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Audioverstärker mit einer regelbaren
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Verstärkerstufe Die Erfindung betrifft einen Audioverstärker mit
einer regelbaren Verstärkerstufe, einem Schallwandler zur Erzeugung eines Signals,
das für den Geräuschpegel in mindestens einem Teil eines Bereiches charakteristisch
ist, der von einer an den Audioverstärker angeschlossenen lautsprecheranlage versorgt
wird, und mit einer Einrichtung zur Regelung der Verstärkerstufe in Abhängigkeit
von Änderungen des für den Geräuschpegel charakteristischen Signals.
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Ein solcher Audioverstärker hat den Zweck, den Pegel von reproduzierter
Sprache oder Musik dem in der Umgebung
herrschenden Geräuschpegel
anzupassen, also zu erhöhen oder zu vermindern, wenn der herrschende Geräuschpegel
zu- oder abnimmt.
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Ein Audioverstärker der eingangs genannten Art ist aus der GB-PS 1
449 825 bekannt. Bei diesem Audioverstärker wird der Geräuschpegel der Umgebung
nur festgestellt, wenn das dem Verstärker zugeführte Eingangssignal unter einen
bestimmten Pegel abfällt, wie es bei natürlichen oder künstlich eingeführten Schweige-
oder Ruheperioden der Fall ist.
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Der bei der Messung des Geräuschpegels erhaltene Wert wird in einen
Speicher aufgenommen, dessen Ausgangssignal den Verstärkungsfaktor der regelbaren
Verstärkerstufe bestimmt.
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Dieses System hat den Nachteil, daß infolge der Seltenheit natürlicher
Schweige- oder Ruheperioden sehr starke Änderungen des herrschenden Geräuschpegels
zwischen diesen Perioden stattfinden können, während wiederholt künstlich eingeführte
Ruheperioden einen Informationsverlust und/oder eine Verärgerung der Zuhörer zur
Folge haben können. In Umgebungen, in denen sehr schnelle Änderungen des Hintergrund-Geräusches
stattfinden können, wie beispielsweise in Fahrzeugen, kann das bekannte System nicht
ausreichend schnell auf Geräuschänderungen ansprechen, ohne daß das dem Verstärker
zugeführte Audiosignal so oft unterdrückt wird, daß ein für den Zuhörer unannehmbares
Ausgangssignal des Verstärkers die Folge ist. Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe
zu Grunde, einen Audioverstärker der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß
er auf Variationen im Geräuschpegel der Umgebung schnell anspricht, ahne sein Ausgangssignal
in unannehmbarer Weise zu unterbrechen.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß
der
Audioverstärker Einrichtungen zum Unterdrücken wenigstens eines Frequenzbandes des
der Verstärkerstufe zugeführten Audiosignals und zum Unterdrücken aller Frequenzen
bis auf diejenigen des wenigstens einen Frequenzbandes des für den Geräuschpegel
charakteristischen Signals umfaßt und die Verstärkerstufe in Abhangigkeit von Frequenzkomponenten
des Geräuschpegels geregelt wird, die innerhalb des wenigstens einen Frequenzbandes
liegen.
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Es wurde festgestellt, daß es bei Audiosystemen geringer Wiedergabetreue,
wie sie häufig in Fahrzeugen zur Personenbeförderung angetroffen werden, ohne weiteres
möglich ist, gewisse Frequenzbänder zu unterdrücken, ohne daß das resultierende
Ausgangssignal für die Zuhörer unannehmbar wird.
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Vorzugsweise umfassen die Einrichtungen zum Unterdrücken wenigstens
eines Frequenzbandes des Audiosignals Filter, die periodisch ein- und ausschaltbar
sind. Weiterhin kann der Audioverstärker Einrichtungen aufweisen, die feststellen,
wenn das der Verstärkerstufe zugeführte Audiosignal einen bestimmten Pegel unterschreitet.
