WO2018011296A1 - Kompensationsmittel für ein lautsprechersystem - Google Patents

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WO2018011296A1
WO2018011296A1 PCT/EP2017/067603 EP2017067603W WO2018011296A1 WO 2018011296 A1 WO2018011296 A1 WO 2018011296A1 EP 2017067603 W EP2017067603 W EP 2017067603W WO 2018011296 A1 WO2018011296 A1 WO 2018011296A1
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sound
loudspeaker
distortion
signal component
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PCT/EP2017/067603
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Lorenz Betz
Maximilian Wolf
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H04S2400/11—Positioning of individual sound objects, e.g. moving airplane, within a sound field

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a compensation means for a loudspeaker system and a loudspeaker system, to a calculation unit and an associated method. Further embodiments relate to the control of a loudspeaker array or an array of actuators for Schallab- radiation.
  • Loudspeakers are electromechanical systems with non-linear properties.
  • the output signal eg diaphragm displacement, fast, sound pressure
  • the nonlinear behavior is expressed by nonlinear distortions.
  • Nonlinear distortions are signal components in the spectrum of the output signal that are not included in the spectrum of the input signal (eg harmonic distortion, intermodulation distortion). This creates an unwanted sound discoloration.
  • An additional signal is added to the input signal, which is compensated by the converter's own non-linear behavior.
  • the excitation signal of the loudspeaker thus consists of the input signal and a second control signal / compensation signal.
  • the added compensation signal can increase the electrical energy supplied to the loudspeaker and thus load it more heavily. As a result, the mechanical properties undergo a stronger aging process, and the thermal load is higher.
  • only those non-linearities caused by the electromechanical drive can be compensated, for example the nonlinear coupling / force factor between the electrical and mechanical side, or the effects of the nonlinear suspension (spring) of the diaphragm, but not nonlinearities other causes that only arise in the sound pressure eg Doppler distortions or nonlinearities in a resonator or high frequency horn.
  • the non-linear behavior of systems without their own drive can not be compensated with this approach z.
  • the prior art offers no approach to compensate for the distortion spectrum radiated by the passive membrane (s), since the passive membranes do not have their own drive. Therefore, there is a need for an improved approach.
  • the object of the present invention is to provide a concept for reducing the distortion signal component in the case of a sound pressure signal.
  • Embodiments of the present invention provide a speaker system compensation means comprising a first speaker group having at least one sound transducer.
  • the first loudspeaker group is designed to generate a first sound signal on the basis of an audio signal, wherein the sound signal comprises a useful signal component and a distortion signal component.
  • the distortion signal component usually results from nonlinearities in the generation of the useful signal by means of the one or more sound transducers of the first loudspeaker group.
  • the compensation means comprise at least a second group of loudspeakers having at least one sound transducer, wherein the second loudspeaker group is designed to generate a second sound signal based on a compensation signal which, when superposed with the first sound signal, contains the distortion signal component (ie the interference components or generally the unwanted components) , radiated sound components) compensated and / or reduced.
  • the compensation signal or control signal from the distortion signal component, z. B. by inversion derived.
  • Embodiments of the present invention is based on the finding that it is possible radiated sound pressure of a speaker or a group of multiple speakers, the so-called distortion signal component - ie an unwanted / unwanted radiated sound signal, such.
  • a background noise or noise - in the reproduction of a useful signal includes, can be optimized by an additional speaker or an additional group of speakers another sound signal is played, which is suitable to the distortions of the first volume Speakers or the first speaker group in the sound field to compensate in the sense of extinguish or reduce.
  • This second group of loudspeakers is controlled by a so-called compensation signal, which is dependent on the distortion spectrum of the loudspeaker or the loudspeaker group which radiates the actual audio signal.
  • a loudspeaker system which comprises the first loudspeaker group for generating the actual audio signal and the second loudspeaker group for generating the compensation signal.
  • the first and the second loudspeaker group are arranged relative to each other in accordance with exemplary embodiments in such a way that a superposition of the second sound signal relative to the first sound signal takes place in a space of the sound field generated.
  • the superposition takes place in the near field. This can be achieved, for example, by the first group of loudspeakers being separated from the second group of loudspeakers by a small distance, e.g. B. maximally 3 m or preferably at most 1 m are placed away from each other.
  • At least one sound transducer of the second loudspeaker group or the entire second loudspeaker group can be aligned with a sound field generated by the first loudspeaker group or with the sound field of the first loudspeaker group.
  • the superposition takes place in the near field, it should be mentioned that the particular advantage is that here the mode of operation of the concept is independent of the listening location, i. H. So that also in the far field with respect to the first (or on the second) speaker group an optimized listening experience takes place.
  • the particular advantage is that there is an optimization for just one listening position.
  • the loudspeaker group 2 may comprise a plurality of loud speakers and be configured to perform beamforming. In this case, it is then advantageously possible to determine the superimposition location exactly by means of the generated and aligned sound cones via the control of the loudspeakers of the second loudspeaker group.
  • a stereo sound field or a surround sound field can be generated by such a speaker system.
  • the first loudspeaker group according to this extended embodiment comprises at least two, or even more, channels. This embodiment is preferably in combination with the beam found forming approach.
  • the loudspeakers of the first loudspeaker group generate a plurality of sound fields
  • the loudspeakers of the second loudspeaker group are also formed in order to generate a plurality of sound fields.
  • a plurality of loudspeakers in the loudspeaker group 2 can be used.
  • the calculation unit also additionally comprises a signal analyzer, which is designed to analyze the first sound signal with respect to the useful signal component and the distortion signal component in order to extract the information about the distortion signal component.
  • the signal analyzer can compare the audio signal with the first sound signal.
  • the signal is usually with a pickup for the first signal, such. B. a microphone or general means for measuring the acceleration, the speed and / or the deflection of the membrane or generally the Schallabstrahl
  • the signal analyzer may also be configured to analyze the audio signal and to simulate the distortion signal component.
  • the information about the distortion signal component comprises information isolated from the useful signal. Both variants advantageously make it possible to determine the distortion signal component, with a more realistic result being obtained in the variant of analyzing the first sound signal, since the signal is analyzed among all influencing factors currently present.
  • the signal synthesizer is configured to invert the distortion signal component to obtain the compensation signal.
  • the signal synthesizer can be designed in accordance with further exemplary embodiments in order to determine the compensation signal taking into account the transfer function of the at least one sound transducer of the second loudspeaker group. This creates the advantage that any distortions of the second speaker group are already taken into account in advance.
  • Another embodiment provides the calculation unit with the signal synthesizer and optionally with the signal analyzer.
  • a method for generating a useful signal component comprises the steps of outputting the first sound signal and outputting the second sound signal, so that the second sound signal compensates or reduces the distortion signal component of the first sound signal when superposed with the first sound signal.
  • Another embodiment provides a method for calculating a compensation signal. This comprises the steps of determining a compensation signal based on information about a distortion signal component, which is included together with a useful signal component of a first sound signal that is generated by a first loudspeaker group on the basis of an audio signal. In the next step, the compensation or reduction of the distortion signal component is then performed by outputting the compensation signal component as a second sound signal in order to obtain the desired equalization / sound enhancement when superposed with the first sound signal.
  • the steps of the methods explained above or at least one or a few steps of the methods explained above can be carried out with the aid of a computer. Therefore, another embodiment provides a computer program with a program code for performing the method.
  • Fig. 1a is a schematic block diagram of a loudspeaker arrangement having a first and a second loudspeaker group according to a basic embodiment
  • Fig. 1b is a schematic flow diagram of a corresponding compensation method
  • a schematic block diagram for compensation of the non-linearity of a transducer / transducer group 1 by additional transducer / transducer group 2 according to an extended embodiment a schematic block diagram illustrating a basic configuration of a narrow band active noise control system
  • a schematic representation of simulated isobars of two antiphase converter at different distances
  • 3a, b are schematic diagrams of amplitude spectra illustrating the reduction of harmonic distortions with the aid of the compensation means according to embodiments;
  • 4a, b are schematic diagrams of amplitude spectra illustrating the reduction of the harmonic distortion by compensation means according to embodiments.
  • 1 a shows a loudspeaker system 100 with a first loudspeaker 12 and a second loudspeaker 14.
  • the first loudspeaker 12 belongs to the first loudspeaker system. group and in this embodiment comprises two sound transducers 12a and 12b, wherein the second sound transducer is optional.
  • the second loudspeaker 14 in turn comprises two sound transducers, namely the sound transducers 14a and the optional sound transducers 14b.
  • the sound transducers 14a and 14b and the loudspeaker 14 belong to the second loudspeaker group. For example, both are juxtaposed and angled in such a way that, for example, they emit the sound into a common space, which is provided with the reference numeral 16.
  • both the first loudspeaker 12 or the sound transducers 12a and 12b and the second loudspeaker 14 or sound transducers 14a and 14b forward the first or the second sound signal (including all the considered components) to the front, ie emit over the front membrane of the transducers 12a, 12b, 14a and 14b.
  • the speaker 12 emits a sound signal 12e based on an audio signal 12s.
  • the sound signal 12e comprises on the one hand a useful signal 12n and on the other hand a distortion signal 12v.
  • the loudspeaker 14 of the second loudspeaker group serves to superimpose the sound signal 12e such that the distortion signal component 12v is reduced or removed.
  • the second group of loudspeakers transmits, on the basis of a compensation signal 14, a sound signal 14e which is suitable for reducing or eliminating the distortion signal component 12v when superposed with the signal 12e, and then obtaining the undistorted signal 12e + 14e as a result, which is comparable or similar to the useful signal 12n.
  • the compensation signal 14e may, for example, be an inverse of the distortion signal 12v.
  • the control signal 14s is derived, for example, from the sound signal 12e or the audio signal 12s.
  • the control signal for the compensation signal 14e may also be determined taking into account the transmission characteristic of the compensation loudspeaker, so that additional noise is not yet generated.
  • the superimposition of the signal 14e or 12e takes place in the space 16 or, to be more precise, according to embodiments in the near field of the two speakers 12 and 14.
  • the speakers 12 and 14 with a small distance , such as B. 1 m or a maximum of 3 m spaced apart from each other.
  • the sound signals 12e and 14e can then be superimposed in the near field, so that a distortion-reduced or distortion-free signal 12e + 14e can be perceived practically at each listening position in the space 16.
  • two formulas are known with which the maximum or frequency-dependent distance of the loudspeaker groups can be determined. The background is explained below:
  • the minimization of the harmonic interference signal by the equalizer loudspeaker represents a basic basic task of ANC systems.
  • the velocity of the equalizer loudspeaker must be proportional in amplitude to the relative distance of the far field position and produce a sound pressure signal which is 180 ° out of phase with the signal of the distorted loudspeaker when it reaches the far field position.
  • the question that arises here is how large the distance d between distorted and equalizer loudspeakers may be, in order to audibly reduce the nonlinearities not only at a certain point but at every point in the far field. To solve this problem, it is first necessary to apply a far-field approximation in the above equation.
  • Equation can be simplified to:
  • a loudspeaker-dependent upper limit frequency is also known, from which aliasing effects occur.
  • the arrangement of the loudspeakers equals a spatial sampling and the upper limit frequency f Alias is given with:
  • 300Hz was chosen as the examination frequency. It is to be expected that the influence of the transducer distances will be most clearly recognizable in the case of the harmonics to be compensated up to 1500 Hz.
  • the effectiveness of the multi-position method in the room was investigated by turning the loudspeaker array using a turning device. The measurements could thus be carried out at 0 °, 45 ° and 90 °.
  • the loudspeaker array was mounted so that the respective speaker combination lay on a horizontal line.
  • the following table shows the THD values and the corresponding THD reduction at different angles and different distances. Initially, the THD reduction of the D2Z, D3E transducer combination coincides with the original measurement. The THD reduction remains stable with this converter combination on the other microphone positions; at 45 °, the harmonic distortion reduction is even significantly higher at 18.6 dB.
  • the distance criterion applies to all points in the far field, but this does not coincide with the results of the measurement.
  • the purely theoretical consideration of the complete extinction while maintaining the distance criterion is based on the reduction of the radiation impedance. If it is equal to zero, the coupling of the mem brane fast to the surrounding air is prevented and the transducers do not radiate sound pressure into the far field. This eliminates an angle-dependent consideration in the theoretical ideal case. In the real measurement, the radiation resistance is not lowered to zero and part of the sound power is still emitted into the far field.
  • Fig. 2c the simulated isobars of two transducers are shown with the above-mentioned distances.
  • the measured directivity of the two transducers was included in the simulation.
  • the excitation of the transducers was simulated so that a converter completely out of phase so inversely to the second transducer emits sound.
  • This idealized simulation thus shows the radiated sound pressure in the far field of the transducer pair with an ideal control signal on the Entzerrlaut Maschinener. Blue to orange areas show the lowering of the sound pressure of the Zer Jardiners, red areas an increase in the sound pressure. With this representation, reference can be made to the aliasing frequency in loudspeaker arrays.
  • the aliasing frequencies for 4.3 cm to 4645Hz for 8.6 cm to 2323Hz and for 12.9 cm to 1549Hz From the isobars an increase of the sound pressure from 3350Hz / 4.3cm, 2100Hz / 8.6cm and 1250Hz / 12.9cm can be seen. These values are each slightly smaller than the calculated cutoff frequencies, but the results of the equation used represent a practical guideline value.
  • the isobars show well that a pronounced interference pattern is formed above the loudspeaker-dependent aliasing frequency.
  • the geometric distance ideally has only little influence on the reduction of harmonic distortions.
  • the weak effectiveness of the real converter pairs measured at different distances can be attributed to the fact that the phase position of the overtones to be canceled was not perfectly met, or the sound field is superimposed by additional components, for example by edge reflections.
