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Die
Erfindung betrifft eine Lautsprecheranordnung und ein zugehöriges Verfahren
zur gerichteten Beschallung eines Kraftfahrzeugsitzes.
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Lautsprecheranordnungen
zur Beschallung des Innenraums eines Kraftfahrzeugs z.B. mit Musik oder
akustischen Informationen, die beispielsweise von einem Radio, CD-Player,
DVD-Player bzw.
einem Telekommunikations- oder Navigationssystem als Audiosignal
bereitgestellt werden, sind seit langem üblich und bekannt. Gängige Lautsprechersysteme
verwenden dabei üblicherweise
elektrodynamische Lautsprecher, wobei die Membran durch die Wechselwirkung
zwischen elektrischem Strom und einem magnetischen Gleichfeld angetrieben
und als Kraftquelle die Lorentzkraft ausgenutzt wird. Elektrodynamische
Lautsprecher sind jedoch aufgrund ihrer üblichen Konus-Bauform sowie
der verwendeten Permanent-Magneten in der Regel recht voluminös und schwer,
so dass insbesondere bei einer Anordnung mehrerer Lautsprecher ein
enormer Platzbedarf entsteht, der insbesondere in den begrenzten Raumverhältnissen
im Innenraum eines Kraftfahrzeugs Kompromisse hinsichtlich Einbauort,
Schalleistung sowie optimaler Abstrahlcharakteristik erforderlich
macht.
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Aus
der WO 99/56498 ist ein akustisches Element bekannt, welches eine
beliebige Anzahl, vorzugsweise zwei, Schichten und mindestens eine zu
der Schicht beabstandete Kunststofffolie umfasst, wobei mindestens
eine Schicht mindestens eine poröse
Schicht umfasst und die poröse
Schicht und die Kunststofffolie im wesentlichen nur an bestimmten Unterstützungsstellen
miteinander in Kontakt kommen, während
an den anderen Stellen ein Luftspalt zwischen der porösen Schicht
und der Kunststofffolie vorhanden ist. Die poröse Schicht ist entweder elektrisch
leitfähig
oder mindestens auf einer ihrer Oberflächen so beschichtet, dass sie
elektrisch leitfähig ist.
Die Kunststofffolie ist aufgeladen oder mit einer elektrisch leitenden
Oberfläche
versehen. Die Unterstützungsstellen,
an denen die Kunststofffolie und die poröse Schicht miteinander in Kontakt
kommen, sind derart angeordnet, dass die gesamte Struktur ihre Dicke
verändern
kann. Durch Anlegen eines Signals an mindestens eine poröse Schicht
wird dann die Kunststofffolie in Schwingungen versetzt, wobei vorzugsweise
auch die andere poröse
Schicht mit dem gegenphasigen Signal beaufschlagt wird. Diese Anordnung
stellt einen elektrostatischen Flächenlautsprecher dar. Elektrostatische Flächenlautsprecher
besitzen die Eigenschaft einer besonders ausgeprägten Richtcharakteristik, d.h.
eine ausgeprägte
Schallabstrahlung senkrecht zur Lautsprecherebene. Da sie üblicherweise
aus Kunststoff hergestellt werden, zeichnen sie sich neben ihrer
flachen Bauweise des Weiteren durch gute Formbarkeit und geringes
Gewicht aus. Allerdings ist die Richtcharakteristik der elektrostatischen
Flächenlautsprecher
von der Frequenz abhängig,
wobei die Richtcharakteristik bei tiefen Frequenzen schlechter wird.
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Häufig besteht
der Wunsch nach einer gezielten Einzelplatzbeschallung, beispielsweise
wenn der Fahrer über
eine Freisprecheinrichtung telefoniert oder per Sprachsteuerung
Kraftfahrzeugfunktionen bedient. Des Weiteren erlaubt eine Einzelplatzbeschallung
unterschiedliche individuelle Musikprogramme oder auch die Einrichtung
eines Sprachkanals zwischen zwei Fahrzeugsitzen, ohne die anderen
Fahrzeuginsassen zu stören.
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Der
Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Lautsprecheranordnung
zur gerichteten Beschallung eines Kraftfahrzeugsitzes sowie ein
zugehöriges
Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Lautsprecheranordnung zu
schaffen, mittels derer die anderen Fahrzeuginsassen weniger gestört werden.
