aktiven Schallauslöschung ausgebildet. Dazu ist ein ebenfalls als elektrostatischer Flächenlautsprecher ausgebildeter Sekundärlautsprecher 8 als weiterer Lautsprecher vorgesehen, welcher die Abstrahlung von Schall in die der Hauptabstrahlrichtung 5 entgegengesetzte Richtung aktiv dämpft. Die aktive Dämpfung erfolgt dabei nach dem Prinzip der "Active Noise Cancellation" (ANC), d.h. es erfolgt eine aktive Schallauslöschung durch Erzeugen eines Schallsignals mittels des Sekundärlautsprechers 8, welches gegenphasig zu dem vom Flächenlautsprecher 2 entgegen der Hauptabstrahlrichtung 5 abgestrahlten Schallsignal ist. Dadurch löschen sich dann im Idealfall die Schallamplituden der gegensätzlichen Phasen in der der Hauptabstrahlrichtung 5 entgegengesetzten Richtung gegenseitig nahezu völlig aus, was zu einer aktiven Schalldämpfung in dieser Richtung führt, weswegen lediglich eine Hauptschallamplitude 4 in der Hauptabstrahlrichtung 5 erhalten bleibt und vom Flächenlautsprecher 2 als Schall nach außen abgegeben wird. Dazu wird zunächst ein gegenphasiges Signal 15 erzeugt, welches gegenphasig zu einem Nutzsignal 12 ist, mit dem der elektrostatische Flächenlautsprecher 2 angesteuert wird. Mit diesem gegenphasigen Signal 15 wird dann der Sekundärlautsprecher 8 angesteuert. Die Erzeugung des gegenphasigen Signals 15 erfolgt dabei mittels eines Reglers 10, der vorzugsweise Bestandteil des (nicht dargestellten) Audio-Prozessors ist. Die Erzeugung kann dabei zum einen in Abhängigkeit eines von einem Mikrofon 11 erfassten Schallsignals des Flächenlautsprechers 2 erfolgen. Dazu ist an der Rückseite des Sekundärlautsprechers 8 das als elektrostatisches Flächenmikrofon ausgebildete Mikrofon 11 vorgesehen. Die Ansteuerung des Sekundärlautsprechers 8 zur Erzeugung des gegenphasigen Schallsignals erfolgt dann adaptiv mit Hilfe des Mikrofons 11, durch welches das entgegen der Hauptabstrahlrichtung 5 abgestrahlte Schallsignal des Flächenlautsprechers 2 erfasst wird. Mittels des Mikrofons 11 erfolgt nach der Erfassung des vom Flächenlautsprecher 2 tatsächlich abgestrahlten Schalls die Erzeugung eines darauf basierenden Fehlersignals 14, welches dann an den Regler 10 übermittelt wird und als Stellgröße in die Regelung einfließt. Dies entspricht dann einem geschlossenen "Feedback"-Regelkreis. Andererseits kann jedoch die Ansteuerung des Sekundärlautsprechers 8 zur Erzeugung des gegenphasigen Schallsignals auch unmittelbar auf Basis des aufbereiteten Nutzsignals 12 zur Ansteuerung des Flächenlautsprechers 2 erfolgen, welches dann als Referenzsignal 13 für die Regelung dient. Ist die Abstrahlcharakteristik bzw. Übertragungsfunktion des Flächenlautsprechers 2 bekannt, so kann mittels des Reglers 10 aus dem gesendeten Referenzsignal 13 im Rahmen einer vorwärtsgekoppelten "Feedforward"-Regelung, d.h. ohne Nutzung des Fehlersignals 14, das zur aktiven Dämpfung notwendige gegenphasige Signal 15 berechnet werden. Im vorliegenden Falle erfolgt die Ansteuerung des Sekundärlautsprechers 8 anhand einer Kombination aus feedback- und feedforward-Regelung. Um sicherzustellen, dass lediglich die unerwünschten Schallamplituden des Flächenlautsprechers 2, die entgegen der Hauptabstrahlrichtung 4 abgestrahlt werden, mittels ANC ausgelöscht werden, sind der Flächenlautsprecher 2 und der Sekundärlautsprecher 8 beide als elektrostatische Flächenlautsprecher ausgebildet, wobei der jeweils eine als Flächendipol 20 und der jeweils andere als Flächenmonopol 21 (vgl. Fig. 7a und 7b) ausgebildet ist. Dabei ist jeweils diejenige Seite der beiden Lautsprecher, die die zum anderen Lautsprecher unterschiedliche Phase aufweist, in die der Hauptabstrahlrichtung 5 entgegengesetzten Richtung ausgerichtet, damit die Dämpfung mittels Phasenauslöschung nur in dieser Richtung erfolgt. Da demgegenüber in Hauptabstrahlrichtung 5 dann Flächenlautsprecher 2 und Sekundärlautsprecher 8 zueinander gleichphasig abstrahlen, kann der Schalldruck der in Hauptabstrahlrichtung 5 abgestrahlten Hauptschallamplitude 4 dadurch sogar maximal verdoppelt werden, d.h. der Sekundärlautsprecher 8 wirkt als aktiver Reflektor. Der die Charakteristik eines Flächenmonopols 21 aufweisende Lautsprecher kann dabei beispielsweise als Multilayer-Panel 30 (vgl. Fig. 8) ausgebildet sein.
  • Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lautsprecheranordnung 1 in der Querschnittsansicht, wobei auch hier der elektrostatische Flächenlautsprecher 2 mit einer unidirektionalen Abstrahlcharakteristik ausgebildet ist. Zum Zweck des Unterbindens einer bidirektionalen Schallabstrahlung weist der Flächenlautsprecher 2 hier jedoch lediglich Mittel zur passiven Dämpfung der Schallabstrahlung in der der Hauptabstrahlrichtung 5 entgegengesetzten Abstrahlrichtung auf, welche als schalldämmende Schicht 7 sowie einen schallharten Abschluss 9 an der der Hauptabstrahlrichtung 5 abgewandten Seite des Flächenlautsprechers 2 ausgebildet sind. Dabei ist auf der der Hauptabstrahlrichtung 5 abgewandten Seite das Rückvolumen des Flächenlautsprechers 2 durch die schalldämmende Schicht 7, die beispielsweise aus Mineralwolle ausgebildet sein kann, akustisch möglichst stark bedämpft sowie durch den möglichst schallharten Abschluss 9 nach außen begrenzt. Aufgrund der schalldämmenden Schicht 7 und dem schallharten Abschluss 9 werden die vom Flächenlautsprecher 2 in der der Hauptabstrahlrichtung 5 entgegengesetzten Richtung abgegebenen Schallamplituden nahezu völlig gedämpft bzw. in die entgegengesetzte Richtung reflektiert, was zu einer passiven Schalldämpfung in dieser Richtung führt, weswegen lediglich eine Hauptschallamplitude 4 in der Hauptabstrahlrichtung 5 erhalten bleibt und vom Flächenlautsprecher 2 als Schall nach außen abgegeben wird.
  • Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer in einem Kraftfahrzeug montierten erfindungsgemäßen Lautsprecheranordnung 1 schematisch in der Querschnittsansicht. Die Lautsprecheranordnung 1 weist dabei mindestens einen elektrostatischen Flächenlautsprecher 2 mit unidirektionaler Abstrahlcharakteristik auf, der Mittel zur aktiven und/oder passiven Dämpfung der Schallabstrahlung in eine der Hauptabstrahlrichtung 5 entgegengesetzten Abstrahlrichtung aufweist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Flächenlautsprecher 2 gemäß den in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Varianten handeln. Der Flächenlautsprecher 2 ist dabei ausklappbar am Dachhimmel 27 eines lediglich stilisiert dargestellten Kraftfahrzeugs angeordnet, wie durch den Doppelpfeil und die halb bzw. ganz ausgeklappte Position angedeutet. Auf diese Weise kann z.B. für einen Insassen 19b im Fond des Fahrzeugs der Flächenlautsprecher 2 zur Benutzung heruntergeklappt und in die akustisch optimale Position gebracht werden, so dass der heruntergeklappte Flächenlautsprecher 2 das Audiosignal entsprechend seiner ausgeprägten Richtcharakteristik optimal und direkt von vorne, das heißt in der Hauptabstrahlrichtung 5, auf den Insassen 19b abstrahlen kann. Der auf dem Rücksitz 18 befindliche Insasse 19b kann somit individuell beschallt werden, ohne dass ein auf dem Vordersitz 17 befindlicher Insasse 19a, der z.B. als Fahrer das Lenkrad 16 zu bedienen hat, beschallt wird. Wird der Flächenlautsprecher 2 nicht mehr benötigt, so kann er wieder nach oben in die Ruheposition im Dachhimmel 27 geklappt werden und nimmt somit keinen zusätzlichen Raum mehr in Anspruch bzw. stört nicht die freie Sicht des Insassen 19b. Der Flächenlautsprecher 2 ist dabei vorzugsweise in seiner hochgeklappten Stellung auch als Mikrofon und/oder als akustisches Dämpfungselement einsetzbar. In der heruntergeklappten Position dient der Flächenlautsprecher 2 neben seiner Schallabstrahlungsfunktion gleichzeitig auch als Bildprojektionsfläche 23 für visuelle Infotainment-Applikationen wie z.B. TV-, Video- bzw. DVD-Systeme. Zu diesem Zweck ist der Flächenlautsprecher 2 vorzugsweise mit einer hellen bzw. weißen Außenfläche versehen. Da der elektrostatische Flächenlautsprecher 2 lediglich in den höheren Frequenzbereichen ein überzeugendes Klangverhalten bietet, während die tieferen Frequenzanteile nicht mit ausreichender Schallleistung bzw. -qualität abgestrahlt werden, ist vorzugsweise eine Frequenzweiche (nicht dargestellt) zur Auftrennung der Frequenzanteile der vorzunehmenden Beschallung vorgesehen und zumindest die tiefen Frequenzanteile sind über einen separaten Shaker 25, der vorzugsweise unter dem Rücksitz 18 angeordnet ist, abstrahlbar.
