DE4410671A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Korrektur des Frequenzganges von elektroakustischen Wandlern wie Lautsprechern oder dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur des Frequenzganges von elektroakustischen Wandlern wie Lautsprechern od. dgl., wonach der elektroakustische Wandler über einen vorgeschalteten elektronischen Mani­ pulator mit einer akustisch zu wandelnden elektrischen Eingangsfunktion beaufschlagt wird.

Derartige Verfahren sind aus der Praxis bekannt. Dabei stellt der elektronische Manipulator im einfachsten Fall einen Verstärker dar. Dieser Verstärker kann bei­ spielsweise entweder außerhalb des Lautsprechers an­ geordnet sein (Passivlautsprecher) oder in den Laut­ sprecher integriert sein (Aktivlautsprecher).

Im Zuge der zunehmenden Digitalisierung von Musiksigna­ len besteht vermehrt die Möglichkeit, daß Musik in Form von Digitalsignalen praktisch bis zu den Lautsprechern übertragen werden kann. Die Lautsprecher - oder auch Kopfhörer - stellen also gleichsam die letzte analoge Komponente einer ansonsten digitalen Musikübertragungs­ kette dar.

Dabei besteht bei derartigen elektroakustischen Wand­ lern ein ständiges Problem darin, daß die idealerweise bis hierher unverfälschte Musik nun durch das Eigen­ schwingverhalten der elektroakustischen Wandler beein­ trächtigt wird. So weisen derartige Wandler ein be­ stimmtes Resonanz- und Impulsverhalten auf, was durch konstruktive Maßnahmen (z. B. Dämpfung) nur unzureichend beherrscht werden kann. Im übrigen sind derartige Maß­ nahmen aufwendig und teuer. - Hier setzt die Erfindung ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dem es möglich ist, das von einem elektroakustischen Wandler zu wandelnde elektrische Signal auf elektronischem Weg so zu beeinflussen, daß hierdurch dem Eigenverhalten des elektroakustischen Wandlers Rechnung getragen wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die akustisch zu wandelnde elektrische Eingangs­ funktion mit der Eigenfunktion des elektroakustischen Wandlers überlagert wird, daß die überlagerte Funktion mit der unveränderten elektrischen Eingangsfunktion verglichen wird und Abweichungen der überlagerten Funk­ tion von der unveränderten Eingangsfunktion ausgewertet werden, daß die Eingangsfunktion - im Sinne einer Schleife - iterativ solange verändert und mit der Ei­ genfunktion überlagert wird, bis die Abweichungen der überlagerten Funktion von der unveränderten Eingangs­ funktion eine vorgegebene Größe unterschritten haben, und daß abschließend die auf diese Weise iterativ ver­ änderte Eingangsfunktion an den elektroakustischen Wandler übertragen wird. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, daß die iterativ veränderte Eingangsfunktion mit der Eigenfunktion des elektroakustischen Wandlers jeweils im Sinne einer Faltung der Funktionen überlagert wird. - Bei einer Faltung der elektrischen Eingangsfunktion mit der Eigenfunktion des elektroakustischen Wandlers han­ delt es sich mathematisch um folgende Gesetzmäßigkeit:

A(ν, t) = ∫ dE(ν, t-) I (ν, )

A(ν, t), E(ν, t), I(ν, t)

bezeichnen dabei die Antwortfunktion (überlagerte Funk­ tion), die Eigenfunktion des elektroakustischen Wand­ lers und die unveränderte Eingangsfunktion des akus­ tisch zu wandelnden elektrischen Signals.

Alle drei Größen hängen sowohl von der Frequenz als auch von der Zeit ab. Bei einem bestimmten elektrischen Eingangssignal ergibt sich das Ausgangssignal - also z. B. die Musik, die man hört - anhand der o.a. Glei­ chung für eine einzige Frequenz in Abhängigkeit von der Zeit. Wenn man die angegebene Gleichung für mehrere Frequenzen berechnet, erhält man ein Frequenzspektrum.

