DE19548149B4

DE19548149B4 - Audio-Einrichtung in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE19548149B4
Application number: DE1995148149
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Methner
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2015-12-23
Also published as: DE19548149A1

Abstract

Audio-Einrichtung in einem Kraftfahrzeug, mit zumindest einem tonfrequenten Wiedergabegerät, das Mittel zur Beeinflussung des Tonfrequenzganges umfaßt, und mit gehäuselos im Kraftfahrzeug eingebauten, mit dem Wiedergabegerät verbundenen Lautsprechern, die geeignet sind, auch Tonfrequenzen (f) kleiner als 200 Hz wiederzugeben, gekennzeichnet durch zumindest ein zwischen dem Wiedergabegerät und den Lautsprechern angeordnetes Passiv-Hochpaßfilter wenigstens zweiter Ordnung zur Beeinflussung des Eingangspegels der Lautsprecher, welches abgestimmt ist auf eine Frequenz (f) nahe einer Resonanzfrequenz (f_S) der Lautsprecher und derart ausgeführt ist, daß es den Membranhub (x) der Lautsprecher und damit den abzugebenden Schalldruck (p) einerseits deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz (f_S) reduziert und andererseits im Bereich der Resonanzfrequenz (f_S) erhöht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Audio-Einrichtung in einem Kraftfahrzeug, die im wesentlichen aus einem oder mehreren Wiedergabegeräten wie Auto-Radio, Kassetten-Abspielgerät, CD-Player besteht. Solchen Wiedergabegeräten sind Mittel zur Beeinflussung des Tonfrequenzganges zugeordnet. Audio-Signale werden über Lautsprecher gewandelt und wiedergegeben. Dabei ist es bekannt, daß einerseits Hochtonlautsprecher und andererseits auch Lautsprecher, die zur Wiedergabe von Tonfrequenzen kleiner als 200 Hz geeignet sind, zum Einsatz kommen. Die Mittel zur Beeinflussung des Tonfrequenzganges sollen immer den Klangeindruck im Kraftfahrzeug möglichst optimal gestalten. Dabei sind fahrzeugspezifische Bedingungen, wie in der DE 43 26 328 A1 angegeben, zu berücksichtigen. Andererseits werden auch Veränderungen des Tonfrequenzganges in Abhängigkeit von Betriebskennwerten des Kraftfahrzeugs vorgenommen, um bei möglichst allen Betriebsbedingungen den Klangeindruck zu optimieren. Dies kann sehr aufwendig, wie in der DE 32 24 078 A1 angegeben, erfolgen oder mit geringem Aufwand vorgenommen werden, wie es unter anderem in der DE 30 45 722 C3 beschrieben und in der Praxis üblich ist.
Die Wiedergabe von Bässen durch die Lautsprecher wird im allgemeinen nicht hohen Anforderungen gerecht, wobei die geringe Klangqualität tolerierbar wäre. Sehr nachteilig ist jedoch, daß es bei der Übertragung von Bässen mit ei ner Frequenz im Bereich unterhalb der Resonanzfrequenz der Lautsprecher zu starken Auslenkungen der Lautsprechermembran kommt, was letztlich zur Zerstörung der Lautsprecher führen kann. Da die Lautsprecher im sogenannten "Free Air"-Einbau gehäuselos an Verkleidungsteilen des Kraftfahrzeugs montiert sind, gibt es auch kein Luftvolumen (wie bei Boxen), dessen dynamische Federrate diesem Effekt entgegenwirkt.
In der DE 37 18 337 A1 ist eine Ansteuerschaltung für einen Baßlautsprecher offenbart, mit der die untere Grenzfrequenz in Abhängigkeit der Auslenkung des Lautsprechers verändert wird.
Der EP 0 568 721 A1 ist ein elektrodynamischer Lautsprecher in einem geschlossenen Gehäuse zu entnehmen. Der Lautsprecher wird über ein passives Hochpaßfilter zweiter Ordnung betrieben, wobei das Gehäusevolumen und das Hochpaßfilter an die verwendeten Parameter des verwendeten Lautsprechers angepaßt sind. Die Anpassung von Gehäusevolumen und Hochpaßfilter an die Parameter des Lautsprechers erfolgen derart, dass im Zusammenspiel mit den akustischen Eigenschaften des Lautsprechers und dessen elektrische Rückführung auf das Hochpaßfilter bestimmte akustisch günstige Frequenzgänge realisiert werden.