  • Fig. 4 und Fig. 5 zeigen zwei Varianten der in Fig. 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der in einem Fahrzeug montierten erfindungsgemäßen Lautsprecheranordnung 1 in der Draufsicht. Dabei ist zu erkennen, dass die aus dem Dachhimmel 27 (vgl. Fig. 3) heruntergeklappten Flächenlautsprecher 2 aufgrund ihrer unidirektionalen Richtcharakteristik ihr jeweiliges Audiosignal direkt von vorne, d.h. in Hauptabstrahlrichtung 5 auf die Insassen 19b, 19c auf den Rücksitzen 18 des Fahrzeugs abstrahlen. Aufgrund der Mittel zur aktiven und/oder passiven Dämpfung der Schallabstrahlung in der der Hauptabstrahlrichtung 5 entgegengesetzten Richtung strahlen die Flächenlautsprecher 2 jedoch keinen Schall auf die auf den Vordersitzen 17 befindlichen Insassen 19a, 19d ab. Durch eine geeignete Positionierung der Lautsprecheranordnung 1 im Innenraum des Fahrzeugs können dann Raumklangeffekte wie beispielsweise Stereoklang bzw. "Virtual Dolby Surround" oder eine Wellenfeldsynthese erzielt werden. Da die in Fig. 4 und 5 dargestellte Lautsprecheranordnung 1 aus jeweils mindestens zwei benachbarten Flächenlautsprechern 2 gebildet wird, ist vorstellbar, dass diese mittels unterschiedlicher komplexer Übertragungsfunktionen zur Einstellung einer bestimmten Abstrahlcharakteristik ansteuerbar sind. Mittels dieser komplexer Übertragungsfunktionen kann ein Richtlautsprecher, d.h. eine in unterschiedliche Raumrichtungen unterschiedlich abstrahlende Schallquelle mit einer Hauptkeule im Winkel von 0°, über die gesamte Audiofrequenz eingestellt werden, um beispielsweise Nebenkeulen, die zu einem Übersprechen zu den benachbarten Fahrzeugsitzen führen, zu vermeiden. Auf diese Weise wird für die Insassen 19b und 19c jeweils eine individuelle Einzelplatzbeschallung innerhalb des Fahrzeuginnenraums ermöglicht. Bei der in Fig. 4 dargestellten Lautsprecheranordnung 1 sind die Flächenlautsprecher 2 jeweils separat angeordnet. Aus diesem Grund ist dort auch für beide Insassen 19a, 19d eine gemeinsame, von den Flächenlautsprechern 2 separate ausklappbare Bildprojektionsfläche für DVD-/Video-/TV-Infotainmentfunktionen vorgesehen. In der in Fig. 5 dargestellten Variante sind die Flächenlautsprecher 2 in einer gemeinsamen ausklappbaren Fläche integriert, weswegen diese gleichzeitig auch als Bildprojektionsfläche 23 für DVD-Nideo-/TV-Entertainment genutzt werden kann.