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Die
Lösung
des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit
den Merkmalen der Ansprüche
1 und 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Hierzu
umfasst die Lautsprecheranordnung zur gerichteten Beschallung eines
Kraftfahrzeugsitzes mindestens zwei Lautsprecher, die von mindestens
einem Audio-Prozessor ansteuerbar sind, wobei der erste Lautsprecher
als mindestens ein elektrostatischer Flächenlautsprecher ausgebildet
ist und der mindestens eine zweite Lautsprecher in der Kopfstütze des
zugeordneten Kraftfahrzeugsitzes angeordnet ist, wobei das abzustrahlende
Audio-Signal in einem hochfrequenten Teil und einem tieffrequenten
Teil zerlegt wird, wobei der elektrostatische Flächenlautsprecher mit dem hochfrequenten
Teil angesteuert wird und der zweite Lautsprecher mit dem tieffrequenten
Teil angesteuert wird, wobei die Amplitude des tieffrequenten Teils
derart gewählt
wird, dass die tieffrequenten Teile nicht als Schall abgestrahlt
werden. Dadurch werden die tieffrequenten Anteile als mitbewegte
Mediummasse im Nahfeld der Kopfstütze wahrgenommen, ohne dass
die Nachbarplätze beeinflusst
werden, da keine Schallabstrahlung in das Fernfeld stattfindet.
Die hochfrequenten Anteile werden hingegen durch den elektrostatischen
Flächenlautsprecher
mit seiner guten Richtcharakteristik abgestrahlt. Diese kann dann
noch durch weitere Maßnahmen
wie Beamforming erhöht
werden, indem einzelne Flächenlautsprechersegmente
mit unterschiedlichen Übertragungsfunktionen
betrieben werden. Dabei sei angemerkt, dass Audio-Signal allgemein zu
verstehen ist und beispielsweise Musik oder natürliche Sprache sein kann, also
die Vorrichtung auch für
ein sprecheradaptives System Anwendung finden kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der mindestens zweite Lautsprecher als elektrodynamischer Lautsprecher
ausgebildet. Der Vorteil elektrodynamischer Lautsprecher ist, dass
diese preiswert sind und ausreichend große Luftmassen bewegen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die tieffrequenten Teile kleiner/gleich 500 Hz, weiter vorzugsweise
kleiner/gleich 300 Hz.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist der elektrostatische Flächenlautsprecher Mittel
zur aktiven und/oder passiven Dämpfung
der Schallabstrahlung in eine einer Hauptstrahlung entgegengesetzte
Abstrahlrichtung auf. Hierdurch kann ein Richtlautsprecher mit unidirektionaler
Abstrahlcharakteristik erzeugt werden. Dies wiederum unterdrückt störende Abstrahlungen,
die dann durch Reflexionen die Nachbarplätze wieder stören könnten.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der elektrostatische Flächenlautsprecher
am Dachhimmel angeordnet oder bildet diesen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens
eine erste Lautsprecher verschwenkbar im Innenraum eines Kraftfahrzeuges
angeordnet. Auf diese Weise kann der Lautsprecher in nahezu beliebige
Positionen gebracht und insbesondere im Hinblick auf seine Abstrahlcharakteristik
den akustischen Verhältnissen
des Innenraums sowie der individuellen Nutzungssituation innerhalb
des Fahrzeugs bzw. den Bedürfnissen
des Benutzers angepasst werden, so dass insbesondere die Einstrahlung
des Schalls zur Erzeugung von Rundumklang bzw. eine Einzelplatzbeschallung
ermöglicht
werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens
eine Lautsprecher ausklappbar am Dachhimmel des Kraftfahrzeugs angeordnet. Auf
diese Weise kann z.B. für
Passagiere im Fond des Fahrzeugs der Lautsprecher zur Benutzung
heruntergeklappt und in die akustisch optimale Position gebracht
werden, so dass der heruntergeklappte Lautsprecher das Audiosignal
entsprechend seiner ausgeprägten
Richtcharakteristik optimal und direkt von vorne auf den Fahrgast
abstrahlen kann. Wird der Lautsprecher nicht mehr benötigt, so
kann er wieder nach oben in die Ruheposition im Dachhimmel geklappt
werden und nimmt somit keinen zusätzlichen Raum mehr in Anspruch
bzw. stört
nicht die freie Sicht des Benutzers. Zum Versenken des Lautsprechers
im Dachhimmel sind dabei diverse bekannte Klapp- und/oder Schiebemechanismen
vorstellbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Mittel
zur passiven Dämpfung
der Schallabstrahlung als mindestens eine schalldämmende Schicht
an der der Hauptabstrahlrichtung abgewandten Seite des Lautsprechers
ausgebildet. Dabei ist vorzugsweise auf der der Hauptabstrahlrichtung
abgewandten Seite das Rückvolumen
des Flächenlautsprechers
durch eine dämmende
Schicht, beispielsweise aus Mineralwolle, akustisch möglichst stark
bedämpft
sowie durch einen weiter vorzugsweise möglichst schallharten Abschluss
nach außen
begrenzt. Somit wird in einfacher Weise eine unidirektionale Abstrahlung
des elektrostatischen Flächenlautsprechers
gewährleistet.