  • a loudspeaker or loudspeaker array 12 generates harmonic distortions and intermodulation distortions 12v due to the non-linear characteristics of the specific transducer principle. If one places an equalizer loudspeaker or compensating loudspeaker 14 geometrically close to the single loudspeaker or loudspeaker array 12, a calculated control signal 14e can be emitted via the compensating loudspeaker 14, which deletes the distortion products in the sound field 16.
  • the extinction of the distortion products corresponds to a lowering of the radiation resistance (real part of the complex radiation impedance Re ⁇ Z ⁇ ) of the distorted single loudspeaker or loudspeaker array 12 in the frequency range in which the distortion products lie. This reduces or eliminates the radiation of distortion artifacts into the far field.
  • the mode of action is independent of the listening location. It should be noted that it is the preferred variant in the speaker system 100 that the two speakers 12 and 14 emit the sound 12e or 14e in approximately the same direction or are screwed to each other. Although it was assumed in the above embodiments of the speaker system 100, according to other embodiments, just the compensation means for another speaker system, which includes at least the speaker 12, are created. This compensation means is essentially formed by the loudspeaker 14 or generally the second loudspeaker group having at least one sound transducer 14a.
  • FIG. 1 b shows a method 100 which comprises the two basic steps 1 10 and 120.
  • the basic step 110 relates to the outputting of the first sound signal with the aid of the first loudspeaker group on the basis of the audio signal 12s.
  • the second sound signal is then output for compensation.
  • This second sound signal is based on the interference signal 14s.
  • the interference signal 14s is dependent on the audio signal 12s.
  • the method 100 may be supplemented by the method 200, the z. B. based on the audio signal 12s preferably in combination with the first sound signal, the compensation signal 14s determined.
  • the method 200 when considered separately, comprises the step of determining the compensation signal (see step 200) based on information about the distortion signal component and the step of compensating and / or reducing the distortion signal component when the compensation signal 14s is output as the second sound signal.
  • this second step is equivalent to step 120.
  • 2a shows the two loudspeaker groups 12 and 14 which emit the sound signals 12e (starting from the audio signal 12s) and 14e (starting from the control signal 14s), so that when superimposed (see overlay function Z or reference symbols fi2e + ie ) the distortion-corrected signal 12e + 14e takes place.
  • Z represents complex radiation impedance.
  • the signal 14e reduces the radiation resistance in the frequency range of signal 12v and thus prevents the radiation of 12v in the far field.
  • the control signal 14s for driving the second loudspeaker group 14 is generated by signal synthesis means 17. There are different approaches to this, how the signal 14s is calculated.
  • the input signal u or 12s is reproduced by the loudspeaker group 1 (cf., reference numeral 12) and results in a membrane rapid signal v or 12e.
  • This signal 12e is subjected to a signal analysis, in which the useful signal 12s is separated from the interference signal 12v.
  • a signal analyzer 19 is used, which is optionally coupled to a microphone 21 or another sound receiver, so that it can receive the signal 12e of the loudspeaker group 12.
  • another type of signal recording done, for. B. by a sensor on the membrane of the speaker of the speaker group 12 or by tapping the electrical signal of the speaker group 12.
  • the extraction of the output signal from the speakers or speaker group 1 can be done in different ways .
  • Further examples are the measurement of the acceleration, the fast, the deflection of the diaphragm, an airborne or structure-borne sound measurement or an electrical measurement at the speaker terminals.
  • the result of the signal analyzer 19 is information about the noise signal 12v.
  • This information is supplied to the signal synthesizer 12v, which then processes the noise signal 12v into a control signal c or 14s, respectively.
  • the processing may include, for example, an inversion.
  • the interference signal 14s or c is then reproduced by the loudspeakers of the loudspeaker group 2 (see reference numeral 14), so that the interference component from the loudspeakers or loudspeaker group 1 (see reference numeral 12) in the sound field p or 16 is reduced or completely extinguished becomes.
  • the signal synthesis can be realized for example by an inversion of the interference signal with inclusion of the transfer function of the compensation loudspeaker or the compensation of the loudspeaker group 2 (see reference numeral 14).
  • the signal analyzer 19 is not necessary, so that the signal synthesizer 17 receives the interference signal 12 v or, in general, information about the interference signal 12 v through modulation or simulation of the loudspeaker 12.
  • the compensation means in addition to the loudspeaker 14 of the second loudspeaker group comprise the signal nalsynthetisator 17 and, alternatively to the signal analyzer 19 a signal simulator (not shown).
  • This signal simulator can, for. B. based on the signal 12s and information about the speaker group 1 (see BZ 12) simulate or predict the interference signal 12v.
  • a useful output signal diaphragm excursion, fast, sound pressure Certainly is simulated and this prediction is analyzed by its distortion component.
  • the loudspeaker group 1 may also comprise a plurality of individual loudspeakers for different channels of a stereo application or surround sound application.
  • the loudspeaker group 2 then preferably includes the correspondingly assigned loudspeakers.
  • the channels can be assigned to different loudspeakers (spatially separated units) or even several channels can be reproduced via a loudspeaker (cf. Depending on the speaker group 2 is then divided into several individual speakers or a multi-channel speaker.
  • the loudspeaker group 1 can be designed to perform beamforming.
  • the loudspeaker group 2 is designed (operated) for beamforming
  • a loudspeaker system of the loudspeaker group 1 (with a plurality of loudspeakers, for example) can likewise be operated by means of beamforming.
  • the compensation of an audio signal reproduced by means of beamforming by a single loudspeaker of the loudspeaker group 2 is also possible.
  • a beam-forming technology can also be used at the same time. The other way around: If you use beamforming technology, I can also track the compensation approach with the number of converters.
  • FIG. 2a The schematic block diagram and the signal flow diagram of this method is outlined in FIG. 2a.
  • An audio signal represented by a voltage signal, is applied to a loudspeaker.
  • the linear complex transfer function Hlin describes the transformation from voltage to membrane velocity.
  • the non-linear transfer function H (x) denotes the deflection-dependent nonlinearities of the converter.
  • the measurement of the membrane velocity is fed to a signal analysis, which can separate the interference signal - ie the distortion products - from the useful signal.
  • This interference signal continues to exist as a fast signal.
  • This fast signal can be converted back into a voltage signal.
  • This time signal is inverted and fed to a second loudspeaker, the equalizer loudspeaker.
  • This method is adjacent to a subset of Active Noise Control (ANC) Narrowband Active Noise Control.
  • Active noise control involves the electro-acoustic generation of a sound field to extinguish an existing but unwanted sound field.
  • Narrow Band Active Noise Control Systems are concerned with the regulation of periodic spurious signals often emitted by rotating mechanical components such as motors or fans. The suppression of background noise is based on the principle of superposition; a control signal with the same amplitude but opposite phase is generated by an electroacoustic or electromechanical system and its sound radiation combined with the sound field of the source of interference. This results in an extinction of both sound fields.
  • FIG. 2b the basic principle of a narrow band ANC system is shown schematically.
  • a source of interference emits a periodic harmonic signal.
  • a non-acoustic sensor records a synchronization signal which is used in a signal generator to synthesize a reference signal x (n).
  • a digital filter generates from this reference signal the control signal y (n), which is reproduced via the control loudspeaker.
  • an error microphone can be used which measures the residual sound field and feeds it as an error signal e (n) to an adaptive algorithm. This adjusts the coefficients of the digital filter.
  • an error microphone can be used which measures the residual sound field and feeds it as an error signal e (n) to an adaptive algorithm. This adjusts the coefficients of the digital filter.
  • the method is limited to single sine tones or harmonic narrowband signals
  • the signal analysis separates the interference signal from the useful signal and generates the reference signal
  • Voltage signal generates the control signal.
  • a first speaker is stimulated with a tonal signal. It is possible to adapt the amplitude and phase of the excitation signal of a second loudspeaker to extinguish the sound pressure directly in front of the diaphragm of the first loudspeaker. Likewise, the first speaker extinguishes the sound pressure of the second speaker. There is no active power, there is only a pressure equalization between the two speakers instead; an acoustic short circuit is formed. The air is pushed back and forth blindly between the two loudspeakers, which creates a local sound pressure field between the loudspeaker diaphragms, but by lowering the real part of the radiation impedance no sound pressure is radiated into the far field. The radiation impedance is frequency-dependent.
  • the interference signal is thus composed of the sum of the overtones. Is the radiation impedance only in the frequency range above the Base frequency lowered, only the coupling of the harmonics is prevented. In the ideal case, the resulting sound pressure signal now only results in a signal which is in a linear relationship to the audio signal or voltage signal.
  • FIG. 3 a shows the amplitude spectrum of a single loudspeaker with a sinusoidal excitation of, for example, 170 Hz.
  • FIG. 3 b the amplitude spectrum of the distorted loudspeaker is shown with the sine excitation (170 Hz) with a second loudspeaker, via which a compensation signal is reproduced.
  • the combination of the two loudspeakers results in a reduction of the harmonic overtones (340 Hz, 510 Hz, 680 Hz, 850 Hz), from THD 28.8% (see Fig. 3a) to THD 6.0% (see Fig. 3b ).
  • THD Total Harmonie Distorsion
  • FIG. 4 a shows an amplitude spectrum of an array of 12 individual loudspeakers with a sine excitation of, for example, 200 Hz.
  • FIG. 4 b the resulting amplitude spectrum of the distorted loudspeaker array (see BZ 12) with sinusoidal excitation (200 Hz) with an additional thirteenth loudspeaker, via which a compensation signal is reproduced.
  • the additional loudspeaker is combined with the array there is a significant reduction of harmonic overtones (400 Hz, 600 Hz, 800 Hz and 1000 Hz), from THD 10.7% to THD 3.4%.
  • equalizer loudspeaker the converter D3E was chosen.
  • the twelve distortion loudspeakers are arranged around the equalizer loudspeaker.
  • the amplifier voltage has been adjusted so that the array of twelve transducers without equalizer at 200Hz reaches a THD value of 10%. This value is achieved by halving the previous voltage per single transducer and represents a burden for the converter, which he can survive unscathed even over a long period of operation.
  • the distortion factor of the loudspeaker array can be reduced by the equalizer speaker from 10.7% to 3.4%. This corresponds to a reduction of 10 dB.
  • the maximum distance between the equalizer and the distortion loudspeakers is 7,4 cm.
  • the transducer distance has a decisive influence on the effectiveness of the driving method. If the distance between the transducers is too long, different propagation times of distorted and equalizer loudspeakers result, depending on the listening location. As a result, higher order harmonics can be reduced inferior due to their shorter wavelength compared to lower orders.
  • the THD as the sole appraisal measure, is not sufficient, since it only reproduces the sum of the overtones, but not their relationship to one another.
  • the equalizer speaker will lower the THD value, but amplify individual harmonics and degrade the sound image.
  • the spatial sound radiation of the array of twelve loudspeakers was examined with an equalizer loudspeaker in the horizontal 0 ° plane.
  • the sound pressure level of the second and third harmonics is reduced by the equalizer loudspeaker largely independent of angle by about 10 dB.
  • the fourth harmonic shows a deviating behavior. Its sound pressure level does not seem to cancel itself out by the Entzerrlaut Maschinener, but rises even slightly. Again, this behavior is largely independent of the measurement angle, suggesting that the correct phase angle necessary for extinction has not been hit accurately enough.
  • the THD at 200 Hz can be reduced from 10.7% to 3.4% by adding an equalizer loudspeaker.
  • the following is a theoretical estimate of how many speakers are needed in an array without an additional equalizer speaker in order to achieve the same sound pressure level with the same THD value.
  • the array of twelve loudspeakers plus equalization loudspeakers achieves a sound pressure level of 81, 4 dB10 at 200 Hz excitation and 3.4% THD at a distance of 1.55 m. Without equalizer, the single transducer generates a maximum of 53.4 dB SPL1 1 at the same distance and 3.4% THD.
  • FIG. 5a shows a schematic diagram of an amplitude spectrum of a single loudspeaker in a two-sine excitation with, for example, 200 Hz and 5500 Hz.
  • the resulting amplitude spectrum of the single loudspeaker with an additional compensation loudspeaker is shown in Fig. 5b.
  • the use of the compensation means causes a reduction of IMD intermodulation distortion from 4.3% to IMD 1.2%.
  • the investigations with the model-based control signals show that the loudspeaker model taken from the specialist literature is too inaccurate to effect harmonic distortion reduction when excited with discrete sine tones. In the case of harmonic distortions, a reduction of 20% to 1-3% percent or an attenuation of at least 16 dB is achieved. Possibly, the adaptive tracking, which constantly renews the model parameters, can provide greater compensation despite the simple speaker model.
  • the following table shows the THD of the measured sound velocity of the distorted loudspeaker D2z alone and together with the control signal calculated on the basis of the rapid measurement, which was reproduced via the same transducer.
  • the second overtone is reduced less at 170 Hz and 200 Hz when the control signal is reproduced via the same converter D 2Z.
  • the reduction power of both methods is almost identical.
  • the lower reduction at 170Hz and 200Hz when the control signal is reproduced through the same transducer can be explained by the high deflection of the diaphragm at lower frequencies. It can also be read that the investigated miniature converter achieves a higher membrane deflection at 170 Hz and 200 Hz than at 300 Hz.
  • the converter generates higher non-linear distortions due to the higher deflection, which can be recognized by the increasing harmonic distortion.
  • the addition of the control signal to the excitation signal will result in peaks in the time signal depending on the phase position of the harmonics, which cause an even higher deflection and form new distortion products whose compensation is not provided by the actual control signal.