  • Fig. 6 zeigt schematisch einen hinsichtlich des Funktionsprinzips bereits aus dem Stand der Technik bekannten gattungsgemäßen elektrostatischen Flächenlautsprecher 2a ohne unidirektionale Abstrahlcharakteristik in der Querschnittsansicht. Elektrostatische Lautsprecher funktionieren prinzipiell, indem sich eine elektrisch geladene möglichst leichte Kunststoffmembran 31 in einem elektrischen Feld bewegt. Dieses elektrische Feld wird im Allgemeinen durch ein Tonsignal 32 mit der Folge moduliert, dass die Kunststoffmembran 31 den Ton als Schall abstrahlt. Die Kunststoffmembran 31 muss dabei derart angespannt sein, dass eine lineare Übertragung und eine gute Beweglichkeit, d.h. insbesondere ausreichende Amplituden und geringe Dämpfung, gewährleistet sind und die Ausbildung von Membraneigenmoden unterdrückt werden. Dies wird erreicht, indem die isolierte Kunststoffmembran 31 zwischen zwei filzartige poröse Schichten 34 gelegt wird, welche mit metallischen Oberflächen 35 beschichtet sind. Die porösen Schichten 34 und die Kunststoffmembran 31 kommen dabei im wesentlichen nur an bestimmten als Klebenaht 37 ausgebildeten Unterstützungsstellen miteinander in Kontakt, während an den anderen Stellen ein Luftspalt bzw. Hohlraum 33 zwischen den porösen Schichten 34 und der Kunststoffmembran 31 vorhanden ist. Die Kunststoffmembran 31 wird dann mit einer Bias-Gleichspannung 36 von 300-500 Volt belegt. Alternativ dazu kann die Kunststoffmembran 31 auch als Elektret ausgebildet sein, d.h. als ein elektrisch isolierendes Material, das an zwei gegenüberliegenden Flächen entgegengesetzte elektrische Ladungen trägt und somit ein permanentes elektrisches Feld in seiner Umgebung erzeugt. Zudem werden die metallischen Oberflächen 35 mit dem gegenphasigen elektrischen Tonsignal 32 beaufschlagt. Dabei wirken die filzartigen porösen Schichten 34 bzw. das in ihnen enthaltenen Luftvolumen sowohl als Dämpfer als auch als Stabilisator und als Federelement. Durch eine örtliche Variation dieser Eigenschaften kann die Richtcharakteristik des Flächenlautsprechers 2a weiter positiv beeinflusst werden. Außerdem wird dessen Richtcharakteristik durch seine Formgebung beeinflusst. In der dargestellten Form wirkt der elektrostatische Flächenlautsprecher 2a dann als bidirektionaler Lautsprecher bzw. als Flächendipol (vgl. Fig. 7a).
  • Fig. 7a und 7b stellen schematisch die Wirkungsweise von prinzipiell bereits aus dem Stand der Technik bekannten Flächendipolen bzw. -monopolen dar. Der in Fig. 7a dargestellte Flächendipol 20 besteht aus einem Flächenlautsprecher 2, dessen Richtcharakteristik eine Schallabstrahlung mit sich bringt, die in beiden Richtungen senkrecht zur Lautsprecheroberfläche gegenphasig erfolgt. D.h. in der einen Richtung wird das Schallsignal mit positiver Amplitude abgestrahlt, während simultan das gleiche Schallsignal in entgegengesetzter Richtung mit negativer Amplitude abgestrahlt wird. Der in Fig. 7b dargestellte Flächenmonopol 21 besteht ebenfalls aus einem Flächenlautsprecher 2, dessen Richtcharakteristik jedoch eine Schallabstrahlung mit sich bringt, die in beiden Richtungen senkrecht zur Lautsprecheroberfläche gleichphasig erfolgt. D.h., wenn in der einen Richtung das Schallsignal mit positiver Amplitude abgestrahlt, wird simultan das gleiche Schallsignal in entgegengesetzter Richtung ebenfalls mit positiver Amplitude abgestrahlt. Ein solcher Flächenmonopol 21 kann beispielsweise mittels eines in Fig. 8 dargestellten Multilayer-Panels 30 erzeugt werden, welches einem aus mehreren porösen Schichten 34 sowie Kunststoffmembranen 31 zusammengesetzten, mit Perforationen 38 versehenen elektrostatischen Flächenlautsprecher 2 entspricht. Die porösen Schichten 34 sind dabei jeweils mit metallischen Oberflächen 35 beschichtet. Die Unterstützungsstellen, an denen die Kunststoffmembranen 31 und die porösen Schichten 34 miteinander in Kontakt kommen, sowie die Perforationen 38 sind derart angeordnet, dass die gesamte Struktur des Multilayer-Panels 30 ihre Dicke verändern kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lautsprecheranordnung
    2, 2a
    Flächenlautsprecher
    4
    Hauptschallamplitude
    5
    Hauptabstrahlrichtung
    6
    schwach schalldämmende Schicht
    7
    schalldämmende Schicht
    8
    Sekundärlautsprecher
    9
    schallharter Abschluss
    10
    Regler
    11
    Mikrofon
    12
    Nutzsignal
    13
    Referenzsignal
    14
    Fehlersignal
    15
    gegenphasiges Signal
    16
    Lenkrad
    17
    Vordersitz
    18
    Rücksitz
    19a, b, c, d
    Insasse
    20
    Flächendipol
    21
    Flächenmonopol
    23
    Bildprojektionsfläche
    25
    Shaker
    27
    Dachhimmel
    30
    Multilayer-Panel
    31
    Kunststoffmembran
    32
    elektrisches Tonsignal
    33
    Hohlraum
    34
    poröse Schicht
    35
    metallische Oberfläche
    36
    Bias-Gleichspannung
    37
    Klebenaht
    38
    Perforationen

Claims (13)

  1. Lautsprecheranordnung (1) zur Beschallung in einem Kraftfahrzeug, umfassend mindestens einen Lautsprecher, der von mindestens einem Audio-Prozessor ansteuerbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Lautsprecher als mindestens ein elektrostatischer Flächenlautsprecher (2) mit unidirektionaler Abstrahlcharakteristik ausgebildet ist, wobei der Flächenlautsprecher (2) Mittel zur aktiven und/oder passiven Dämpfung der Schallabstrahlung in eine einer Hauptabstrahlrichtung (5) entgegengesetzten Abstrahlrichtung aufweist.