Kennt man nun die Eigenfunktion des elektroakustischen Wandlers, so läßt sich bei einer bestimmten elektri­ schen Eingangsfunktion diese Faltung berechnen. Ande­ rerseits kann aber auch die elektrische Eingangsfunk­ tion zunächst gespeichert und so aufbereitet bzw. ver­ ändert werden, daß die an den elektroakustischen Wand­ ler übertragene Funktion - gefaltet mit der Eigenfunk­ tion des Wandlers - der elektrischen Eingangsfunktion entspricht.

Diese Operation kann im einzelnen so ablaufen, daß der Pegel oder die Amplitude in Abhängigkeit von der Fre­ quenz (bei fester Zeit) - also das statische Frequenz­ spektrum - so verändert wird, daß die Überlagerung aus veränderter Eingangsfunktion und Eigenfunktion des elektroakustischen Wandlers auf die unveränderte Ein­ gangsfunktion führt. Wenn dieser Vorgang in bestimmten Zeitabständen wiederholt wird, so erhält man ein soge­ nanntes dynamisches Frequenzspektrum. Ein Beispiel für ein solches dynamisches Frequenzspektrum, welches das kumulative Abklingspektrum eines Lautsprechers wider­ spiegelt, ansonsten allerdings mit der Erfindung nichts zu tun hat, ist in Fig. 1 (aus Vance Dickason "Laut­ sprecherboxen", S. 259, Elektor-Verlag Aachen/1993) gezeigt.