  • the converter already reaches its deflection limit and no longer has sufficient capacity or latitude to precisely reproduce the additional control signal.
  • the converter At the 300Hz tone, which the converter generates with less deflection, there is still enough deflection reserve to emulate the equalizer signal sufficiently.
  • the equalization method with additional equalizer loudspeakers makes sense as soon as the distorted loudspeaker is already operated close to its deflection limit.
  • the control signal can "about the same Zerrlaut Maschinener no longer be reproduced accurately enough.
  • the Zerrlaut Anlagener is in a less non-linear region, ie at low deflection, the new method offers no advantages over the prior art. Both methods are then able distortion products
  • the influence of propagation time differences at higher frequencies can be a disadvantage compared with the prior art.
  • the values for harmonic distortion can be reduced by up to 21 dB.
  • the distortion behavior of a transducer group consisting of twelve loudspeakers could be significantly improved by an equalizer loudspeaker.
  • Applications for the above-mentioned equalization are: loudspeaker / loudspeaker groupings, sound transducers, actuators, closed loudspeakers, ventilated loudspeakers, loudspeakers with one / several active and one / more passive diaphragms, structure-borne sound exciters, bass shakers, ultrasonic transducers, exciters, sound sources of all kinds
  • the term "speaker" mentioned in the text can generally be replaced by the terms listed here.
  • aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step , Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
  • Some or all of the method steps may be performed by a hardware device (or using a hardware device). Apparatus), such as a microprocessor, a programmable computer or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.
  • embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software.
  • the implementation may be performed using a digital storage medium, such as a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or FLASH memory, a hard disk, or other magnetic disk or optical memory are stored on the electronically readable control signals that can cooperate with a programmable computer system or cooperate such that the respective method is performed. Therefore, the digital storage medium can be computer readable.
  • embodiments according to the invention include a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is performed.
  • embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product runs on a computer.
  • the program code can also be stored, for example, on a machine-readable carrier.
  • inventions include the computer program for performing any of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium.
  • an exemplary embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has program code for carrying out one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
  • a further embodiment of the inventive method is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program is recorded for carrying out one of the methods described herein.
  • a further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals, which represent the computer program for performing one of the methods described herein.
  • the data stream or the sequence of signals may be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
  • Another embodiment includes a processing device, such as a computer or a programmable logic device, that is configured or adapted to perform one of the methods described herein.
  • Another embodiment includes a computer on which the computer program is installed to perform one of the methods described herein.
  • Another embodiment according to the invention comprises a device or system adapted to transmit a computer program for performing at least one of the methods described herein to a receiver.
  • the transmission can be done for example electronically or optically.
  • the receiver may be, for example, a computer, a mobile device, a storage device or a similar device.
  • the device or system may include a file server for transmitting the computer program to the recipient.
  • a programmable logic device eg, a field programmable gate array, an FPGA
  • a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform one of the methods described herein.
  • the methods are performed by any hardware device. This may be a universal hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the process, such as an ASIC.

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Abstract

Es werden Kompensationsmittel bereitgestellt für ein Lautsprechersystem, das eine erste Lautsprechergruppe mit mindestens einem Schallwandler umfasst, wobei die erste Lautsprechergruppe ausgebildet ist, um auf Basis eines Audiosignals ein erstes Schallsignal zu erzeugen, wobei das Schallsignal einen Nutzsignalanteil und einen Verzerrungssignalanteil umfasst. Die Kompensationsmittel umfassen eine zweite Lautsprechergruppe mit mindestens einem Schallwandler, wobei die zweite Lautsprechergruppe ausgebildet ist, um auf Basis eines Kompensationssignals ein zweites Schallsignal zu erzeugen, das bei Überlagerung mit dem ersten Schallsignal den Verzerrungssignalanteil kompensiert und/oder reduziert.

Description

KOMPENSATIONSMITTEL FÜR EIN LAUTSPRECHERSYSTEM
Beschreibung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Kompensationsmittel für ein Lautsprechersystem und ein Lautsprechersystem, auf eine Berechnungseinheit sowie ein zugehöriges Verfahren. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Ansteuerung eines Lautsprecher-Arrays bzw. eines Arrays von Aktoren zur Schallab- Strahlung.
Lautsprecher (Schallwandler, Aktoren) sind elektromechanische Systeme mit nichtlinearen Eigenschaften. Das Ausgangssignal (z. B. Membranauslenkung, -schnelle, Schalldruck) steht in einem nichtlinearen Verhältnis/Beziehung zum Eingangssignal (z. B. Spannung). Das nichtlineare Verhalten äußert sich durch nichtlineare Verzerrungen. Nichtlineare Verzerrungen sind Signalanteile im Spektrum des Ausgangssignals, die im Spektrum des Eingangssignals nicht enthalten sind (z. B. Harmonische Verzerrungen, Intermodulationsverzerrungen). Dadurch entsteht eine ungewollte Klangverfärbung. Im Stand der Technik kommen Verfahren aus der Regelungs- und Steuerungstechnik zum Einsatz. Dem Eingangssignal wird ein zusätzliches Signal hinzugefügt, welches durch das eigene nichtlineare Verhalten des Wandlers kompensiert wird. Das Anregungssignal des Lautsprechers besteht also aus dem Eingangssignal und einem zweiten Steuersignal/Kompensationssignal. Dies soll einen linearen Zusammenhang zwischen Ein- gangs- und Ausgangssignal bewirken. Das hinzugefügte Kompensationssignal kann die elektrische Energie, die dem Lautsprecher zugeführt wird erhöhen und ihn dementsprechend stärker belasten. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften einem stärkeren Alterungsprozess unterzogen, außerdem ist die thermische Belastung höher. Hierbei können auch nur diejenigen Nichtlinearitäten kompensiert werden, die durch den elektri- mechanischen Antrieb verursacht werden, also z.B. die nichtlineare Ankopp- lung/Kraftfaktor zwischen elektrischer und mechanischer Seite, oder die Auswirkungen der nichtlinearen Aufhängung (Feder) der Membran, nicht aber Nichtlinearitäten aufgrund anderer Ursachen, die erst im Schalldruck entstehen z.B. Dopplerverzerrungen oder Nichtlinearitäten in einem Resonator oder Hochtonhorn. Das nichtlineare Verhalten von Systemen ohne eigenen Antrieb kann mit diesem Ansatz nicht kompensiert werden z. B. für Lautsprecher mit einer oder mehreren Aktivmembranen und einer oder mehreren Passivmembranen bietet der Stand der Technik keinen Lösungsansatz, das von der/den Passivmembranen abgestrahlte Verzerrungsspektrum zu kompensieren, da die Passivmembrane über keinen eigenen Antrieb verfügen. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Konzept zu schaffen, um bei einem Schalldrucksignal den Verzerrungssignalanteil zu reduzieren.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Kompensationsmittel für ein Lautsprechersystem, das eine erste Lautsprechergruppe mit mindestens einem Schallwandler umfasst. Die erste Lautsprechergruppe ist ausgebildet, um auf Basis eines Audiosignals ein erstes Schallsignal zu erzeugen, wobei das Schallsignal einen Nutzsignalanteil und einen Verzerrungssignalanteil umfasst. Der Verzerrungssignalanteil resultiert im Regelfall aus Nichtlinearitäten bei der Erzeugung des Nutzsignals mittels der ein oder mehreren Schallwandler der ersten Lautsprechergruppe. Die Kompensationsmittel umfas- sen zumindest eine zweite Lautsprechergruppe mit mindestens einem Schallwandler, wobei die zweite Lautsprechergruppe ausgebildet ist, um auf Basis eines Kompensationssignals ein zweites Schallsignal zu erzeugen, das bei Überlagerung mit dem ersten Schallsignal den Verzerrungssignalanteil (d. h. also die Störanteile oder allgemein die ungewollten, abgestrahlten Schallanteile) kompensiert und/oder reduziert. Beispielsweise kann das Kompensationssignal (oder auch Controlsignal) aus dem Verzerrungssignalanteil, z. B. durch Inversion, abgeleitet werden. Dieser Ansatz bietet den Vorteil, dass so eine verbesserte Audiowiedergabe erreicht werden kann, da die Verzerrungsartefakte im Hörraum reduziert bzw. verhindert werden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, abgestrahlten Schalldruck eines Lautsprechers oder einer Gruppe von mehreren Lautsprechern, der einen sogenannten Verzerrungssignalanteil - also ein ungewolltes / ungewollt abgestrahltes Schallsignal, wie z. B. ein Nebengeräusch oder Störgeräusch - bei der Reproduktion eines Nutzsignals beinhaltet, optimiert werden kann, indem über einen zusätzlichen Lautsprecher bzw. eine zusätzliche Lautsprechergruppe ein weiteres Schallsignal wiedergegeben wird, das geeignet ist, um die Verzerrungen des ersten Laut- Sprechers bzw. der ersten Lautsprechergruppe im Schallfeld zu kompensieren, im Sinnen von auslöschen oder reduzieren. Diese zweite Lautsprechergruppe wird durch ein sog. Kompensationssignal gesteuert, das abhängig von dem Verzerrungsspektrum des Lautsprechers bzw. der Lautsprechergruppe, welche das eigentliche Audiosignal abstrahlt, ist.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Lautsprechersystem geschaffen, das die erste Lautsprechergruppe zur Erzeugung des eigentlichen Audiosignals sowie die zweite Lautsprechergruppe zur Erzeugung des Kompensationssignals umfasst. Die erste und die zweite Lautsprechergruppe sind entsprechend Ausführungsbeispielen derart relativ zueinander angeordnet, dass eine Überlagerung des zweiten Schallsignals gegenüber dem ersten Schallsignal in einem Raum des erzeugten Schallfeldes erfolgt. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen erfolgt die Überlagerung im Nahfeld. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die erste Lautsprechergruppe von der zweiten Lautsprechergruppe mit einem kleinen Abstand, z. B. maximal 3 m oder bevorzugterweise maximal 1 m entfernt voneinander aufgestellt sind. Weiter kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen mindestens ein Schallwandler der zweiten Lautsprechergruppe oder die gesamte zweite Lautsprechergruppe auf ein Schallfeld, das durch die erste Lautsprechergruppe erzeugt wird oder auch auf die Hörposition für das Schallfeld der ersten Lautsprechergruppe ausgerichtet sein. Bei dem Ausführungsbei- spiel, entsprechend welchem die Überlagerung im Nahfeld erfolgt, sei erwähnt, dass der besondere Vorteil darin besteht, dass hier die Wirkungsweise des Konzepts unabhängig vom Hörort ist, d. h. also dass auch im Fernfeld in Bezug auf die erste (oder auf die zweite) Lautsprechergruppe ein optimiertes Hörerlebnis erfolgt. Bei dem Ausführungsbeispiel, entsprechend welchem die Überlagerung so ausgelegt ist, dass diese bevorzugterweise an der Hörposition erfolgt, sei erwähnt, dass hier der besondere Vorteil darin besteht, dass eine Optimierung für eben eine Hörposition vorliegt.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Lautsprechergruppe 2 eine Mehrzahl an Lautsprechern umfassen und ausgebildet sein, um Beamforming zu betrei- ben. Hierbei ist es dann vorteilhafterweise möglich, den Überlagerungsort mittels der erzeugten und ausgerichteten Schallkegeln exakt über die Ansteuerung der Lautsprecher der zweiten Lautsprechergruppe zu bestimmen. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann durch ein derartiges Lautsprechersystem ein Stereoschallfeld oder ein Raumklangschallfeld erzeugt werden. Das heißt also, dass die erste Lautsprechergruppe entspre- chend diesem erweiterten Ausführungsbeispiel mindestens zwei, oder sogar mehr Kanäle umfasst. Dieses Ausführungsbeispiel ist bevorzugterweise in Kombination mit dem Beam- formingansatz anzutreffen. Alternativ wäre es auch denkbar, dass, wenn beispielsweise die Lautsprecher der ersten Lautsprechergruppe eine Mehrzahl an Schallfeldern erzeugen, auch die Lautsprecher der zweiten Lautsprechergruppe ausgebildet sind, um eine Mehrzahl an Schallfeldern zu erzeugen. Hierzu kann beispielsweise eine Vielzahl an Lautsprecher in der Lautsprechergruppe 2 eingesetzt werden. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wäre es denkbar, dass es eine 1 :1 Zuordnung zwischen einem Lautsprecher der ersten Lautsprechergruppe und einem Lautsprecher der zweiten Lautsprechergruppe gibt. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Berechnungseinheit. Diese umfasst entsprechend Ausführungsbeispielen einen Signalsynthetisator, der ausgebildet ist, um ausgehend von einer Information über den Verzerrungssignalanteil das Kompensationssignal zu ermitteln bzw. zu erzeugen. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Berechnungseinheit auch noch zusätzlich einen Signalanalysator, der ausgebil- det ist, um das erste Schallsignal hinsichtlich des Nutzsignalanteils und des Verzerrungssignalanteils zu analysieren, um eben die Information über den Verzerrungssignalanteil zu extrahieren. Hierzu kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen der Signalanalysator das Audiosignal mit dem ersten Schallsignal vergleichen. Hierzu ist das Signal im Regelfall mit einem Aufnehmer für das erste Signal, wie z. B. ein Mikrofon oder allgemei- nen Mitteln zur Messung der Beschleunigung, der Schnelle und/oder der Auslenkung der Membran bzw. allgemein der Schallabstrahlfläche ausgestattet. Alternativ kann der Signalanalysator auch ausgebildet sein, um das Audiosignal zu analysieren und den Verzerrungssignalanteil zu simulieren. Bei der Variante der Simulation kann vorteilhafterweise auf diese Mittel zur Bestimmung des Luft- bzw. Körperschalls bzw. allgemein des Störsig- nals verzichtet werden. Dies ist in Hinblick auf die Frage der Komplexität vorteilhaft. Unabhängig davon, ob ein Vergleichen oder Simulieren erfolgt, umfasst die Information über den Verzerrungssignalanteil eine von dem Nutzsignal isolierte Information. Beide Varianten ermöglichen vorteilhafterweise die Ermittlung des Verzerrungssignalanteils, wobei bei der Variante des Analysierens des ersten Schallsignals ein realistischeres Ergebnis erhal- ten wird, da das Signal unter allen momentan vorhandenen Einflussfaktoren analysiert wird. Alternativ können auch Mittel zur elektrischen Messung vorgesehen sein, die also das Strom- und/oder Spannungsverhalten an den Lautsprecherklemmenanalysieren. Die Messung von Spannung und Strom ist vorteilhaft, weil durch eine adaptive Systemidentifikation notwendige Parameter zur Simulation erneuert werden können. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der Signalsynthetisator dazu ausgebildet, um den Verzerrungssignalanteil zu invertieren, um das Kompensationssignal zu erhalten. Hierbei kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen der Signalsynthetisator ausgebildet sein, um das Kompensationssignal unter Einbezug der Übertragungsfunktion des mindestens einen Schallwandlers der zweiten Lautsprechergruppe zu ermitteln. Hierbei entsteht der Vorteil, dass eventuelle Verzerrungen der zweiten Lautsprechergruppe bereits im Vorfeld berücksichtigt sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft die Berechnungseinheit mit dem Signalsyntheti- sator und optionalerweise mit dem Signalanalysator.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Nutzsignalanteils definiert. Dieses umfasst die Schritte Ausgeben des ersten Schallsignals und Ausgeben des zweiten Schallsignals, so dass das zweite Schallsignal bei Überlage- rung mit dem ersten Schallsignal den Verzerrungssignalanteil des ersten Schallsignals kompensiert bzw. reduziert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zur Berechnung eines Kompensationssignals. Dieses umfasst die Schritte Ermitteln eines Kompensationssignals ausge- hend von einer Information über einen Verzerrungssignalanteil, welches zusammen mit einem Nutzsignalanteil von einem ersten Schallsignal umfasst wird, das von einer ersten Lautsprechergruppe auf Basis eines Audiosignals erzeugt ist. In dem nächsten Schritt wird dann das Kompensieren bzw. das Reduzieren des Verzerrungssignalanteils durchgeführt, indem der Kompensationssignalanteil als zweites Schallsignal ausgegeben wird, um bei Überlagerung mit dem ersten Schallsignal die erwünschte Entzerrung / Klangverbesserung zu erhalten.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Schritte der oben erläuterten Verfahren bzw. zumindest ein oder einige Schritte der oben erläuterten Verfahren un- ter Zuhilfenahme eines Computers durchgeführt werden. Deshalb schafft ein weiteres Ausführungsbeispiel ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 a ein schematisches Blockdiagramm einer Lautsprecheranordnung mit einer ersten und einer zweiten Lautsprechergruppe gemäß einem Basisausführungsbeispiel; Fig. 1 b ein schematisches Flussdiagramm eines entsprechenden Kompensationsverfahrens; ein schematisches Blockdiagramm zur Kompensation der Nichtlinearität eines Schallwandlers/Schallwandlergruppe 1 durch zusätzliche Schallwandler/Schallwandlergruppe 2 gemäß einem erweiterten Ausführungsbeispiel; ein schematisches Blockdiagramm zur Illustration einer Basis-Konfiguration eines Schmalband Active Noise Control Systems; eine schematische Darstellung simulierter Isobaren zweier gegenphasiger Wandler in verschiedenen Abständen;
Fig. 3a, b schematische Diagramme von Amplitudenspektren zur Illustration der Reduktion von harmonischen Verzerrungen unter Zuhilfenahme der Kompensati- onsmittel entsprechend Ausführungsbeispielen;
Fig. 4a, b schematische Diagramme von Amplitudenspektren zur Illustration der Reduktion der harmonischen Verzerrungen durch Kompensationsmittel gemäß Ausführungsbeispielen; und
Fig. 5a, b schematische Diagramme von Amplitudenspektren zur Illustration der Reduktion von Intermodulationsverzerrungen durch Kompensationsmittel entsprechend Ausführungsbeispielen. Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist. Fig. 1 a zeigt ein Lautsprechersystem 100 mit einem ersten Lautsprecher 12 und einem zweiten Lautsprecher 14. Der erste Lautsprecher 12 gehört zu der ersten Lautsprecher- gruppe und umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zwei Schallwandler 12a und 12b, wobei der zweite Schallwandler optional ist. Der zweite Lautsprecher 14 umfasst wiederum zwei Schallwandler, nämlich die Schallwandler 14a und den optionalen Schallwandler 14b. Die Schallwandler 14a und 14b bzw. der Lautsprecher 14 gehört zu der zweiten Lautsprechergruppe. Beide sind beispielsweise in unmittelbarer Nähe nebeneinander aufgestellt und so angewinkelt, dass sie beispielsweise den Schall in einen gemeinsamen Raum, der mit dem Bezugszeichen 16 versehen ist, emittieren. Von einer anderen Seite betrachtet heißt das, dass entsprechend Ausführungsbespielen sowohl der erste Lautsprecher 12 bzw. die Schallwandler 12a und 12b als auch der zweite Lautsprecher 14 bzw. Schallwandler 14a und 14b das erste respektive das zweite Schallsignal (inklusive aller betrachteten Anteile) nach Vorne, d.h. über die Vordermembran der Schallwandler 12a, 12b, 14a und 14b emitieren.
Der Lautsprecher 12 sendet auf Basis eines Audiosignals 12s ein Schallsignal 12e aus. Das Schallsignal 12e umfasst einerseits ein Nutzsignal 12n und andererseits ein Verzerrungssignal 12v.
Der Lautsprecher 14 der zweiten Lautsprechergruppe dient dazu, dass das Schallsignal 12e derart zu überlagern, dass der Verzerrungssignalanteil 12v reduziert bzw. entfernt wird. Hierzu sendet die zweite Lautsprechergruppe auf Basis eines Kompensationssignals 14 es ein Schallsignal 14e aus, das geeignet ist, um den Verzerrungssignalanteil 12v bei Überlagerung mit dem Signal 12e zu reduzieren bzw. zu eliminieren, um dann im Resultat das unverzerrte Signal 12e + 14e zu erhalten, das vergleichbar oder ähnlich mit dem Nutzsignal 12n ist.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das Kompensationssignal 14e beispielsweise eine Invertierte des Verzerrungssignals 12v sein. Insofern ist das Steuerungssignal 14s beispielsweise von dem Schallsignal 12e oder dem Audiosignal 12s abgeleitet. Auch kann das Steuersignal für das Kompensationssignal 14e unter Berücksichtigung der Übertra- gungscharakteristik des/der Kompensationslautsprechers ermittelt sein, sodass es nicht noch zu zusätzlichen Störgeräuschen kommt.
Entsprechend Ausführungsbeispielen erfolgt die Überlagerung des Signals 14e oder 12e im Raum 16 bzw., um genauer zu sein, entsprechend Ausführungsbeispielen im Nahfeld der zwei Lautsprecher 12 und 14. Hierzu wäre es vorteilhaft aber nicht zwingend, wenn die Lautsprecher 12 und 14 mit einem geringen Abstand, wie z. B. 1 m oder maximal 3 m voneinander beabstandet sind. Dadurch können sich dann die Schallsignale 12e und 14e im Nahfeld überlagern, so dass praktisch an jeder Hörposition in dem Raum 16 ein verzerrungsreduziertes bzw. verzerrungsfreies Signal 12e + 14e wahrnehmbar ist. Zur Bestimmung des optimalen Abstand sind zwei Formeln bekannt, mit denen sich der maxima- le bzw. frequenzabhängige Abstand der Lautsprechergruppen bestimmen lässt. Der Hintergrund wird nachfolgend erläutert:
Die Idee und das Potential mit einem Entzerrlautsprecher noch größere Lautsprecher- arrays als das 6er-Array zu entzerren, bedarf einer Betrachtung des Einflusses der geo- metrischen Wandlerabstände zwischen Zerr- und Entzerrlautsprecher. In der Einleitung dieses Kapitels wurde bereits der Zusammenhang der Kompensationsmethode mit Active Noise Control Systemen hergestellt. Auch in der Theorie von ANC Systemen wird der Einfluss des Abstandes der Störquelle zum Controllautsprecher mit hoher Sorgfalt betrachtet. Dabei wird anhand von Punktschallquellen die aktive Unterdrückung deren Schallfelder in einer Freifeld Abstrahlung betrachtet. Die beiden Schallquellen werden als akustische Monopole betrachtet.
Die Minimierung des harmonischen Störsignals durch den Entzerrlautsprecher stellt eine grundlegende Basisaufgabe von ANC Systemen dar. Der Schalldruck im Fernfeld des Zerrlautsprechers ist gegeben durch: p " { rp) = -. »
iwr mit Schnelle v, r = |rF -rZ| und der Wellenzahl k. Durch die Superposition beider Schall- quellen ergibt sich der Schalldruck zu:
Figure imgf000010_0001
qmrz 4?Τ?Έ
Gesucht ist die Schnelle vE die bei gegebener Schnelle vZ das Schallfeld minimiert. Nach ist diese Schnelle gegeben mit:
Figure imgf000010_0002
Die Schnelle des Entzerrlautsprechers muss in der Amplitude proportional sein zum relativen Abstand der Fernfeldposition und ein Schalldrucksignal erzeugen, welches um 180° außer Phase ist zum Signal des Zerrlautsprechers, wenn dieses die Fernfeldposition er- reicht. Die Frage, die sich hierbei stellt, ist, wie groß der Abstand d zwischen Zerr- und Entzerrlautsprecher sein darf, um die Nichtlinearitäten nicht nur an einem bestimmten Punkt sondern an jedem Punkt im Fernfeld hörbar zu reduzieren. Zur Lösung dieser Fragestellung ist es zunächst nötig eine Fernfeldapproximation in obiger Gleichung anzuwenden. Im Fernfeld der beiden Lautsprecher kann rE/rZ ~ 1 bzw. rE = rZ ~ rF angenom- men werden. Diese Fernfeldapproximation stellt sicher, dass der Schalldruck im Abstand r für jeden Winkel _F minimiert werden kann. Gleichung kann dadurch vereinfacht werden zu:
Mit dieser Fernfeldannahme und die daraus mögliche Umformung von Gleichung
4τ ζ **** führt zu folgendem Distanzkriterium: ~ c s"W woraus folgt, dass kd < _/6 oder d < _/12 ist. Der Abstand direkt benachbarter Lautsprecher im verwendeten Lautsprecherarray beträgt 4,3 cm. Nach dem Distanzgesetz funktioniert eine optimale Auslöschung demnach nur bis f < c d- 12 ~ 660Hz. Bisherige Untersuchungen, bei denen stets direkt benachbarte Lautsprecherkombinationen verwendet wurden, haben aber gezeigt, dass Frequenzen bis mindestens 1200Hz messbar reduziert werden konnten. Die Theorie des Distanzgesetzes geht allerdings von einer kompletten Auslöschung also p = 0 aus, welche bei den Untersuchungen nachweisbar durch leichte Abweichungen der Amplitude und Phase nie erreicht werden konnte.
Aus der Verwendung linearer Lautsprecherarrays beispielsweise bei der Wellenfeldsyn- these oder Beamforming ist ebenfalls eine lautsprecherabstandsabhängige obere Grenzfrequenz bekannt, ab der Aliasingeffekte auftreten. Die Anordnung der Lautsprecher kommt einer räumliche Abtastung gleich und die obere Grenzfrequenz fAlias ist gegeben mit:
/Alias =
d(l + j cos QE i ) mit dem Einfallswinkel EW einer ebenen Welle bezogen auf das Lautsprecherarray. Bei einem Lautsprecherabstand von 4,3 cm beträgt fAlias auf Achse 7930Hz. Eine Variation der Lautsprecherabstände soll eine Aussage treffen, ab wann die THD Reduktion auf- grund geometrischer Verhältnisse deutlich reduziert wird. Dabei soll Bezug auf das Distanzkriterium der ANC Theorie und die obere Grenzfrequenz fAlias der Linienarraytechno- logie genommen werden. Die Evaluierung hat gezeigt, dass die Variation des Entzerrlautsprechers einen geringeren Einfluss auf die Qualität der Kompensationsmethode hat, als die Variation des Zerrlautsprechers. Darum wurde für die geometrischen Untersuchungen D2 als Zerrlautsprecher und D3-5 als Entzerrlautsprecher verwendet. Als Untersuchungsfrequenz wurde 300Hz gewählt, dazu erwarten ist, dass bei den zu kompensierenden Obertönen bis 1500Hz der Einfluss der Wandlerabstände am deutlichsten erkennbar sein wird. Die Wirksamkeit der Methode für mehrere Positionen im Raum wurde untersucht, indem das Lautsprecherarray mithilfe einer Drehvorrichtung gedreht wurde. Die Messun- gen konnten so auf 0°, 45° und 90° durchgeführt werden. Dabei wurde das Lautsprecherarray so montiert, dass die jeweilige Lautsprecherkombination auf einer horizontalen Linie lag.