  2. Lautsprecheranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lautsprecher verschwenkbar im Innenraum eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
  3. Lautsprecheranordnung (1) nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lautsprecher ausklappbar am Dachhimmel (27) des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
  4. Lautsprecheranordnung (1) nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur passiven Dämpfung der Schallabstrahlung als mindestens eine schalldämmende Schicht (7) an der der Hauptabstrahlrichtung (5) abgewandten Seite des Lautsprechers ausgebildet sind.
  5. Lautsprecheranordnung (1) nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur aktiven Dämpfung der Schallabstrahlung als mindestens eine Vorrichtung zur aktiven Schallauslöschung ausgebildet sind, welche mindestens einen weiteren Lautsprecher umfasst, wobei die aktive Schallauslöschung durch Erzeugen eines Signals (15), das gegenphasig zum Signal des mindestens einen Lautsprechers ist, sowie durch Ansteuern des weiteren Lautsprechers mit dem gegenphasigen Signal (15) erfolgt.
  6. Lautsprecheranordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des gegenphasigen Signals (15) in Abhängigkeit eines von einem Mikrofon (11) erfassten Schallsignals des mindestens einen Lautsprechers und/oder in Abhängigkeit eines mittels des Audio-Prozessors aufbereiteten Signals zur Ansteuerung des mindestens einen Lautsprechers erfolgt.
  7. Lautsprecheranordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofon (11) als elektrostatisches Flächenmikrofon ausgebildet ist.
  8. Lautsprecheranordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lautsprecher und der mindestens eine weitere Lautsprecher als elektrostatische Flächenlautsprecher (2) ausgebildet sind, wobei der jeweils eine als Flächendipol (20) und der jeweils andere als Flächenmonopol (21) ausgebildet ist.
  9. Lautsprecheranordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Lautsprecher als aktiver Reflektor ausgebildet ist.
  10. Lautsprecheranordnung (1) nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lautsprecher als Mikrofon (11) und/oder als akustisches Dämpfungselement einsetzbar ist.
  11. Lautsprecheranordnung (1) nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lautsprecher als Projektionsfläche für die Darstellung visueller Information einsetzbar ist.
  12. Lautsprecheranordnung (1) nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Frequenzweiche zur Auftrennung der Frequenzanteile der vorzunehmenden Beschallung vorgesehen ist und zumindest die tiefen Frequenzanteile über einen separaten Sub-Woofer und/oder Bass-Shaker abstrahlbar sind.
  13. Verfahren zur Beschallung in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine Lautsprecheranordnung (1) mit mindestens einem Lautsprecher, der von mindestens einem Audio-Prozessor angesteuert wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Lautsprecher als mindestens ein elektrostatischer Flächenlautsprecher (2) ausgebildet ist, wobei der Flächenlautsprecher (2) mindestens Mittel zur aktiven Dämpfung der Schallabstrahlung in eine einer Hauptabstrahlrichtung (5) entgegengesetzten Abstrahlrichtung aufweist und die Mittel zur aktiven Dämpfung derart vom Audio-Prozessor angesteuert werden, dass die Beschallung unidirektional erfolgt.
EP06077114A 2005-12-05 2006-11-27 Lautsprecheranordnung zur Beschallung in einem Kraftfahrzeug Withdrawn EP1793646A3 (de)

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