Ein derartiges dynamisches Frequenzspektrum der ver­ änderten Eingangsfunktion wie des überlagerten Signals läßt sich erfindungsgemäß dadurch erhalten, daß die zeitabhängigen Daten für die Eingangsfunktion und das überlagerte Signal innerhalb eines vorgegebenen Zeitbe­ reiches durch eine FFT (fast freguency transform - schnelle Frequenztransformation) in frequenzabhängige Daten umgewandelt werden. Jedenfalls besteht erfin­ dungsgemäß die Möglichkeit, die akustisch zu wandelnde Eingangsfunktion so zu verändern, daß sie dem Eigen­ verhalten des elektroakustischen Wandlers Rechnung trägt. Dieser kann folglich einfach und preiswert auf­ gebaut sein. - Darin sind die wesentlichen Vorteile der Erfindung zu sehen.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind im folgen­ den aufgeführt. So ist vorgesehen, daß die akustisch zu wandelnde Eingangsfunktion in einem dem elektronischen Manipulator vorgeschalteten Speicher und zusätzlich in dem elektronischen Manipulator zwischengespeichert wird, wobei die in dem Speicher zwischengespeicherte Eingangsfunktion jeweils mit dem überlagerten Signal verglichen wird, während die im elektronischen Manipu­ lator zwischengespeicherte Eingangsfunktion iterativ verändert wird. Auf diese Weise steht die Eingangsfunk­ tion praktisch zweifach - als unveränderte Eingangs­ funktion im Speicher und als veränderte Eingangsfunk­ tion im Manipulator - zur Verfügung. Weiter kann eine einzige Eigenfunktion des elektroakustischen Wandlers für beliebige Eingangsfunktionen mit der iterativ ver­ änderten Eingangsfunktion überlagert werden. Es ist aber auch möglich, daß die Eigenfunktion des elektroa­ kustischen Wandlers in Abhängigkeit von der iterativ veränderten Eingangsfunktion vom elektronischen Manipu­ lator aus einer Vielzahl unterschiedlicher Eigenfunk­ tionen ausgesucht und mit der Eingangsfunktion über­ lagert wird. Hierdurch kann beispielsweise Alterungs­ erscheinungen des Lautsprechers Rechnung getragen wer­ den. Auch können auf diese Weise neue Lautsprecher­ chassis neu kalibriert werden ohne daß eine weiterge­ hende Anpassung der Lautsprecherbox erforderlich ist. Im einzelnen werden das überlagerte Signal und das unveränderte Eingangssignal punktweise voneinander abgezogen und die Differenz wird jeweils mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Dabei werden die punktweise ermittelten Differenzen und die zugeord­ neten Sollwerte jeweils in vorgegeben Zeit- und/oder Frequenzabständen ermittelt. Dies kann dann besonders vorteilhaft erfolgen, wenn die Zeit- und/oder Frequenz­ abstände an die menschliche Hörfähigkeit angepaßt sind oder anpaßbar sind. Denn nun kann der Tief- und Hoch­ tonbereich beispielsweise weniger Datenpunkte aufweisen als der Mitteltonbereich. Die Eigenfunktion des elek­ troakustischen Wandlers kann vorzugsweise durch stati­ sche oder dynamische Frequenzgangmessungen ermittelt werden. Es ist auch beabsichtigt, daß die Eigenfunktion des elektroakustischen Wandlers verändert werden kann, um beispielsweise eine Anpassung an die Hörraumakustik zu ermöglichen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung, welche sich zur Durchführung des beschriebenen Verfah­ rens besonders eignet. Diese Vorrichtung ist gekenn­ zeichnet durch einen Speicher, einen nachgeschalteten elektronischen Manipulator mit integriertem Speicher­ baustein und einen angeschlossenen elektroakustischen Wandler. Dabei sind der Speicher und der Speicherbau­ stein vorzugsweise jeweils als Halbleiterspeicher aus­ gebildet. Weiter ist beabsichtigt, daß der elektroni­ sche Manipulator zumindest einen Rechner mit Speicher und mit Ein- Ausgabeeinheit und einen zugeordneten FFT- Analysator aufweist. Die Eigenfunktion des elektroaku­ stischen Wandlers läßt sich dann besonders elegant speichern, wenn sie in einem an den Rechner anschließ­ baren und von dem Rechner auslesbaren EPROM speicherbar ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird nun die Erfindung im Detail erläutert. Dabei zeigt die Fig. 2 die Eigenfunktion E des elektroakustischen Wandlers, die elektrische Eingangsfunktion I und die überlagerte Funktion A. Sämtliche Funktionen hängen von der Fre­ quenz und der Zeit ab. Ein Musiksignal, welches zu­ nächst einmal als Amplitude pro Zeiteinheit (z. B. Aus­ steuerungsanzeiger) am Eingang des elektronischen Mani­ pulators zur Verfügung steht, wird durch eine FFT prak­ tisch in eine Folge von Frequenzverläufen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, umgewandelt. Die in der Fig. 2 dargestellten Verläufe der Eigenfunktion, Eingangsfunk­ tion und der Überlagerten Funktion stellen auf diese Weise gleichsam "Schnitte" durch ein solches dynami­ sches Frequenzspektrum entlang fest vorgegebener Fre­ quenzen dar. Wenn man nun bei einer bestimmten Ein­ gangsfunktion, beispielsweise einem Paukenschlag, wie er in der Fig. 2 dargestellt ist, die zugehörige Eigen­ funktion des elektroakustischen Wandlers kennt, so läßt sich erfindungsgemäß durch die angegebene Iteration die Eingangsfunktion so verändern, daß die veränderte Ein­ gangsfunktion - gefaltet mit der Eigenfunktion des Wand­ lers - idealerweise die ursprüngliche unveränderte Eingangsfunktion ergibt. Wiederholt man diese Prozedur für sämtliche relevanten Frequenzen von ca. 20 Hz- 20 kHz, so läßt sich eine unverfälschte Wiedergabe der Musik über den elektroakustischen Wandler erreichen. Noch besser ist es allerdings in diesem Zusammenhang sämtliche Frequenzen in vorgegeben Abständen parallel zu bearbeiten. Dabei werden die Frequenzabstände am besten so variiert, daß dem Auflösungsvermögen des Ohres Rechnung getragen wird. Da selbst bei geringen Frequenzabständen bzw. Zeitabständen "Lücken" im Spek­ trum verbleiben, werden diese "Lücken" durch bekannte Interpolationsverfahren geschlossen (Stichwort: Fehler­ korrektur bei CD-Spielern). Dies bietet sich insofern an, als die Daten zu diesem Zeitpunkt idealerweise noch als Digitaldaten vorliegen.