Die Einrichtung zur Regelung der Verstärkerstufe kann dann auf den zu dieser Zeit
gemessenen Rauschpegel ansprechen, und es kann eine Einrichtung vorhanden sein,
die das Einschalten der Filter so lange verzögert, bis das Audiosignal eine bestimmte
Zeit über einem bestimmten Pegel geblieben ist. Zusätzlich könne Einrichtungen vorgesehen
sein, die eine Änderung des Verstärkungsfaktors nur uährend natürlicher Schweigeperioden
im Audiosignal und während der Einschaltzeiten der Filter zulassen.
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Zweckmäßigerweise wird das den Rauschpegel repräsentierende
Signal
in eine digitalte Form umgesetzt, bevor es in einem Digitalspeicher gespeichert
wird. Der Verstärkungsfaktor kann dann in Abhängigkeit von dem gespeicherten Wert
eingestellt werden.
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Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung an Hand der beigefügten
Zeichnung beschrieben, welche das Blockschaltbild eines Audioverstärkers nach der
Erfindung wie der gibt.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird ein Eingangssignal, bei dem
es sich um ein Sprache, Musik, Warnsignale o. dgl.
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darstellendes Audiosignal handelt, dem Eingang einer Anzahl schmalbandiger
Bandsperrfilter I zugeführt, die von einem Zeitgeber 2 gesteuert werden. Der Zeitgeber
2 schaltet die Filter 1 periodisch ein und aus, so daß schmale Frequenzbänder des
Eingangssignales unterdrückt oder das Signal unverändert durchgelassen wird. Das
Ausgangssignal der Bandsperrfilter 1 wird einem Pufferverstärker 3 zugeführt, der
den Zweck hat, Rückwirkungen vom Audioverstärker auf die Signal quelle zu vermeiden
und auch die Steuerschaltungen von den Signalwegen zu trennen. Das Ausgangssignal
des Pufferverstärkers 3 wird einem regelbaren Verstärker 4 und außerdem einem Schaltverstärker
5 zugeführt. Unter "regelbarer Verstärker" soll ein Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor
verstanden werden. Der Schalt verstärker 5 stellt Perioden fest, während denen das
unbeeinflußte Signal unter einen bestimmten Pegel abfällt, der so eingestellt ist,
daß er einem von Lautsprechern, denen das Ausgangssignal des regelbaren Verstärkers
4 zugeführt wird, erzeugten Schallpegel entspricht, der den herrschenden Geräuschpegel
nicht mehr nennenswert erhöht. Dieser Pegel kann mittels eines äußeren Einstellers
vom Benutzer bestimmt oder, bei
verfeinerten Systemen, auf einen
bestimmten Betrag unter einen Signalspitzenwert eingestellt werden, der automatisch
bestimmt wird. Der Schaltverstärker 5 führt ein Torsignal einem Sperrglied 6 zu,
dessen Funktion später behandelt wird.
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Der Schaltverstärker 5 empfängt auch ein periodisches Signal v6m Zeitgeber
2, welches anzeigt, wenn die Filter 1 eingeschaltet sind. Das Signal des Zeitgebers
2 hat auf den Schaltverstärker 5 die Wirkung wie ein den bestimmten Pegel unterschreitendes
Eingangssignal. Infolgedessen fahrt der Schalt verstärker 5 dem Sperrglied 6 immer
dann ein Torsignal zu, wenn die Filter 1 eingeschaltet sind, unabhängig von dem
gegenwärtigen Pegel des Eingangssignals, und während Perioden, in denen das Eingangssignal
den bestimmten Pegel unterschreitext.
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Jedesmal, wenn der Schaltverstärker 5 feststellt, daß das Eingangssignal
den bestimmten Pegel unterschreitet, setzt es den Zeitgeber 2 zurück. Daher arbeitet
der Zeitgeber 2 nur dann, wenn das Eingangssignal eine bestimmte Zeit lang ununterbrochen
höher war als der bestimmte Pegel.