In der DE 42 12 622 A1 ist ein Hochpaßfilter für Lautsprecheranwendungen in Mehrwegsystemen offenbart.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Audio-Einrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen zu schaffen, bei der die mechanische Haltbarkeit von Lautsprechern verbessert ist und bei der so Überlastungen und Schädigungen vermieden werden. Dies soll zumindest ohne Verschlechterung des Klangeindrucks erreicht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich die Audio-Einrichtung nach der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale aus. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem Patentanspruch 2.
In Audio-Anlagen mit Lautsprechern, die geeignet sind, Tonfrequenzen kleiner als 200 Hz wiederzugeben, werden gedämpfte Lautsprecher eingesetzt, da bei Tonfrequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz der Lautsprecher hohe Membranauslenkungen (Membranhub) zur Erzeugung von Schalldruck erforderlich sind. Der hohe Membranhub kann bei sehr geringen Tonfrequenzen zu Verzerrungen und zur Lautsprecherschädigung führen. Durch die Dämpfung der Lautsprecher ist auch im Bereich der Resonanzfrequenz nur ein relativ geringer Schalldruck erzeugbar, womit Potential der Lautsprecher verschenkt wird. Im Bereich der Resonanzfrequenz besteht eine erhebliche Hubreserve.
Zur Vermeidung der Gefahr einer Lautsprecherschädigung sowie zur Verbesserung des Übertragungsverhaltens der Lautsprecher, werden die Eingangssignale der Lautsprecher hochpaßgefiltert. Es kommen Hochpaßfilter zweiter oder höherer Ordnung, bevorzugt mit geringer Dämpfung (Tschebyscheff-Filter) zur Anwendung.
Eine detaillierte Beschreibung der Erfindung erfolgt anhand der beiden in einer Figur gezeigten Diagramme. Einerseits ist der Frequenzgang (Schalldruck-Frequenz) qualitativ gezeigt und andererseits ist der Membranhub der Lautsprecher über der Frequenz dargestellt. Die Diagramme enthalten je eine Kurve für einen Lautsprecher einer Audio-Einrichtung nach dem Stand der Technik (gestrichelte Linie) und je ein Kurve für einen Lautsprecher einer Audio-Einrichtung mit dem Hochpaßfilter nach der Erfindung (fett durchgezogene Linie).
Aus den gestrichelt gezeichneten Linien 1, 2 für einen Lautsprecher nach dem Stand der Technik wird das weiter oben Ausgesagte deutlich. Der übertragbare Schalldruck p (Linie 1) steigt mit steigender Frequenz f bis auf einen Referenzschalldruck R an, welcher im Bereich unterhalb 200 Hz erreicht wird. Ein für Lautsprecher charakteristischer Wert ist der –3 db-Wert. Es wird die Frequenz f₃ angegeben, bei der ein Schalldruck p von 3 db unterhalb des Referenzschalldrucks R erreicht wird. Im Ausführungsbeispiel liegt dieser Wert f₃ etwa bei 120 Hz.
Die Linie 2 verdeutlicht den Membranhub x eines Lautsprechers in einer Audio-Einrichtung nach dem Stand der Technik. Der maximale lineare Hub x_max der Schwingspule (und damit der Membran) ist durch eine horizontale Linie verdeutlicht. Unterhalb einer Grenzfrequenz f_G von etwa 50 Hz wird der maximale Hub x_max überschritten, und es kommt zu Verzerrungen bzw. auch zur Schädigung des Lautsprechers. Der Bereich links von der Linie 2 und oberhalb von x_max ist schraffiert dargestellt. Es ist nachteilig, daß Lautsprecher von Audio-Einrichtungen nach dem Stand der Technik in diesem Bereich betreibbar sind.
Die fett durchgezogenen Linien 3, 4 gehören zu einer erfindungsgemäßen Audio-Einrichtung. Das Eingangssignal der Lautsprecher wird hochpaßgefiltert, wobei ein Hochpaßfilter abgestimmt ist auf eine Frequenz f im Bereich einer Resonanzfrequenz f_S der Lautsprecher. Der resultierende Frequenzgang (Linie 3) hat eine deutlich andere Charakteristik als dies ohne Hochpaßfilter der Fall war. Frequenzen f unterhalb von etwa 40 Hz sind überhaupt nicht übertragbar. Von dort aus steigt der übertragbare Schalldruck p jedoch steil an bis er im Bereich der Resonanzfrequenz f_S der Lautsprecher sein Maximum erreicht und wenig später in den Referenzschalldruck R übergeht. Rechts vom Schnittpunkt der beiden Linien 1, 3 (im Bereich der Resonanzfrequenz f_S) ist mit Hochpaßfilter ein höherer Schalldruck p übertragbar als ohne. Links vom Schnittpunkt (bei Frequenzen unterhalb von etwa 90 Hz) ist der übertragbare Schalldruck p jedoch gegenüber der AudioEinrichtung nach dem Stand der Technik verringert. Der –3 db-Wert wird bereits bei etwa f₃ = 100 Hz, also bei tieferen Frequenzen als vorab beschrieben erreicht.