Die genannten passiven Dämpfungstechniken
entfalten dabei ihre beste Wirkung im mittleren und hohen Frequenzbereich.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Mittel
zur aktiven Dämpfung
der Schallabstrahlung als mindestens eine Vorrichtung zur aktiven
Schallauslöschung
ausgebildet, welche mindestens einen weiteren Lautsprecher umfasst,
wobei die aktive Schallauslöschung
durch Erzeugen eines Signals, das gegenphasig zum Signal des mindestens
einen Lautsprechers ist, sowie durch Ansteuern des weiteren Lautsprechers
mit dem gegenphasigen Signal erfolgt. Der weitere Lautsprecher ist
dabei vorzugsweise ebenfalls als elektrostatischer Flächenlautsprecher
ausgebildet, welcher die Abstrahlung von Schall in die der Hauptabstrahlrichtung
entgegengesetzte Richtung aktiv dämpft. Die aktive Dämpfung erfolgt
dabei nach dem in Theorie und Praxis wohlbekannten „Active
Noise Cancellation"-Prinzip (ANC),
häufig
auch als „Gegenschall"-Prinzip bezeichnet.
Dabei wird mit Hilfe des weiteren Lautsprechers ein Schallsignal
erzeugt, das zumindest entgegen der erwünschten Hauptabstrahlrichtung
gegenphasig zum Schallsignal des mindestens einen (Haupt-)Lautsprechers ist.
Dadurch löschen
sich die Schallamplituden der gegensätzlichen Phasen in der der
Hauptabstrahlrichtung entgegengesetzten Richtung im Idealfall gegenseitig
nahezu völlig
aus, was zu einer aktiven Schalldämpfung in der betreffenden Abstrahlrichtung
führt.
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Insbesondere
die Kombination solcher aktiver Dämpfungsmaßnahmen mit einer zusätzlichen passiven
Dämpfung
ist dabei äußerst effektiv
und führt
zu guten Ergebnissen. Das ANC-Prinzip kann zudem auch in vorteilhafter
Weise in der Hauptabstrahlrichtung zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik,
also zur Reduktion von unerwünschten
seitlichen Übersprecheffekten
bei der Einzelplatzbeschallung, Anwendung finden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Erzeugung
des gegenphasigen Signals in Abhängigkeit
eines von einem Mikrofon erfassten Schallsignals des mindestens
einen ersten Lautsprechers und/oder in Abhängigkeit eines mittels des
Audio-Prozessors aufbereiteten Signals zur Ansteuerung des mindestens
einen ersten Lautsprechers. Die Ansteuerung des weiteren Lautsprechers zur
Erzeugung des gegenphasigen Signals kann dabei zum einen adaptiv
mit Hilfe eines Mikrofons, durch welches das abgestrahlte Schallsignal
des (Haupt-)Lautsprechers erfasst wird, erfolgen. Dieses Vorgehen
erfordert zwar zusätzlichen
Hardwareaufwand, ist jedoch vergleichsweise einfach und preisgünstig zu
realisieren. Zudem können
dabei insbesondere die tatsächlichen
Abstrahlverhältnisse
im Rahmen eines geschlossenen „Feedback"-Regelkreises bestmöglich berücksichtigt
werden, da mittels des Mikrofons eine Erfassung des vom mindestens einen
(Haupt-)Lautsprecher tatsächlich
abgestrahlten Schalls und eine Erzeugung eines darauf basierenden „Fehlersignals" erfolgt, welches
in die Regelung einfließt.