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In dem Bereich, der von an den Audioverstärker angeschlossenen Lautsprechern
versorgt wird, ist ein Mikrophon 7 lange ordnet, welches ein elektrisches Signal
liefert, das für den herrschenden Geräuschpegel charakteristisch ist. Jeder Wandler,
der ein für den herrschenden Schalldruck charakteristisches elektrisches Signal
liefert, ist geeignet. Beispielsweise kann als Mikrophon ein Lautsprecher verwendet
werden, der denjenigen gleich ist, die zum Abstrahlen von Tönen benutzt werden,
so daß im System übliche Teile verwendet werden können. Das Mikrophon sollte an
einer Stelle
angeordnet sein, wo es auf den allgemeinen Geräuschpegel
des versorgten Bereiches ansprechen kann, und es sollte gewährleistet sein, daß
nach seiner Installation keine Einrichtungen in seiner Nähe angebracht werden können,
welche den Hintergrund-Geräuschpegel abschirmen. Das Ausgangssignal des Mikrophons
7 wird einer Anzahl von Bandpaßfiltern 8 zugeführt, welche alle Frequenzen außer
denjenigen unterdrücken, welche von den Bandsperrfiltern 1 eliminiert werden. Das
Ausgangssignal der Bandpaßfilter 8 wird in einem Verstärker 9 verstärkt.
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Das verstärkte Signal wird einem Detektor 10 zugeführt und hat einen
Wert, der nur dem Umgebungs-Geräuschpegel entspricht, denn entweder ist der reproduzierte
Schall unter dem vorbestimmten Pegel oder es haben die Filter 1 diejenigen Frequenzbänder
eliminiert, welche die Bandpaßfilter 8 durchlassen. Ein Signal des Sperrgliedes
6 steuert den Ausgang des Detektors 10 in solcher Weise, daß ein Ausgangssignal
einem Speicher 11 nur während einer Meßperiode zugeführt wird, d.h. nur dann, wenn
der Schaltverstärker 5 ieststellt, daß das Signal am Pufferverstärker 3 unter dem
bestimmten Pegel liegt, oder wenn uie Filter 1 eingeschaltet sind. Der Detektor
10 ist so ausgebildet, daß er dem vom Verstärker 9 zugeführten Signal schnell folgt,
so daß ein Maß für den herrschenden Geräuschpegel erhalten wird.
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Wenn die Zeitkonstante während der Meßzeit kurz bleibt, kann jede
plötzliche Änderung des Geräuschpegels, beispielsweise infolge des Hinfallens eines
metallischen Gegenstandes, zur Feststellung eines unkorrekten Geräuschpegels führen.
Daher wird die Zeitkonstante des Detektors 10 während der Meßperioden erhöht.
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Wenn natürliche Unterbrechungen des Eingangs- oder Audiosignals häufig
vorkommen, wird der Zeitgeber 2 zurückgestellt,
bevor er in Tätigkeit
tritt. Wenn jedoch innerhalb einer bestimmten Zeit keine natürlichen Unterbrechungen
auftreten, tritt der Zeitgeber 2 in Aktion und schaltet die Filter 1 ein. Die Filter
1 sind so gewählt, daß die hörbare Wirkung auf das Ausgangssignal des Audioverstärkers
minimal sind. Das Resultat dieser Anordnung ist derart, daß die Verstärkung des
Systems immer dann korrigiert wird, wenn der Zeitgeber arbeitet, oder sogar noch
häufiger bei Auftreten von natürlichen Unterbrechungen.
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Es ist erforderlich, das Ausgangssignal des Detektors 10 zu speichern,
damit sich der Verstärkungsfaktor des regelbaren Verstärkers 4 außerhalb der Meßperioden
nicht ändert.
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Es ist ersichtlich, daß der Verstärkungsfaktor des regelbaren Verstärkers
4 von dem im Speicher 11 gespeicherten Signalwert bestimmt wird. Die Ausbildung
des Speichers hängt in hohem Maße von dem gewünschten Grad der Regelung ab. Eine
einfache Anordnung besteht darin, den Geräuschpegel in eine Anzahl diskreter Pegel
von beispielsweise 3dB zu unterteilen, so daß es ausreicht, eine begrenzte Anzahl
von Verstärkungs-Einstellungen zu speichern. Bei einem verfeinerten System kann
ein Antog/Digital-Umsetzer verwendet werden, der ein kodiertes Ausgangssignal liefert,
das für das Ausgangssignal des Detektors 10 charakteristisch ist.