In nachfolgender Tabelle sind die THD Werte und die entsprechende THD Reduktion bei verschiedenen Winkeln und verschiedenen Abständen eingetragen. Zunächst deckt sich die THD Reduktion der Wandlerkombination D2Z, D3E mit der ursprünglichen Messung. Die THD Reduktion bleibt bei dieser Wandlerkombination auf den anderen Mikrofonpositionen stabil; bei 45° ist die Klirrfaktor Reduktion mit 18,6 dB sogar deutlich höher.
0° 45° 90°
4,3 cm THDZ 1 1 ,5% 10,3% 9,6%
4,3 cm THDZ+E 2,4% 1 ,2% 2,7%
4,3 cm Reduktion THD 13,6 dB 18,6 dB 1 1 ,0 dB
8,6 cm THDZ 1 1 ,5% 10,3% 9,6%
8,6 cm THDZ+E 2,3% 3,7% 6,6%
8,6 cm Reduktion THD 14,0 dB 8,9 dB 3,25 dB
12,9 cm THDZ 1 1 ,5% 10,3% 9,6%
12,9 cm THDZ+E 2,9% 5,5% 10,2%
12,9 cm Reduktion THD 12,0 dB 5,5 dB -0,5 dB Konstant bleibt die Reduktion des THD-Wertes bei 0° auch für die größeren Abstände. Diese sinkt aber drastisch, wenn das Lautsprecherarray aus seiner 0° Position heraus gedreht wird. Bei einem Wandlerabstand von 12,3 cm und 90° wird der Klirrfaktor sogar erhöht. Der Klirrfaktor trifft nur eine energetische Aussage über die Summe harmonischen Obertöne. Die spektrale Zusammensetzung des Obertonspektrums ist mit dem reinen THD-Wert nicht möglich. Dazu ist eine Betrachtung der Amplitudenspektren notwendig. So kann auch eine Aussage getroffen werden, ab welcher Frequenz in Abhängigkeit der Wandlerabstände und Messwinkel keine Entzerrung mehr möglich ist. In dieser Abbildung ist deutlich erkennbar, dass eine Abhängigkeit vom Winkelabstand und Messwinkel auf die Reduktion einzelner Spektrallinien besteht. So kann beispielsweise bei einem Abstand von 8,6 cm und 45° der Oberton bei 900Hz nicht mehr abgesenkt werden. Bei einem Wandlerabstand von 12,9 cm/90° liegt diese untere Grenzfrequenz bei 600Hz. Ausgehend von obiger Formel liegen diese Frequenzen aber alle deutlich über den so berechenbaren abstandsabhängigen Grenzfrequenzen. Diese betragen bei 4,3 cm 660Hz, bei 8,3 cm 330Hz und bei 12,9 cm 220Hz. Allerdings bezieht sich das Distanzkriterium auf eine ideale Auslöschung. Ein Teilreduktion ist durch dargestellte Messergebnisse auch bei höheren Frequenzen nachweisbar. In der Theorie wird kein winkelabhängiger Einfluss genannt. Das Distanzkriterium gilt für alle Punkte im Fernfeld, was sich aber nicht mit den dargelegten Messergebnissen deckt. Die rein theoretische Betrachtung der kompletten Auslö- schung bei Einhaltung des Distanzkriteriums fußt auf der Absenkung der Strahlungsimpedanz. Ist diese gleich Null, wird die Ankopplung der Mem-branschnelle an die umgebende Luft verhindert und die Wandler strahlen keinen Schalldruck ins Fernfeld ab. Dadurch entfällt auch eine winkelabhängige Betrachtung im theoretischen Idealfall. Bei der realen Messung wird der Strahlungswiderstand nicht auf null abgesenkt und ein Teil der Schall- leistung wird weiterhin ins Fernfeld abgestrahlt.
Eine Auslöschung findet nicht nur im Nahfeld statt, sondern auch eine positions- bzw. winkelabhängige Auslöschung auf den Messorten im Fernfeld. Auf Achse, also 0°, ist der Laufzeitversatz zwischen Zerr- und Entzerrlautsprecher innerhalb der Betrachtung eines Abstandes gleich groß, hat also keinen Einfluss auf die Auslöschung im Fernfeld. Mit wachsenden Winkel unterscheiden sich die Laufzeiten zwischen den beiden untersuchten Wandlern und die Reduktion einzelner Harmonischer verschlechtert sich.
In Fig. 2c sind die simulierten Isobaren zweier Wandler mit oben genannten Abständen dargestellt. Dabei wurde die gemessene Richtcharakteristik der beiden Wandler in die Simulation mit einbezogen. Außerdem wurde die Anregung der Wandler so simuliert, dass ein Wandler komplett außer Phase also invers zum zweiten Wandler Schall abstrahlt. Diese idealisierte Simulation zeigt also den abgestrahlten Schalldruck im Fernfeld des Wandlerpaares mit einem idealen Controlsignal auf dem Entzerrlautsprecher. Blaue bis orange Bereiche zeigen die Absenkung des Schalldruckes des Zerrlautsprechers, rote Bereiche eine Anhebung des Schalldruckes. Mit dieser Darstellung kann Bezug auf die Aliasingfrequenz bei Lautsprecher-Arrays genommen werden.
Wird jeweils 45° betrachtet, ergeben sich nach obiger Gleichungen die Aliasingfrequenzen für 4,3 cm zu 4645Hz für 8,6 cm zu 2323Hz und für 12,9 cm zu 1549Hz. Aus den Isoba- ren ist ein Anhebung des Schalldruckes ab 3350Hz/4,3 cm, 2100Hz/8,6 cm und 1250Hz/12,9 cm erkennbar. Diese Werte sind jeweils etwas geringer als die berechneten Grenzfrequenzen, die Ergebnisse der verwendeten Gleichung stellt aber einen praxisnahen Richtwert dar. Außerdem stellen die Isobaren gut dar, dass oberhalb der vom Lautsprecherabstand abhängigen Aliasingfrequenz ein ausgeprägtes Interferenzmuster ent- steht. Da aber Lautsprechernichtlinearitäten vor allem im Tieftonbereich entstehen und die Verzerrungsprodukte in einem weiten Winkelbereich noch unterhalb der jeweiligen Grenzfrequenz auftreten, hat der geometrische Abstand im Idealfall nur wenig Einfluss auf die Reduktion von harmonischen Verzerrungen. Die schwache Wirksamkeit der realen mit unterschiedlich Abständen gemessenen Wandlerpärchen kann darauf zurückgeführt wer- den, dass die Phasenlage der auszulöschenden Obertöne nicht perfekt getroffen wurde, oder das Schallfeld von zusätzlichen Anteilen, z.B, durch Kantenreflexionen, überlagert wird.
Ein Lautsprecher bzw. Lautsprecherarray 12 erzeugt aufgrund der nichtlinearen Eigen- Schäften des spezifischen Wandlerprinzipes harmonische Verzerrungen und Intermodula- tionsverzerrungen 12v. Platziert man einen Entzerrlautsprecher oder Kompensationslaut- psrecher 14 geometrisch nahe an den zerrenden Einzellautsprecher bzw. Lautsprecherarray 12, kann über den Kompensationslautsprecher 14 ein berechnetes Controlsignal 14e abgestrahlt werden, welches die Verzerrungsprodukte im Schallfeld 16 auslöscht. Die Auslöschung der Verzerrungsprodukte entspricht einer Absenkung des Strahlungswiderstands (Realteil der komplexen Strahlungsimpedanz Re{Z}) des verzerrten Einzellautsprechers bzw. Lautsprecherarrays 12 in dem Frequenzbereich, in dem die Verzerrungsprodukte liegen. Dadurch wird die Abstrahlung der Verzerrungsartefakte ins Fernfeld reduziert bzw. verhindert. Da die Kompensation bereits im Nahfeld des Einzellautsprechers bzw. Lautpsrecherarrays 12 erfolgt, ist die Wirkungsweise unabhängig vom Hörort. Hierbei sei angemerkt, dass es die bevorzugte Variante bei dem Lautsprechersystem 100 ist, dass die zwei Lautsprecher 12 und 14 in etwa der gleichen Richtung den Schall 12e bzw. 14e emittieren bzw. zueinander eingedreht sind. Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen von dem Lautsprechersystem 100 ausgegangen wurde, kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen auch einfach nur das Kompensationsmittel für ein weiteres Lautsprechersystem, das zumindest den Lautsprecher 12 umfasst, geschaffen werden. Dieses Kompensationsmittel ist im Wesentlichen durch den Lautsprecher 14 bzw. allgemein die zweite Lautsprechergruppe mit mindestens einem Schallwandler 14a gebildet.
Das entsprechende Verfahren ist in Fig. 1 b dargestellt. Fig. 1 b zeigt ein Verfahren 100, das die zwei Basisschritte 1 10 und 120 umfasst. Der Basisschritt 1 10 bezieht sich auf das Ausgeben des ersten Schallsignals unter Zuhilfenahme der ersten Lautsprechergruppe auf Basis des Audiosignals 12s. In dem nächsten Schritt 120 wird dann das zweite Schallsignal zur Kompensation ausgegeben. Dieses zweite Schallsignal basiert auf dem Störsignal 14s. Wie hier mittels der gestrichelten Linien dargestellt, ist das Störungssignal 14s abhängig von dem Audiosignal 12s. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 100 um das Verfahren 200 ergänzt sein, das z. B. ausgehend von dem Audiosignal 12s bevorzugterweise in Kombination mit dem ersten Schallsignal das Kompensationssignal 14s ermittelt. Das Verfahren 200 umfasst, wenn man dieses separat betrachtet, den Schritt des Ermitteins des Kompensationssignals (vgl. Schritt 200) ausgehend von einer Information über den Verzerrungssignalanteil sowie den Schritt des Kompensierens und/oder Reduzierens des Verzerrungssignalanteils bei Ausgabe des Kompensationssignals 14s als zweites Schallsignal. Insofern ist dieser zweite Schritt gleichzusetzen mit dem Schritt 120.
Weitere Ausführungsbeispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf Fig. 2a erläutert. Fig. 2a stellt die zwei Lautsprechergruppen 12 und 14 dar, die die Schallsignale 12e (ausgehend von dem Audiosignal 12s) und 14e (ausgehend von dem Steuersignal 14s) emittieren, so dass dann bei Überlagerung (vgl. Überlagerungsfunktion Z bzw. Bezugszeichen fi2e+i e) das verzerrungsbereinigte Signal 12e + 14e erfolgt. Z stellt komplexe Strahlunsimpedanz dar. Prinzipiell wird durch das Signal 14e der Strahlungswiderstand im Fre- quenzbereich von Signal 12v abgesenkt und somit die Abstrahlung von 12v in Fernfeld verhindert. Das Steuersignal 14s zur Ansteuerung der zweiten Lautsprechergruppe 14 wird durch Signalsynthesemittel 17 generiert. Hierzu gibt es unterschiedliche Ansätze, wie das Signal 14s berechnet wird.
Entsprechend einer ersten Variante wird beispielsweise das Eingangssignal u bzw. 12s von der Lautsprechergruppe 1 (vgl. Bezugszeichen 12) wiedergegeben und resultiert in einem Membranschnellsignal v bzw. 12e. Dieses Signal 12e wird einer Signalanalyse unterzogen, in der das Nutzsignal 12s vom Störsignal 12v getrennt wird. Hierzu kommt ein Signalanalysator 19 zum Einsatz, der optionalerweise mit einem Mikrofon 21 oder einem anderen Schallempfänger gekoppelt ist, so dass er das Signal 12e der Lautsprechergruppe 12 empfangen kann. Alternativ kann auch eine andere Art der Signalaufnahme erfolgen, z. B. durch einen Sensor an der Membran des Lautsprechers der Lautsprechergruppe 12 oder durch Abgreifen des elektrischen Signals der Lautsprechergruppe 12. Das heißt also, dass die Gewinnung des Ausgangssignals von den Lautsprechern bzw. Lautsprechergruppe 1 (vgl. Bezugszeichen 12) auf unterschiedlichen Wegen erfolgen kann. Weitere Beispiele sind die Messung der Beschleunigung, der Schnelle, der Auslenkung der Membran, eine Luft- oder Körperschallmessung oder eine elektrische Messung an den Lautsprecherklemmen. In jedem Fall ist das Ergebnis des Signalanalysators 19 eine Information über das Störsignal bzw. Verzerrungssignal 12v.
Diese Information wird dem Signalsynthetisator 12v zugeführt, der dann das Störsignal 12v zu einem Kontrollsignal c bzw. 14s verarbeitet. Die Verarbeitung kann beispielsweise eine Invertierung umfassen. Das Störsignal 14s bzw. c wird dann von den Lautsprechern der Lautsprechergruppe 2 (vgl. Bezugszeichen 14) wiedergegeben, so dass der Störanteil von den Lautsprechern bzw. Lautsprechergruppe 1 (vgl. Bezugszeichen 12) im Schallfeld p bzw. 16 reduziert bzw. vollständig ausgelöscht wird. Die Signalsynthese kann beispielsweise durch eine Invertierung des Störsignals mit Einbezug der Übertragungsfunktion des Kompensationslautsprechers bzw. der Kompensation der Lautsprechergruppe 2 (vgl. Bezugszeichen 14) realisiert werden.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist der Signalanalysator 19 nicht notwendig, so dass der Signalsynthetisator 17 das Störsignal 12v bzw. allgemein eine Information über das Störsignal 12v durch Modulierung bzw. Simulation des Lautsprechers 12 er- hält. Insofern umfassen entsprechend dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel die Kompensationsmittel neben dem Lautsprecher 14 der zweiten Lautsprechergruppe den Sig- nalsynthetisator 17 und alternativ zu dem Signalanalysator 19 einen Signalsimulator (nicht dargestellt). Dieser Signalsimulator kann z. B. ausgehend von dem Signal 12s und Informationen über die Lautsprechergruppe 1 (vgl. BZ 12) das Störsignal 12v simulieren bzw. vorhersagen. Hier wird abhängig vom Eingangssignal (Spannung)wird ein nützliches Aus- gangssignal (Membranauslenkung, Schnelle, Schalldruck ...) simuliert prädeziert und diese Prädiktion wird um ihren Verzerrungsanteil analysiert.
Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen immer davon ausgegangen wurde, dass die Lautsprechergruppe 1 nur ein Audiosignal 12s reproduziert, so kann die Lautsprecher- gruppe 1 auch eine Mehrzahl an Einzellautsprechern für unterschiedliche Kanäle einer Stereoanwendung oder Raumklanganwendung umfassen. Bevorzugt umfasst dann auch die Lautsprechergruppe 2 die entsprechend zugeordneten Lautsprecher. Hierbei können die Kanäle unterschiedlichen Lautsprechern (räumlich getrennte Einheiten) zugeordnet sein oder auch mehrere Kanäle über einen Lautsprecher (vgl. Soundbar) wiedergegeben werden. Je nachdem wird dann die Lautsprechergruppe 2 entweder in mehrere Einzellautsprecher oder einen mehrkanaligen Lautsprecher aufgeteilt.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Lautsprechergruppe 1 , aber insbesondere auch die Lautsprechergruppe 2 ausgebildet sein, um Beamforming zu betrei- ben. Wenn die Lautsprechergruppe 2 für Beamforming ausgebildet ist (betrieben wird), kann entsprechend einer bevorzugten Variante ein über ein Lautsprechersystem der Lautsprechergruppe 1 (mit beispielsweise eine Mehrzahl an Lautsprechern) ebenfalls mittels Beamforming betrieben werden. Die Kompensation eines mittels Beamforming reproduzierten Audiosignals durch einen einzigen Lautsprecher der Lautsprechergruppe 2 ist ebenfalls möglich. Anders ausgedrückt heißt das, dass, wenn bereits mehrere Lautsprecher eingesetzt werden, dadurch auch gleich eine Beamformingtechnologie verwendet werden kann. Analog andersherum: nutz man eine Beamformingtechnologie, kann ich mit der Anzahl der Wandler auch den Kompensationsansatz verfolgen. All die oben genannten Ausführungsbeispiele ermöglichen im Vergleich zum Stand der Technik (Active Noise Control bzw. Gegenschall bei Störschall und/oder Active Loudspeaker Control bzw. elektrische (Vor-)Verzerrung des Lautsprechersignals), dass der verzerrte Lautsprecher weniger belastet wird. Hintergrund ist, dass diesem kein zusätzliches Signal zugeführt wird. Außerdem müssen im Verstärkerkanal für den zerrenden Lautsprecher/Lautsprechergruppierung weniger Leistungsreserven vorgesehen werden. Gemäß der Erfindung kann auch das nichtlineare Verhalten von Membranen ohne eige- nen Antrieb (Passivmembrane) über einen zusätzlichen Lautsprecher/Lautsprechergruppierung (oder über die Aktivmembran) kompensiert werden.
Die Methode zur Kompensation von Wandlernichtlinearitäten wird im Vergleich zu Active Noise Control Systemen anhand von Fig. 2a und 2b erläutert.
Das schematische Blockschaltbild und der Signalflussplan dieser Methode ist in Fig. 2a skizziert. Ein Audiosignal, repräsentiert durch ein Spannungssignal, liegt an einem Lautsprecher an. Durch die lineare komplexe Übertragungsfunktion Hlin ist die Transformation von Spannung zu Membranschnelle beschrieben. Die nichtlineare Übertragungsfunktion H(x) kennzeichnet die auslenkungsabhängigen Nichtlinearitäten des Wandlers. Die Messung der Membranschnelle wird einer Signalanalyse zugeführt, die das Störsignal - also die Verzerrungsprodukte - vom Nutzsignal trennen kann. Dieses Störsignal liegt weiterhin als Schnellesignal vor. Durch die invertierte lineare Übertragungsfunktion H-1 lin. kann dieses Schnellesignal wieder in ein Spannungssignal umgewandelt werden. Dieses Zeitsignal wird invertiert und einem zweiten Lautsprecher, dem Entzerrlautsprecher, zugeführt. Dort erfolgt wieder die Transformation von Spannung zur Schnelle, verdeutlicht durch die Transferfunktion Hlin. Es wird angenommen, dass das modifizierte Störsignal eine solch geringe Amplitude besitzt, dass kein nichtlineares Verhalten des Entzerrlaut- Sprechers auftritt. Die Ankopplung der Membranbewegung an die Luft ist durch die komplexe Strahlungsimpedanz ZKo verdeutlicht. Das Schalldruck-Störsignal des ersten zerrenden Lautsprechers liegt in invertierter Form im wiedergegebenen Schalldruck des Entzerrlautsprechers vor. Physikalisch findet nun eine Absenkung des Realteils der Strahlungsimpedanz durch den Entzerrlautsprecher statt, wodurch die Ankopplung des Stör- Signals verringert wird. Die Membranschnelle bleibt unverändert, sie strahlt jedoch weniger Störschall ab.
Diese Methode grenzt an ein Teilgebiet von Active Noise Control (ANC), an Schmalband Active Noise Control. Active Noise Control umfasst die elektroakustische Erzeugung eines Schallfeldes, um ein existierendes aber ungewolltes Schallfeld auszulöschen. Schmalband Active Noise Control Systeme befassen sich mit der Regulierung von periodischen Störsignalen, wie sie oft von sich drehenden mechanischen Bauteilen, wie Motoren oder Ventilatoren, abgestrahlt werden. Die Unterdrückung des Störschalls basiert auf dem Prinzip der Superposition; ein Controlsignal mit gleicher Amplitude aber entgegengesetz- ter Phase wird von einem elektroakustischen oder elektromechanischen System erzeugt und dessen Schallabstrahlung mit dem Schallfeld der Störquelle kombiniert. Dies resultiert in einer Auslöschung beider Schallfelder.
In Fig. 2b ist das Grundprinzip eines Schmalband ANC Systems schematisch dargestellt. Eine Störquelle strahlt ein periodisches harmonisches Störsignal ab. Ein nichtakustischer Sensor zeichnet ein Synchronisationssignal auf, welches in einem Signalgenerator benutzt wird, um ein Referenzsignal x(n) zu synthetisieren. Ein digitales Filter erzeugt aus diesem Referenzsignal das Controlsignal y(n), welches über den Controllautsprecher wiedergegeben wird.
Optional kann ein Fehlermikrofon verwendet werden, welches das residuale Schallfeld misst und dieses als Fehlersignal e(n) einem adaptiven Algorithmus zufuhrt. Dieser passt die Koeffizienten des Digitalen Filters an. Im Vergleich zur vorgestellten Methode dieser Arbeit können folgende Analogien festgestellt werden:
· die Untersuchungen der Methode beschränkt sich auf Einzelsinustöne bzw. harmonische Schmalbandsignale
• die Membranschnelle wird mit einem nichtakustischen Sensor gemessen
• die Signalanalyse trennt das Störsignal vom Nutzsignal und erzeugt das Referenzsignal
· die Filterung mit der inversen Übertragungsfunktion Hlin und die Invertierung des
Spannungssignals erzeugt das Controlsignal.
Ein erster Lautsprecher wird mit einem tonalen Signal angeregt. Es ist möglich, die Amplitude und Phase des Anregungssignals eines zweiten Lautsprechers dermaßen an- zupassen, dass der Schalldruck direkt vor der Membran des ersten Lautsprechers ausgelöscht wird. Gleichermaßen löscht der erste Lautsprecher den Schalldruck des zweiten Lautsprechers aus. Es wird keine Wirkleistung verrichtet, es findet nur ein Druckausgleich zwischen den beiden Lautsprechern statt; ein akustischer Kurzschluss wird gebildet. Die Luft wird blind zwischen den beiden Lautsprechern hin und her geschoben, wodurch zwar ein lokales Schalldruckfeld zwischen den Lautsprechermembranen entsteht, aber durch die Absenkung des Realteils der Strahlungsimpedanz kein Schalldruck ins Fernfeld abgestrahlt wird. Die Strahlungsimpedanz ist frequenzabhängig. Nachfolgende Untersuchungen beschränken sich auf Einzelsinustöne. Diese sollen als Grundfrequenz das Nutzsignal darstellen. Die Verzerrungsprodukte äußern sich durch zusätzliche ganzzahlige Har- monische der Grundfrequenz. Das Störsignal setzt sich also aus der Summe der Obertöne zusammen. Wird die Strahlungsimpedanz nur im Frequenzbereich oberhalb der Grundfrequenz abgesenkt, wird nur die Ankopplung der Obertöne verhindert. Als resultierendes Schalldrucksignal ergibt sich im Idealfall nun nur noch ein Signal, welches in einem linearen Verhältnis zum Audiosignal bzw. Spannungssignal steht.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die Fig. 3 bis 5 anhand von Diagrammen, die auf tatsächlichen Messdaten und nicht reinen Simulationen basieren, erläutert, wie bzw. wie gut die Kompensationsmittel Störsignale bzw. Verzerrungssignalanteile reduzieren, wobei dies durch tatsächliche Messdaten und nicht durch Simulationen dargestellt wird.
Fig. 3a zeigt das Amplitudenspektrum eines einzelnen Lautsprechers bei einer Sinusan- regung mit beispielsweise 170 Hz. In Fig. 3b ist das Amplitudenspektrum des verzerrten Lautsprechers bei der Sinusanregung (170 Hz) mit einem zweiten Lautsprecher, über den ein Kompensationssignal wiedergegeben wird, dargestellt. Die Kombination der beiden Lautsprecher ergibt eine Reduktion der harmonischen Obertöne (340 Hz, 510 Hz, 680 Hz, 850 Hz), von THD 28,8 % (vgl. Fig. 3a) auf THD 6,0 % (vgl. Fig. 3b). Insofern ist festzu- stellen, dass die harmonischen Verzerrungen (THD = Total Harmonie Distorsion) wesentlich reduziert werden.
Fig. 4a zeigt ein Amplitudenspektrum eines Arrays aus 12 Einzellautsprechern bei einer Sinusanregung von beispielsweise 200 Hz. In Fig. 4b ist das resultierende Amplituden- spektrum des verzerrten Lautsprecherarrays (vgl. BZ 12) bei Sinusanregung (200 Hz) mit einem zusätzlichen dreizehnten Lautsprecher, über den ein Kompensationssignal wiedergegeben wird, dargestellt. Wie zu erkennen ist, erfolgt bei Kombination des zusätzlichen Lautsprechers mit dem Array eine signifikante Reduktion der harmonischen Obertöne (400 Hz, 600 Hz, 800 Hz und 1000 Hz), von THD 10,7 % auf THD 3,4 %. Im Resümee lässt sich also feststellen, dass selbst bei einem Array mit einer Mehrzahl an Einzellautsprechern bzw. Einzelkanälen durch einen einzigen zusätzlichen Lautsprecher eine signifikante Entzerrung erreicht werden kann. Die 13 Lautsprecher können vom selben Typ sein. Zum Hintergrund: In den vorangegangenen Abschnitten wurde gezeigt, dass durch einen Entzerrlautsprecher der THD mehrerer Lautsprecher im Array bei Einzelsinustönen maßgeblich reduziert werden kann. Die Methode funktioniert am besten, wenn die Lautsprecher möglichst nah beieinander sind. Die bisherigen Messungen wurden mit einer verhältnismäßig hohen Verstärkerspannung durchgeführt, sodass die THD Werte sehr groß wa- ren. Im Dauerbetrieb könnten so hohen Spannungen Schaden an den Lautsprechern verursachen oder ihre Lebensdauer verkürzen. Um die Methode in einer realistischen An- wendung, z.B. in Flachlautsprechertechnologie, einzusetzen, wurde eine größere Array- konfiguration aufgebaut. Diese besteht aus zwölf Lautsprecher mit einem zusätzlichen Entzerrlautsprecher. Als Entzerrlautsprecher wurde der Wandler D3E gewählt. Die zwölf Verzerrlautsprecher sind rund um den Entzerrlautsprecher angeordnet. Die Verstärker- Spannung wurde soweit angepasst, dass das Array aus zwölf Schallwandlern ohne Entzerrlautsprecher bei 200Hz einen THD Wert von 10% erreicht. Dieser Wert wird durch eine Halbierung der bisherigen Spannung pro Einzelwandler erreicht und stellt für den Wandler eine Belastung dar, die er auch über eine lange Betriebsdauer unbeschadet überstehen kann. Das Entzerrsignal für den Wandler D3E wurde auf Basis des Klirrspekt- rums der Membranschnelle von D2 bei identisch reduzierter Spannung bestimmt und um 20 · log(12) = 21 , 6 dB erhöht, um zwölf Wandler zu entzerren. In Hauptabstrahlungsrich- tung kann der Klirrfaktor des Lautsprecherarrays durch den Entzerrlautsprecher von 10,7% auf 3,4% gesenkt werden. Dies entspricht einer Reduktion um 10 dB. Der maximale Abstand zwischen Entzerrlautsprecher und Verzerrlautsprechern beträgt bei dieser An- Ordnung 7,4 cm. Der Wandlerabstand hat einen entscheidenden Einfluss auf die Wirksamkeit der Ansteuerungsmethode. Bei zu großem Wandlerabstand resultieren, abhängig vom Hörort, unterschiedliche Laufzeiten von Zerr- und Entzerrlautsprecher. Demzufolge können Obertöne höherer Ordnung aufgrund ihrer kürzeren Wellenlänge im Vergleich zu niedrigeren Ordnungen schlechter reduziert werden. Der THD als alleinige Beurteilungs- große reicht nicht aus, da er nur die Summe der Obertöne, nicht aber deren Verhältnis zueinander wiedergibt. Es ist theoretisch sogar möglich, dass durch den Entzerrlautsprecher der THD Wert sinkt, einzelne Obertöne aber verstärkt werden und das Klangbild daher verschlechtert wird. Um den Einfluss der Arrayausdehnung in einer späteren Anwendung zu untersuchen, wurde die räumliche Schallabstrahlung das Arrays aus zwölf Lautsprechern mit einem Entzerrlautsprecher in der horizontalen 0°-Ebene untersucht. Der Schalldruckpegel der zweiten und dritten Harmonischen wird durch den Entzerrlautsprecher weitgehend winkelunabhängig um ca. 10 dB reduziert. Die vierte Harmonische zeigt dagegen ein abwei- chendes Verhalten. Ihr Schalldruckpegel scheint sich durch den Entzerrlautsprecher nicht auszulöschen, sondern steigt sogar geringfügig. Auch dieses Verhalten ist weitgehend unabhängig vom Messwinkel, was darauf schließen lässt, dass der korrekte Phasenwinkel, der zur Auslöschung notwendig ist, nicht genau genug getroffen wurde. Ein weiteres Indiz hierfür ist die Tatsache, dass schon bei der Entzerrung eines einzelnen Lautspre- chers die Phasendifferenz von Entzerr- zu Zerrlautsprecher vom Idealwert 180° um 42° abweicht. Da die vierte Harmonische aber um ca. 50 dB SPL schwacher als die Grundfre- quenz ist, ist ihr Einfluss auf den Klirrfaktors sehr gering. Die fünfte Harmonische zeigt, dass die Methode auch bei höheren Frequenzen (hier 1000Hz) funktioniert. Allerdings wird ihr Schalldruckpegel nicht mehr um 10 dB reduziert, sondern nur noch um ca. 5 dB auf Achse. Zu den Seiten fällt die Reduktion noch geringer aus. Der THD kann auf 0° um 10% reduziert werden. Abweichend von 0° bleibt die Reduktion bei dieser Abmessung und Frequenz weitestgehend erhalten. Dies belegt, dass die Methode auch für größere Arrays, wie z.B. im Flachlautsprecher, für den betrachteten Frequenzbereich sinnvoll eingesetzt werden kann und in dieser Konstellation weitgehend winkelunabhängig funktioniert.