Andererseits kann jedoch die Ansteuerung des weiteren Lautsprechers
zur Erzeugung des gegenseitigen Signals auch unmittelbar auf Basis des
aufbereiteten Signals zur Ansteuerung des mindestens einen (Haupt-)Lautsprechers
erfolgen, welches dann als Referenzsignal dient. Ist die Abstrahlcharakteristik
bzw. Übertragungsfunktion
des (Haupt-)Lautsprechers bekannt, so kann vorzugsweise mittels
des Audio-Prozessors aus dem gesendeten Referenzsignal des (Haupt-)Lautsprechers
im Rahmen einer vorwärtsgekoppelten „Feedforward"-Regelung, d.h. ohne
Nutzung des Fehlersignals, das zur aktiven Dämpfung notwendige „Gegensignal" berechnet werden.
Es ist des Weiteren auch vorstellbar, die Ansteuerung des weiteren
Lautsprechers anhand einer Kombination aus feedback- und feedforward-Regelung,
d.h. in Abhängigkeit
des vom Mikrofon abgegebenen Fehlersignals und des aufbereiteten
Referenzsignals zur Steuerung des (Haupt-)Lautsprechers zu betreiben,
um eine möglichst
effiziente aktive Dämpfung
zu erzielen. Die Realisierung des Reglers ist dabei sowohl in analoger als
auch digitaler Funktionsweise denkbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Mikrofon
als elektrostatisches Flächenmikrofon
ausgebildet. Zu diesem Zwecken kann die weitere vorteilhafte Eigenschaft
elektrostatischer Lautsprecher ausgenutzt werden, dass diese relativ einfach
auch als Mikrofon, d.h. zur Wandlung von Schalldrucken in ein elektrisches
Signal, betrieben werden können.
Wird an die porösen
Schichten elektrostatischer Lautsprecher keine Signalspannung aktiv
angelegt, so führt
eine einfallende Schallwelle zu einer Auslenkung der Kunststoffschicht,
was eine Spannungsänderung
an den Elektroden der porösen Schichten
zur Folge hat, welche als Signalspannung abgreifbar ist. Daher ist
es in einfacher Weise möglich,
die elektrostatischen Lautsprecher wechselweise auch als Mikrofon,
z.B. für
die Freisprechanlage oder zur fahrzeuginternen Kommunikation zwischen verschiedenen
Insassen, zu betreiben. Somit eröffnet
sich aufgrund der flachen Bauweise der Elektrostaten die Möglichkeit
der Nutzung von Richtmikrofonen auch im begrenzten Innenraum eines
Kraftfahrzeugs.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der mindestens
eine Lautsprecher und der mindestens eine weitere Lautsprecher als
elektrostatische Flächenlautsprecher
ausgebildet, wobei der jeweils eine als Flächendipol und der jeweils andere als
Flächenmonopol
ausgebildet ist. Elektrostatische Flächenlautsprecher können sowohl
als Flächenmonopol-
als auch als Flächendipol-Lautsprecher
betrieben werden. Unter einem Flächendipol
ist dabei ein Flächenlautsprecher
zu verstehen, dessen Richtcharakteristik eine Abstrahlung des Schalls
mit sich bringt, die in beiden Richtungen senkrecht zur Lautsprecheroberfläche gegenphasig
erfolgt. Unter einem Flächenmonopol
ist hingegen ein Flächenlautsprecher
zu verstehen, dessen Richtcharakteristik eine Abstrahlung des Schalls
mit sich bringt, die in beiden Richtungen senkrecht zur Lautsprecheroberfläche gleichphasig
erfolgt. Ein Flächenmonopol kann
beispielsweise mittels eines sog. Multilayer-Panels erzeugt werden,
welches einem aus mehreren Schichten sowie Membranen zusammengesetzten elektrostatischen
Flächenlautsprecher
entspricht. Für
die bereits oben beschriebene aktive Dämpfung mittels ANC ist es besonders
vorteilhaft, wenn jeweils einer der beiden verwendeten Lautsprecher
als Flächendipol
und der jeweils andere als Flächenmonopol
ausgebildet ist. Dabei ist darauf zu achten, dass jeweils diejenige
Seite der beiden Lautsprecher, die die zum anderen Lautsprecher
unterschiedliche Phase aufweist, in die der Hauptabstrahlrichtung
entgegengesetzten Richtung ausgerichtet ist, damit die Dämpfung mittels
Phasenauslöschung
nur in dieser Richtung erfolgt. Da demgegenüber in Hauptabstrahlrichtung
dann beide Lautsprecher zueinander gleichphasig abstrahlen, kann
der in "Wunschrichtung" abgestrahlte Schalldruck
dadurch sogar maximal verdoppelt werden. Es handelt sich bei dieser Anordnung
daher auch um einen sog. "aktiven
Reflektor".