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In Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Ziffern kann die Anzahl
der Quantisierungsstufen sehr groß gemacht werden. Beispielsweise kann unter Verwendung
von zehn Ziffern eines Binärcode das Ausgangssignal des Detektors in 1024 Stufen
quantisiert werden, so daß jede Stufe einer sehr kleinen Änderung des Umgebungsgeräusches
entspricht. Dieses codierte Signal kann bei Bedarf unter Anwendung der normalen
Digitaltechnik
verarbeitet werden. Beispielsweise kann der Schwellenwert des Systems variiert werden,
indem von der im Speicher enthaltenen Zahl eine feste Zahl abgezogen wird. Weitere
Verfeinerungen können eine Variation des Verstärkufaktors zum Reduzieren des erzeugten
Schallpegels bei Nacht oder zum Erhöhen der Amplitude für Ansagen besonderer Wichtigkeit
umfassen. Beide Maßnahmen können durch eine Verarbeitung der im Speicher enthaltenen
digitalen Information verwirklicht werden, im ersten Fall in Abhängigkeit von einer
Zeituhr und im zweiten Fall manuell durch den Benutzer. Ebenfalls durch Maßnahmen,
bei denen es sich tatsächlich um die Anwendung der Technik der Datenverarbeitung
handelt, ist es möglich, den Audioverstärker zu veranlassen, die Verstärkung nicht
über einen Wert anzuheben, der zu einer Uberlastung aes Audiosystems führt oder
bei dem der erzeugte Schallpegel störend wirkt.
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Die im Speicher enthaltene Informatlon, gegebenenfalls nach zusätzlicher
Verarbeitung, wird dazu benutzt, den Verstärkungsfaktor des regelbaren Verstärkers
4 unter dem Einfluß des Sperrgliedes 6 zu bestimmen.
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Der regelbare Verstärker 4 bewirkt eine Kompensation von Änderungen
im Pegel des herrschenden Umgebungs-Geräusches, so daß die Verstärkung von Musik
oder Sprache darstellenden Audiosignalen bei hohem Geräuschpegel erhöht und in ruhiger
Umgebung vermindert wird. Der Verstärker 4 enthält ein den Verstärkungsfaktor beeinflussendes
Element, welches von dem i;n Speicher 11 enthaltenen Signal beeinflußt wird. Es
können unterschiedliche Elemente zur Verstärkungsänderung benutzt werden. Besonders
geeignet sind der Source-Drain-Widerstand eines Feldeffekttransistors oder ein Photowiderstand.
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Obwohl angenommen worden ist, daß eine Erhöhung oder Verminderung
des herrschenden Geräusdes eine Änderung des Verstärkungsfaktors zur Folge hat,
ist es möglich, bei einer Änderung des Geräuschpegels bei niedrigen Geräuschpegeln
den Effekt zu vergrößern oder auch zu vermindern, indem die Charakteristik des Detektors
verändert wird.
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Das Ausgangssignal des Detektors oder des Speichers kann Zusatzeinrichtungen
12 zugeführt werden, wie beispielsweise einem Aufzeichnungsgerät für eine spätere
Analyse. So können beispielsweise in einem Verkautgeschäft durch Studium der Aufzeichnung
des Geräuschpegels die Zeiten bestimmt werden, zu denen zusätzlm hes Personal benötigt
wird, um einen erhöhten Kundenandrang zu bewältigen, oder es kann auf der Basis,
daß eine größere Anzahl von Personen mehr Wärme entwickelt, das Geräuschsignal dazu
benutzt werden, eine Klimaanlage zu steuern.
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Das Ausgangssignal könnte auch dazu verwendet werden, Warneinrichtungen
auszulösen, wenn der herrschende Geräuschpegel einen bestimmten, eine Gefahr anzeigenden
Wert erreicht.
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Spezielle Schaltungsanordnungen für die bei der beschriebenen Ausführungsform
verwendeten Baueinheiten 3 bis 12 sind in der GB-PS 1 449 825 beschrieben.
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