An dieser Stelle sei auch noch auf die theoretische Betrachtung zur Effizienzsteigerung hingewiesen: Mit dem untersuchten Array aus zwölf Lautsprecher kann der THD bei 200Hz durch die Hinzunahme eines Entzerrlautsprechers von 10,7% auf 3,4% reduziert werden. Im Folgenden soll eine theoretische Abschätzung erfolgen, wie viele Lautspre- eher in einem Array ohne zusätzlichen Entzerrlautsprecher nötig sind, um denselben Schalldruckpegel bei gleichem THD Wert zu erzielen. Das Array aus zwölf Lautsprechern zuzüglich Entzerrlautsprechern erreicht bei 200Hz Anregung und 3,4% THD im Abstand von 1 ,55m einen Schalldruckpegel von 81 ,4 dB10. Ohne Entzerrlautsprecher erzeugt der Einzelwandler bei gleichem Abstand und 3,4% THD maximal 53,4 dB SPL1 1 . Demzufolge ergibt sich bei zwölf Wandlern ohne Entzerrung ein Gesamtschalldruckpegel von maximal 53, 4 dB+20- log(12) dB = 75 dB. Dieser Wert liegt 6,4 dB unter dem erreichten SPL des Arrays mit Entzerrlautsprecher. Um mit einem Array aus identischen Lautsprechern ohne Entzerrlautsprecher einen SPL von 81 ,4 dB zu erreichen, sind dafür mindestens 10(81 ,4-53,4) / 20 = 25, 1 - also 26 Wandler notwendig. Die Verwendung der Klirrfaktor- reduktion mit zusätzlichem Entzerrlautsprecher ermöglicht es, unter den beschrieben Voraussetzungen den gleichen SPL ohne eine Erhöhung des THDs mit 13 anstatt 26 Einzelwandlern zu erzeugen. Dies entspricht einer Halbierung der benötigten Einzellautsprecher. Fig. 5a zeigt ein schematisches Diagramm eines Amplitudenspektrums eines einzelnen Lautsprechers bei einer Zweitonsinusanregung mit beispielsweise 200 Hz und 5500 Hz. Das resultierende Amplitudenspektrum des Einzellautsprechers mit einem zusätzlichen Kompensationslautsprecher ist in Fig. 5b dargestellt. Wie zu erkennen ist, bewirkt auch bei der Zweisinusanregung die Nutzung der Mittel zur Kompensation eine Reduktion der Intermodulationsverzerrung von IMD 4,3 % auf IMD 1 ,2 %. Zum Hintergrund: Im Stand der Technik wird das Controlsignal dem Anregungssignal zugeführt, die Kompensation der Wandlemichtlinearitäten findet also direkt am betroffenen Lautsprecher statt. Der Arraygedanke, wie bisher untersucht, findet im Stand der Technik keine Verwendung. Zur finalen Untersuchung der Wirksamkeit der beschriebenen Kom- pensationsmethode soll ein Vergleich mit dem Stand der Technik dienen. Das durch eine Schnellesimulation berechnete Controlsignal wird wie im Stand der Technik "über den Zerrlautsprecher wiedergegeben. In unten dargestellter Tabelle sind die Werte der THD Reduktion eingetragen. Die modellbasierte Reduktion des Klirrfaktors auf einem Wandler ist "ähnlich gering wie die modellbasierte Kompensation mit zusätzlichen Entzerrlautspre- eher. Bei 170Hz und 200Hz kann nur der zweite Oberton abgesenkt werden. Dritter und vierter Oberton werden durch die falsche Phasenlage sogar deutlich erhöht, welches sich in einer deutlichen Verzerrung der Wellenform im Zeitsignal und einer verschlechterten Wiedergabequalität äußert. Die Untersuchungen mit den modellbasierten Controlsignalen zeigen, dass das aus der Fachliteratur entnommene Lautsprechermodell zu ungenau ist, um bei einer Anregung mit diskreten Sinustönen eine Klirrfaktorreduktion zu bewirken. Dabei wird bei harmonischen Verzerrungen eine Reduktion von 20% auf 1-3% Prozent bzw. eine Dämpfung von mindestens 16 dB erreicht. Möglicherweise kann durch die adaptive Nachfuhren, mit der ständig die Modellparameter erneuert werden, eine höhere Kompensation, trotz des einfachen Lautsprechermodells erreicht werden. Nachfolgende Tabelle zeigt die THD der gemessenen Schallschnelle des Zerrlautsprechers D2z allein und zusammen mit dem auf Basis der Schnellemessung berechneten Controlsignal, welches über den gleichen Wandler wiedergegeben wurde.
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Das auf der simulierten Membranschnelle basierte Controlsignal zeigt, obwohl es wie im Stand der Technik beschrieben dem eigentlichen Anregungssignal hinzu geführt wurde, nur eine sehr geringe Reduktion des Klirrfaktors. Abschließend soll das Controlsignal, welches durch eine Messung der Schnelle berechnet wurde, "über den Zerrlautsprecher wiedergegeben werden. In obiger Tabelle sind die THD-Werte mit und ohne Controlsignal sowie die entsprechende THD Reduktion eingetragen. Zunächst muss angemerkt werden, dass sich die Klirrfaktorwerte bei 170Hz und 200Hz sowie die Zusammensetzung des zugehörigen Obertonspektrums ohne Controlsignal zu den Untersuchungsergebnissen trotz gleicher Anregung leicht unterscheiden. Dies kann durch den zeitlichen Abstand zwi- sehen den jeweiligen Messungen und den zwischenzeitlichen Umbauten des Messauf- baus und eine daraus leicht abweichende Mikrofonposition erklärt werden. Weiter sei angemerkt, dass der zweite Oberton bei 170Hz und 200Hz geringer reduziert wird, wenn das Controlsignal über den gleichen Wandler D2Z wiedergegeben wird. Bei 300Hz ist die Reduktionsleistung von beiden Methoden nahezu identisch. Die geringere Reduktion bei 170Hz und 200Hz, wenn das Controlsignal über den gleichen Wandler wiedergegeben wird, lässt sich durch die hohe Auslenkung der Membran bei tieferen Frequenzen erklären. Weiter ist ablesbar, dass der untersuchte Miniaturwandler bei 170Hz und 200Hz eine höhere Membranauslenkung als bei 300Hz erreicht.
Das bedeutet, dass der Wandler durch die höhere Auslenkung höhere nichtlineare Verzerrungen erzeugt, erkennbar am steigenden Klirrfaktor. Durch die Addition des Control- signals auf das Anregungssignals werden sich abhängig von der Phasenlage der Obertöne Spitzen im Zeitsignal ergeben, die eine noch höhere Auslenkung bewirken und neue Verzerrungsprodukte bilden, deren Kompensation durch das eigentliche Controllsignal nicht vorgesehen ist. Anders ausgedrückt, erreicht der Wandler bei der Anregung ohne Entzerrung bei derart hohen Klirrfaktoren bereits seine Auslenkungsgrenze und besitzt nicht mehr genug Kapazitäten oder Spielraum, um das zusätzliche Controlsignal präzise wiederzugeben. Beim 300Hz Ton, den der Wandler mit geringerer Auslenkung erzeugt, ist noch genügend Auslenkungsreserve vorhanden, um das Entzerrsignal ausreichend nachzubilden. Die Entzerrmethode mit zusätzlichen Entzerrlautsprecher ist sinnvoll, sobald der Zerrlautsprecher bereits nahe seiner Auslenkungsgrenze betrieben wird. Das Controlsignal kann "über den gleichen Zerrlautsprecher dann nicht mehr präzise genug reproduziert werden. Befindet sich der Zerrlautsprecher in einem weniger nichtlinearen Bereich, also bei geringer Auslenkung, bietet die neuartige Methode keine Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Beide Methode sind dann im Stande Verzerrungsprodukte zu reduzieren. Bei der Entzerrung über einen zusätzlichen Lautsprecher kann der Einfluss von Laufzeitunterschieden bei höheren Frequenzen einen Nachteil gegenüber dem Stand der Technik darstellen.
Wie die messtechnische Evaluation der Methode gezeigt hat, können die Werte für die harmonische Verzerrung (THD) um bis zu 21 dB reduziert werden. Außerdem konnte durch einen Entzerrlautsprecher das Klirrverhalten einer Wandlergruppe aus zwölf Lautsprechern maßgeblich verbessert werden. Anwendungen für die oben erläuterte Entzerrung sind: Lautsprecher/Lautsprechergruppierungen, Schallwandler, Aktoren, geschlossene Lautsprecher, ventilierte Lautsprecher, Lautsprecher mit einer/mehreren aktiven und einer/mehreren passiven Membranen, Körperschallanreger, Bass-Shaker, Ultraschallwandler, Exciter, Schallquellen aller Art. Die im Text genannte Bezeichnung„Lautsprecher" kann allgemein durch die hier aufgezählten Begriffe ersetzt werden.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Ver- fahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin be- schriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerpro- gramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist. Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (bei- spielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Patentansprüche
Kompensationsmittel für ein Lautsprechersystem (100), das eine erste Lautsprechergruppe (12) mit mindestens einem Schallwandler (12a, 12b) umfasst, wobei die erste Lautsprechergruppe (12) ausgebildet ist, um auf Basis eines Audiosignals (12s) ein erstes Schallsignal (12e) zu erzeugen, wobei das erste Schallsignal (12e) einen Nutzsignalanteil (12n) und einen Verzerrungssignalanteil (12v) umfasst, wobei die Kompensationsmittel folgende Eigenschaften aufweisen: eine zweite Lautsprechergruppe (14) mit mindestens einem Schallwandler (12a, 12b), wobei die zweite Lautsprechergruppe (14) ausgebildet ist, um auf Basis eines Kompensationssignals (14s) ein zweites Schallsignal (14e) zu erzeugen, das bei Überlagerung mit dem ersten Schallsignal (12e) den Verzerrungssignalanteil (12v) kompensiert und/oder reduziert.
Lautsprechersystem (100) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Lautsprechergruppe (12) mit mindestens einem Schallwandler (12a, 12b), wobei die erste Lautsprechergruppe (12) ausgebildet ist, um auf Basis eines Audiosignals (12s) ein erstes Schallsignal (12e) zu erzeugen, wobei das erste Schallsignal (12e) einen Nutzsignalanteil (12n) und einen Verzerrungssignalanteil (12v) umfasst; und einer zweiten Lautsprechergruppe (14) mit mindestens einem Schallwandler (12a, 12b), wobei die zweite Lautsprechergruppe (14) ausgebildet ist, um auf Basis eines Kompensationssignals (14s) ein zweites Schallsignal (14e) zu erzeugen, das bei Überlagerung mit dem ersten Schallsignal (12e) den Verzerrungssignalanteil (12v) kompensiert und/oder reduziert.
3. Lautsprechersystem (100) gemäß Anspruch 2, wobei die Überlagerung des zweiten Schallsignals (14e) und des ersten Schallsignals (12e) in einem im Raum (16) des erzeugten Schallfeld erfolgt.
4. Lautsprechersystem (100) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der mindestens eine Schallwandler (12a, 12b) der zweiten Lautsprechergruppe (14) oder die zweite Lautsprechergruppe (14) auf ein Schallfeld der ersten Lautsprechergruppe (12) oder eine Hörposition zugehörig zu der ersten Lautsprechergruppe (12) ausgerich- tet ist.
5. Lautsprechersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste Lautsprechergruppe (12) mindestens einen Passivschallwandler umfasst. 6. Lautsprechersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die erste Lautsprechergruppe (12) eine Mehrzahl von unabhängigen Schallwandlern (12a, 12b) zur Reproduktion eines Stereoschallfeldes und/oder eines Raumklangschallfeldes umfasst.
Lautsprechersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die erste Lautsprechergruppe (12) von der zweiten Lautsprechergruppe (14) maximal 3m oder bevorzugterweise maximal 1 m entfernt ist, so dass die Überlagerung im Nahfeld der ersten Lautsprechergruppe (12) erfolgt.
Lautsprechersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Laut- sprechersystem eine Berechnungseinheit mit einem Signalsynthetisator (17) umfasst, der ausgebildet ist, um ausgehend von einer Information über den Verzerrungssignalanteil (12v) das Kompensationssignal (14s) zu erzeugen.
Lautsprechersystem (100) gemäß Anspruch 8, wobei die Berechnungseinheit einen Signalanalysator (19) umfasst, der ausgebildet ist, um das erste Schallsignal (12e) hinsichtlich des Nutzsignalanteils (12n) und des Verzerrungssignalanteils (12v) zu analysieren und die Information über den Verzerrungssignalanteil (12v) zu extrahieren.
Lautsprechersystem (100) gemäß Anspruch 9, wobei der Signalanalysator (19) zum Analysieren das Audiosignal (12s) erhält und mit dem ersten Schallsignal (12e) vergleicht.
1 1 . Lautsprechersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Information über den Verzerrungssignalanteil (12v) den von dem Nutzsignalanteil (12n) isolierten Verzerrungssignalanteil (12v) umfasst. 12. Lautsprechersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , wobei der Sig- nalsynthetisator (17) ausgebildet ist, den Verzerrungssignalanteil (12v) zu invertieren, um das Kompensationssignal (14s) zu erhalten.
13. Lautsprechersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Sig- nalsynthetisator (17) ausgebildet ist, das Kompensationssignal (14s) unter Einbezug der Übertragungsfunktion des mindestens einen Schalwandlers der zweiten Lautsprechergruppe (14) zu ermitteln.
14. Lautsprechersystem (100) gemäß Anspruch 9, wobei der Signalanalysator (19) Mittel zur Messung (21 ) der Beschleunigung, der Schnelle und/oder der Auslenkung der Membran oder Mittel zur Messung (21 ) des Luft- oder Körperschalls und/oder ein Mikrofon und/oder Mittel zur elektrischen Messung an den Lautsprecherklemmen umfasst. 15. Lautsprechersystem (100) gemäß Anspruch 9, wobei der Signalanalysator (19) Mittel zur Modellierung und Simulation des Nutzsignalanteils (12n) und Verzerrungssignalanteils (12v) umfasst.
16. Lautsprechersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 15, wobei die zweite Lautsprechergruppe (14) eine Mehrzahl von unabhängigen Schallwandlern (12a,
12b) umfasst und ausgebildet ist, das zweite Schallsignal (14e) mittels Beamfor- ming zu emittieren.
17. Lautsprechersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 16, wobei die zweite Lautsprechergruppe (14) eine Mehrzahl von unabhängigen Schallwandlern (12a,
12b) umfasst und ausgebildet ist, mehrerer zweite Schallsignal (14e) für mehrere Schallfelder zu erzeugen.
18. Berechnungseinheit mit einem Signalsynthetisator (17), wobei der Signalsynthetisator (17) ausgebildet ist, um ausgehend von einer Information über einen Verzerrungssignalanteil (12v), welches zusammen mit einem Nutzsignalanteil (12n) von einem ersten Schallsignal (12e) umfasst wird, das von einer ersten Lautsprechergruppe (12) auf Basis eines Audiosignals (12s) erzeugt ist, ein Kompensationssignal (14s) zu ermitteln, wobei das Kompensationssignal (14s) geeignet ist, um bei Ausgabe desselben als zweites Schallsignal (14e) über eine zweite Lautsprechergruppe (14) durch Überlagerung mit dem ersten Schallsignal (12e) den Verzerrungssignalanteil (12v) zu kompensieren und/oder zu reduzieren.
Verfahren (100) zur Erzeugung eines Nutzsignalanteils (12n), mit folgenden Schritten:
Ausgeben (1 10), unter Zuhilfenahme einer ersten Lautsprechergruppe (12) mit mindestens einem Schallwandler (12a, 12b), eines ersten Schallsignals (12e) auf Basis eines Audioausgangssignals, wobei das erste Schallsignal (12e) einen Nutzsignalanteil (12n) und einen Verzerrungssignalanteil (12v) umfasst; und
Ausgeben (120) unter Zuhilfenahme einer zweiten Lautsprechergruppe (14) mit mindestens einem Schallwandler (12a, 12b), eines zweiten Schallsignals (14e) auf Basis eines Kompensationssignals (14s), wobei das zweite Schallsignal (14e) bei Überlagerung mit dem ersten Schallsignal (12e) den Verzerrungssignalanteil (12v) kompensiert und/oder reduziert.
Verfahren zur Berechnung eines Kompensationssignals (14s), mit folgenden Schritten:
Ermitteln (200) eines Kompensationssignal (14s) ausgehend von einer Information über einen Verzerrungssignalanteil (12v), welches zusammen mit einem Nutzsignalanteil (12n) von einem ersten Schallsignal (12e) umfasst wird, das von einer ersten Lautsprechergruppe (12) auf Basis eines Audiosignals (12s) erzeugt ist; und
Kompensieren und/oder Reduzieren des Verzerrungssignalanteils (12v) bei Ausgabe des Kompensationssignals (14s) als zweites Schallsignal (14e) über eine zweite Lautsprechergruppe (14) durch Überlagerung mit dem ersten Schallsignal (12e).
21 . Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 19 oder 20, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
22. Kompensationsmittel für ein Lautsprechersystem (100), das eine erste Lautsprechergruppe (12) mit mindestens einem Schallwandler (12a, 12b) umfasst, wobei die erste Lautsprechergruppe (12) ausgebildet ist, um auf Basis eines Audiosignals (12s) ein erstes Schallsignal (12e) zu erzeugen, wobei das erste Schallsignal (12e) einen Nutzsignalanteil (12n) und einen Verzerrungssignalanteil (12v) umfasst, wobei die Kompensationsmittel folgende Eigenschaften aufweisen: eine zweite Lautsprechergruppe (14) mit mindestens einem Schallwandler (12a, 12b), wobei die zweite Lautsprechergruppe (14) ausgebildet ist, um auf Basis eines Kompensationssignals (14s) ein zweites Schallsignal (14e) zu erzeugen, das bei Überlagerung mit dem ersten Schallsignal (12e) den Verzerrungssignalanteil ( 2v) kompensiert und/oder reduziert; wobei die Kompensationsmittel eine Berechnungseinheit mit einem Signalsyntheti- sator (17) umfassen, der ausgebildet ist, um ausgehend von einer Information über den Verzerrungssignalanteil (12v) das Kompensationssignal (14s) zu erzeugen; und wobei die Berechnungseinheit einen Signalanalysator (19) umfasst, der ausgebildet ist, um das erste Schallsignal (12e) hinsichtlich des Nutzsignalanteils (12n) und des Verzerrungssignalanteils (12v) zu analysieren und die Information über den Verzerrungssignalanteil (12v) zu extrahieren; wobei der Signalsynthetisator (17) ausgebildet ist, den extrahierten Verzerrungssignalanteil (12v) zu invertieren, um das Kompensationssignal (14s) zu erhalten.
23. Lautsprechersystem (100) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Lautsprechergruppe (12) mit mindestens einem Schallwandler (12a, 12b), wobei die erste Lautsprechergruppe (12) ausgebildet ist, um auf Basis eines Audiosignals (12s) ein erstes Schallsignal (12e) zu erzeugen, wobei das erste Schallsignal (12e) einen Nutzsignalanteil (12n) und einen Verzerrungssignalanteil (12v) umfasst; und einer zweiten Lautsprechergruppe (14) mit mindestens einem Schallwandler (12a, 12b), wobei die zweite Lautsprechergruppe (14) ausgebildet ist, um auf Basis eines Kompensationssignals (14s) ein zweites Schallsignal (14e) zu erzeugen, das bei Überlagerung mit dem ersten Schallsignal (12e) den Verzerrungssignalanteil (12v) kompensiert und/oder reduziert; wobei das Lautsprechersystem eine Berechnungseinheit mit einem Signalsyntheti- sator (17) umfasst, der ausgebildet ist, um ausgehend von einer Information über den Verzerrungssignalanteil (12v) das Kompensationssignal (14s) zu erzeugen; und wobei die Berechnungseinheit einen Signalanalysator (19) umfasst, der ausgebildet ist, um das erste Schallsignal (12e) hinsichtlich des Nutzsignalanteils (12n) und des Verzerrungssignalanteils (12v) zu analysieren und die Information über den Verzerrungssignalanteil (12v) zu extrahieren; wobei der Signalsynthetisator (17) ausgebildet ist, den extrahierten Verzerrungssignalanteil (12v) zu invertieren, um das Kompensationssignal (14s) zu erhalten.
24. Berechnungseinheit mit einem Signalsynthetisator (17), wobei der Signalsynthetisator (17) ausgebildet ist, um ausgehend von einer Information über einen Verzerrungssignalanteil (12v), welches zusammen mit einem Nutzsignalanteil (12n) von einem ersten Schallsignal (12e) umfasst wird, das von einer ersten Lautsprechergruppe (12) auf Basis eines Audiosignals (12s) erzeugt ist, ein Kompensationssignal (14s) zu ermitteln, wobei das Kompensationssignal (14s) geeignet ist, um bei Ausgabe desselben als zweites Schallsignal (14e) über eine zweite Lautsprechergruppe (14) durch Überlagerung mit dem ersten Schallsignal (12e) den Verzerrungssignalanteil (12v) zu kompensieren und/oder zu reduzieren; wobei der Signalsynthetisator ausgebildet ist, um ausgehend von einer Information über den Verzerrungssignalanteil (12v) das Kompensationssignal (14s) zu erzeugen; und wobei die Berechnungseinheit einen Signalanalysator (19) umfasst, der ausgebildet ist, um das erste Schallsignal (12e) hinsichtlich des Nutzsignalanteils (12n) und des Verzerrungssignalanteils (12v) zu analysieren und die Information über den Verzerrungssignalanteil (12v) zu extrahieren; wobei der Signalsynthetisator (17) ausgebildet ist, den extrahierten Verzerrungssignalanteil (12v) zu invertieren, um das Kompensationssignal (14s) zu erhalten.
Verfahren (100) zur Erzeugung eines Nutzsignalanteils (12n), mit folgenden Schritten:
Ausgeben (1 10), unter Zuhilfenahme einer ersten Lautsprechergruppe (12) mit mindestens einem Schallwandler (12a, 12b), eines ersten Schallsignals (12e) auf Basis eines Audioausgangssignals, wobei das erste Schallsignal (12e) einen Nutzsignalanteil (12n) und einen Verzerrungssignalanteil (12v) umfasst;
Ermitteln (200) eines Kompensationssignal (14s) ausgehend von einer Information über einen Verzerrungssignalanteil (12v), welches zusammen mit einem Nutzsignalanteil (12n) von einem ersten Schallsignal (12e) umfasst wird; und
Ausgeben (120) unter Zuhilfenahme einer zweiten Lautsprechergruppe (14) mit mindestens einem Schallwandler (12a, 12b), eines zweiten Schallsignals (14e) auf Basis des Kompensationssignals (14s), wobei das zweite Schallsignal (14e) bei Überlagerung mit dem ersten Schallsignal (12e) den Verzerrungssignalanteil (12v) kompensiert und/oder reduziert; wobei das Ermitteln die Unterschritte des Erzeugens des Kompensationssignals (14s) ausgehend von einer Information über den Verzerrungssignalanteil (12v), des Analysierens des ersten Schallsignals (12e) hinsichtlich des Nutzsignalanteils (12n) und des Verzerrungssignalanteils (12v), des Extrahierens der Information über den Verzerrungssignalanteil (12v) und des Invertierens des extrahierten Verzerrungssignalanteils (12v), um das Kompensationssignal (14s) zu erhalten, umfasst.
Verfahren zur Berechnung eines Kompensationssignals (14s), mit folgenden Schritten:
Ermitteln (200) eines Kompensationssignal (14s) ausgehend von einer Information über einen Verzerrungssignalanteil (12v), welches zusammen mit einem Nutzsignalanteil (12n) von einem ersten Schallsignal (12e) umfasst wird, das von einer ersten Lautsprechergruppe (12) auf Basis eines Audiosignals (12s) erzeugt ist; und
Kompensieren und/oder Reduzieren des Verzerrungssignalanteils (12v) bei Ausgabe des Kompensationssignals (14s) als zweites Schallsignal (14e) über eine zweite Lautsprechergruppe (14) durch Überlagerung mit dem ersten Schallsignal (12e); wobei das Ermitteln die Unterschritte des Erzeugens des Kompensationssignals (14s) ausgehend von einer Information über den Verzerrungssignalanteil (12v), des Analysierens des ersten Schallsignals (12e) hinsichtlich des Nutzsignalanteils (12n) und des Verzerrungssignalanteils (12v), des Extrahierens der Information über den Verzerrungssignalanteil (12v) und des Invertierens des extrahierten Verzerrungssignalanteils (12v), um das Kompensationssignal (14s) zu erhalten, umfasst.
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