Jedenfalls kann auf diese Weise jeweils eine bestimmte Anzahl an zwischengespeicherten Frequenzspektren der Eingangsfunktion verändert werden und anschließend an den elektroakustischen Wandler abgegeben werden. Dabei bestimmt die Dauer der vorgenannten Prozedur die Zeit­ verzögerung bei der Wiedergabe.

Claims (15)

1. Verfahren zur Korrektur des Frequenzganges von elek­ troakustischen Wandlern wie Lautsprechern od. dgl., wonach der elektroakustische Wandler über einen vor­ geschalteten elektronischen Manipulator mit einer aku­ stisch zu wandelnden elektrischen Eingangsfunktion beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die akustisch zu wandelnde elektrische Eingangsfunktion mit der Eigenfunktion des elektroakustischen Wandlers über­ lagert wird, daß die überlagerte Funktion mit der un­ veränderten elektrischen Eingangsfunktion verglichen wird und Abweichungen der überlagerten Funktion von der unveränderten Eingangsfunktion ausgewertet werden, daß die Eingangsfunktion - im Sinne einer Schleife - itera­ tiv solange verändert und mit der Eigenfunktion über­ lagert wird, bis die Abweichungen der überlagerten Funktion von der unveränderten Eingangsfunktion eine vorgegebene Größe unterschritten haben, und daß ab­ schließend die auf diese Weise iterativ veränderte Eingangsfunktion an den elektroakustischen Wandler übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die iterativ veränderte Eingangsfunktion mit der Eigenfunktion des elektroakustischen Wandlers jeweils im Sinne einer Faltung beider Funktionen überlagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zeitabhängigen Daten für die Ein­ gangsfunktion und das überlagerte Signal innerhalb eines vorgegebenen Zeitbereiches durch eine FFT in frequenzabhängige Daten umgewandelt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die akustisch zu wandelnde Ein­ gangsfunktion in einem dem elektronischen Manipulator vorgeschalteten Speicher und zusätzlich in dem elek­ tronischen Manipulator zwischengespeichert wird, wobei die in dem Speicher zwischengespeicherte Eingangsfunk­ tion jeweils mit dem überlagerten Signal verglichen wird, während die im elektronischen Manipulator zwi­ schengespeicherte Eingangsfunktion iterativ verändert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Eigenfunktion des elektroakustischen Wandlers für beliebige Eingangsfunk­ tionen mit der iterativ veränderten Eingangsfunktion überlagert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfunktion des elektroaku­ stischen Wandlers in Abhängigkeit von der iterativ veränderten Eingangsfunktion vom elektronischen Manipu­ lator aus einer Vielzahl unterschiedlicher Eigenfunk­ tionen ausgesucht und mit der Eingangsfunktion über­ lagert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das überlagerte Signal und das unveränderte Eingangssignal punktweise voneinander abgezogen werden und die Differenz mit einem vorgegeben Sollwert verglichen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die punktweise ermittelten Differenzen und die zugeordneten Sollwerte jeweils in vorgegeben Zeit- und/oder Frequenzabständen ermittelt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit- und/oder Frequenzabstände an die mensch­ lichen Hörfähigkeit angepaßt sind oder anpaßbar sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfunktion des elektroaku­ stischen Wandlers durch statische oder dynamische Fre­ quenzgangmessungen ermittelt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Eigenfunktion des elek­ troakustischen Wandlers verändert werden kann.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen Speicher, einen nachgeschalteten elektronischen Manipulator mit integriertem Speicherbaustein und einen angeschlossenen elektroakustischen Wandler.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Speicher und der Speicherbaustein jeweils als Halbleiterspeicher ausgebildet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der elektronische Manipulator zumin­ dest einen Rechner mit Speicher und mit Ein- Ausgabe­ einheit und einen zugeordneten FFT-Analysator aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eigenfunktion des elektroakustischen Wand­ lers in einem an den Rechner anschließbaren und von dem Rechner auslesbaren EPROM speicherbar ist.