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens
eine Lautsprecher als Mikrofon und/oder als akustisches Dämpfungselement
einsetzbar. Neben der bereits oben beschriebenen vorteilhaften Eigenschaft
von elektrostatischen Lautsprechern, in vergleichsweise einfacher
Weise auch als Mikrofon betrieben werden zu können, können diese auch aufgrund ihrer
flachen Bauweise, der porösen
Schichten sowie des in ihnen enthaltenen Luftvolumens gleichzeitig
als Dämpfungselemente
Verwendung finden. Dies bietet sich insbesondere in der am Dachhimmel
angebrachten klappbaren Variante an, wenn die Lautsprecher sich
in der nach oben geklappten Position befinden. Die dämpfende
Schicht kann dabei auf der Vorderseite des Flächenlautsprechers angeordnet
sein. In diesem Fall wird bei der aktiven Abstrahlung entsprechend
der Dämpfung
frequenzabhängig
stärker
abgestrahlt, um die Dämpfung
wieder zu kompensieren.
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Es
versteht sich, dass auch der mindestens eine zweite Lautsprecher
in der Kopfstütze
zur aktiven Schallfeldkompensation herangezogen werden kann. Hierzu
sind vorzugsweise Mikrofone in der Kopfstütze angeordnet, mit denen das
Schallfeld im Bereich der Kopfstütze
aufgenommen wird, wobei dann die zweiten Lautsprecher entsprechend
zur Erzeugung einer destruktiven Interferenz angesteuert werden.
Diese lokale ANC erfolgt vorzugsweise im Frequenzbereich von 500–1000 Hz,
weiter vorzugsweise im Bereich von 500–800 Hz. Weiter vorzugsweise
wird bei der ANC eine Transfer-Funktion zwischen Mikrofon und Ohrposition
berücksichtigt,
so dass die maximale destruktive Interferenz am Ohr und nicht am
Mikrofon stattfindet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Lautsprecheranordnung.
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Die
Lautsprecheranordnung 1 umfasst einen Audio-Prozessor 2,
eine Frequenzweiche 3, einen elektrostatischen Flächenlautsprecher 4 sowie
zwei elektrodynamische Lautsprecher 5, 6, die
in einer Kopfstütze 7 eines
Kraftfahrzeugsitzes 8 angeordnet sind. Der Audio-Prozessor 2 überträgt ein Stereo-Audio-Signal 9 an
die Frequenzweiche 3, wo für jeden Stereo-Kanal ein hochfrequenter
Teil und tieffrequenter Teil voneinander getrennt werden. Die beiden hochfrequenten
Teile 10, 11 werden jeweils einem Segment oder
einer Anzahl Segmente des elektrostatischen Flächenlautsprechers 4 zugeführt. Die beiden
tieffrequenten Teile 12, 13 werden jeweils einem
der elektrodynamischen Lautsprecher 5, 6 zugeführt, wobei
die elektrischen Zuleitungen hierzu vorzugsweise durch das Gestänge 14 der
Kopfstütze 7 geführt sind.
Dabei ist die Amplitude der hochfrequenten Teile 10, 11 ausreichend
hoch, so dass der elektrostatische Flächenlautsprecher 4 Schall
ins Fernfeldfeld abstrahlt. Da die Richtcharakteristik der elektrostatischen
Flächenlautsprecher
bei hohen Frequenzen sehr gut ist und gegebenenfalls noch durch
weitere Maßnahmen
wie Beamforming erhöht werden
kann, werden die Nachbarplätze
kaum beeinflusst. Die Amplitude der tieffrequenten Teile 12, 13 ist
hingegen derart niedrig gewählt,
dass kein Schall abgestrahlt wird, sondern nur die Mediummasse hin-
und herbewegt wird. Aufgrund der unmittelbaren Nähe zum Kopf des Fahrzeuginsassen
nimmt dieser die bewegte Mediummasse wahr, wohingegen aufgrund der
unterdrückten
Schallabstrahlung die Nachbarplätze
dieses nicht wahrnehmen. Durch diese Kombination wird eine sehr
gute gerichtete Kraftfahrzeugsitzbeschallung über den gesamten Frequenzbereich
erreicht. Dabei sei angemerkt, dass das Audio-Signal 9 selbstverständlich auch
ein Mono-Signal sein könnte.
Die Einstellung der Amplitude für
die tieffrequenten Teile 12, 13 kann dabei im
Audio-Prozessor 2 und/oder vor, in oder hinter der Frequenzweiche 3 sein.