Bei Betrachtung der Linie 4 wird deutlich, daß die Lautsprecher nunmehr nicht in einem Bereich mit unzulässig hoher Membranauslenkung betreibbar sind. Im gefährdeten Frequenzbereich ist der Membranhub durch die Wirkung des Hochpaßfilters deutlich gesenkt worden. Oberhalb von etwa 90 Hz werden bestehende Hubreserven jedoch besser als vorher ausgenutzt. Bässe von etwa 90 Hz bis 160 Hz werden mit höherem Schalldruck p übertragen, ohne daß die Gefahr der Lautsprecherschädigung besteht. Der Wirkungsgrad der Audio-Einrichtung wurde in diesem Frequenzbereich verbessert, was auch zu einer Verbesserung der Wiedergabequalität führt.
Das einzusetzende Hochpaßfilter ist von zweiter oder höherer Ordnung, womit die Steilheit der Filterfunktion festzulegen ist. Andererseits sollte das Hochpaßfilter vorzugsweise gering gedämpft sein (Tschebyscheff-Charakteristik), wodurch die Verschiebung des –3 db-Wertes von der Frequenz f₃ zur tieferen Frequenz f₃ erreichbar ist. Das Hochpaßfilter wird als Passiv-Filter zwischen einem Verstärker der Audio-Einrichtung und dem Lautsprecher als analoges Filter angeordnet.
Mit der Erfindung wird die Haltbarkeit von Lautsprechern durch Vermeidung von mechanischer Überlastung verbessert. Sehr tiefe Tonfrequenzen f führen nicht mehr zur Überschreitung des zulässigen Membranhubes x. Auch die Frequenz von f = 0 (Gleichspannung am Lautsprechereingang), die bei Fehlern der Audio-Einrichtung auftreten kann, führt zu keiner Lautsprecherschädigung, da sie vom Hochpaßfilter eliminiert wird.
Der Wirkungsgrad der Lautsprecher wird im Bereich der Resonanzfrequenz f_S verbessert, da dort bei gleichem Eingangssignal die Hubreserven der Lautsprechermembran besser ausgenutzt werden. Bässe in diesem Frequenzbereich sind damit mit höherem Schalldruck p übertragbar.
Die Überschreitung des zulässigen Hubes x der Lautsprechermembran beim Stand der Technik führt auch zu negativen Rückwirkungen im Verstärker der Audio-Einrichtung. Diese durch Überschwingen verursachten Rückwirkungen werden mit der Erfindung vermieden, wodurch sich auch die Qualität des Verstärkerausgangssignals verbessert. Letztlich werden Intermodulationsverzerrungen stark vermindert, was auch zu einer Klangverbesserung führt.
Die Erfindung ist mit relativ einfachen Mitteln und damit unaufwendig realisierbar. Sie kann bei vorhandenen Audio-Einrichtungen nachgerüstet oder grundsätzlich in neuen Audio-Einrichtungen vorgesehen werden. Auch bei gehäuselos im Kraftfahrzeug eingebauten Lautsprechern ist nunmehr ein Betrieb der Audio-Anlage mit wesentlich verringerter Gefahr der Lautsprecherschädigung bei hoher Klangqualität möglich.

Claims

Audio-Einrichtung in einem Kraftfahrzeug, mit zumindest einem tonfrequenten Wiedergabegerät, das Mittel zur Beeinflussung des Tonfrequenzganges umfaßt, und mit gehäuselos im Kraftfahrzeug eingebauten, mit dem Wiedergabegerät verbundenen Lautsprechern, die geeignet sind, auch Tonfrequenzen (f) kleiner als 200 Hz wiederzugeben, gekennzeichnet durch zumindest ein zwischen dem Wiedergabegerät und den Lautsprechern angeordnetes Passiv-Hochpaßfilter wenigstens zweiter Ordnung zur Beeinflussung des Eingangspegels der Lautsprecher, welches abgestimmt ist auf eine Frequenz (f) nahe einer Resonanzfrequenz (f_S) der Lautsprecher und derart ausgeführt ist, daß es den Membranhub (x) der Lautsprecher und damit den abzugebenden Schalldruck (p) einerseits deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz (f_S) reduziert und andererseits im Bereich der Resonanzfrequenz (f_S) erhöht.
Audio-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Lautsprecher mit hoher Dämpfung ein Hochpaßfilter mit geringer Dämpfung (Tschebyscheff-Filter) zuzuordnen ist.