-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschallungsanlage für den Innenraum eines Kraftfahrzeugs.
-
Für Innenräume von Kraftfahrzeugen besteht seit einiger Zeit die Anforderung, diese bereichsweise lokal eng begrenzt zu beschallen, um z.B. die Möglichkeit zu eröffnen, mehrere Kraftfahrzeuginsassen mit unterschiedlichen akustischen Unterhaltungsprogrammen - je nach Wunsch der Kraftfahrzeuginsassen - zu versorgen, wobei störende Einwirkungen der Beschallungen des einen Kraftfahrzeuginsassen auf die des anderen Kraftfahrzeuginsassen möglichst ausgeschlossen bzw. minimiert werden sollen. Zur Realisierung einer derartigen separaten Beschallung unterschiedlicher Kraftfahrzeuginsassen ist die Erzeugung individueller Hörzonen erforderlich, d.h. innerhalb einer Hörzone soll ein bestimmter akustischer Inhalt mit einem bestimmten Lautstärkepegel wiedergegeben werden, während die Abstrahlung zu benachbarten individuellen Hörzonen möglichst gering sein soll.
-
Aus dem Stand der Technik bekannte Beschallungslösungen für Innenräume von Kraftfahrzeugen mit lokal begrenzten Hörzonen verwenden beispielsweise gerichtete Lautsprecher oder MIMO (multiple input multiple output)-Systeme, bei denen eine aktive Störschallkompensation zum Einsatz kommt. Andere aus dem Stand der Technik bekannte Lösungsansätze für das vorstehend skizzierte Problem basieren auf dem Einsatz von Punktschallquellen, deren Schalldruckpegel sich mit zunehmendem Abstand rasch reduziert.
-
Den vorstehend beschriebenen Verfahren und Methoden ist gemeinsam, dass sie eine Übersprechdämpfung von maximal ca. 20 dB erzielen.
-
Aus dem Stand der Technik sind darüber hinaus parametrische Ultraschalllautsprecher bekannt, die zum Zwecke der stark gerichteten Audio-Beschallung mit einem Audiosignal modulierte Ultraschallsignale in Luft emittieren. Nachteilig ist hierbei vor allem der Mangel an Wiedergabefähigkeit tieferer Audiofrequenzen sowie des Weiteren die immensen und daher medizinisch bedenklichen hohen Ultraschalldrücke.
-
Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beschallungsanlage für den Innenraum eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, mittels der in individuellen Hörzonen befindliche Kraftfahrzeuginsassen individuell beschallbar sind, wobei über Sprechdämpfungen von einer individuellen Hörzone zur anderen individuellen Hörzone von zumindest 40 dB erreichbar sein und eine gleichbleibend gute Klangqualität gewährleistet werden sollen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Beschallungsanlage für den Innenraum eines Kraftfahrzeugs gelöst, die zumindest eine Ultraschallquelle aufweist, die im Bereich eines Ohres bzw. nahe am Ohr eines Kraftfahrzeuginsassen anordbar und mittels eines Signals ansteuerbar ist, das im Bereich der Resonanzfrequenz der zumindest einen Ultraschallquelle liegt und mit einem Audiosignal modulierbar ist, und deren räumliche Position und Stellung in Abhängigkeit von Kopfbewegungen des Kraftfahrzeuginsassen anpassbar ist.
-
Erfindungsgemäß können Übersprechdämpfungen von mehr als 40 dB bei gleichbleibend guter Klangqualität gewährleistet werden.
-
Die Erfindung beruht auf der Aussendung eines mit einem Audiosignal modulierten Ultraschallsignals mittels einer Ultraschallquelle in Luft. Die Ultraschallquelle wird hierbei so positioniert, dass die ausgesendeten Ultraschallquellen möglichst direkt das Trommelfell im Ohr der Zielperson bzw. des Kraftfahrzeuginsassen treffen. Der somit auf dem Trommelfell entstehende akustische Strahlungsdruck folgt der Modulation des Ultraschallträgers und demoduliert somit das Audiosignal, welches dadurch unmittelbar im Ohr der Zielperson bzw. des Kraftfahrzeuginsassen und nirgendwo sonst hörbar wird. Bei der Anwendung einer solchen Ultraschallquelle im Innenraum eines Kraftfahrzeugs wird erfindungsgemäß eine automatische Nachführung der Ultraschallquelle verwendet, um etwaige Kopfbewegungen der Zielperson bzw. des Kraftfahrzeuginsassen auszugleichen und stets für eine optimale Einkopplung der Ultraschallwellen ins Trommelfell zu sorgen. Erfindungsgemäß wird eine lokal begrenzte Beschallung einer Zielperson bzw. eines Kraftfahrzeuginsassen im Innenraum eines Kraftfahrzeugs realisiert, ohne dass andere Kraftfahrzeuginsassen, die sich in entfernten oder benachbarten Hörzonen aufhalten, belästigt würden und ohne dass andere Kraftfahrzeuginsassen unbefugt das einer Zielperson zugedachte akustische Programm mithören könnten. Erfindungsgemäß wird eine bzw. werden zwei Ultraschallquellen verwendet, die sich jeweils in der Nähe des bzw. der Ohren des im Innenraum des Kraftfahrzeugs befindlichen Kraftfahrzeuginsassen befinden. Die Ultraschallquellen werden mit einem Signal angesteuert, das im Bereich ihrer Resonanzfrequenz liegt und werden mit einem Audiosignal moduliert. Treffen diese modulierten Ultraschallwellen auf das Trommelfell, so erzeugen sie dort einen akustischen Strahlungsdruck, der wiederum eine Kraft auf das Trommelfell ausübt und dieses entsprechend auslenkt. Durch die Modulation der Ultraschallquelle und demnach des Strahlungsdrucks ist auch diese auslenkende Kraft mit dem Audiosignal moduliert, wodurch das Trommelfell direkt mit dem Audiosignal mitschwingt. Da der akustische Strahlungsdruck von der Energiedichte der Schallwelle und somit von der Schallintensität abhängt, lässt sich prinzipiell jedes Modulationsverfahren nutzen, welches eine unmittelbare Abhängigkeit der Trägerschallwellenintensität von der Nutzsignalamplitude zur Folge hat. Mittels der Positionierung der Ultraschallquellen möglichst nahe am jeweiligen Ort wird angestrebt, den Luftübertragungsweg des Ultraschallsignals so kurz wie möglich zu halten. Hierdurch kann der gewünschte Hörschalldruck mit möglichst geringem Ultraschalldruck erzeugt werden. Außerdem wird dadurch die parametrische Schallerzeugung in Luft minimiert, die eine unerwünschte, d.h. ein Übersprechen zu benachbarten Hörzonen erzeugende Hörschall-Demodulation aufgrund des parametrischen Effekts noch außerhalb des Gehörgangs zur Folge hätte. Des Weiteren wird die Ultraschallquelle der erfindungsgemäßen Beschallungsanlage in einer Art und Weise ausgeprägt, die eine möglichst schwache Ultraschall-Richtwirkung erlaubt, so dass außerhalb des Gehörgangs die parametrische Hörschallerzeugung zugunsten einer möglichst großen Übersprechdämpfung weitest möglich unterbunden wird.
-
Um die Kopfbewegungen des zu beschallenden Kraftfahrzeuginsassen bei der Positionierung und Orientierung der diesem Kraftfahrzeuginsassen zugeordneten zumindest einen Ultraschallquelle möglichst optimal zu berücksichtigen, ist die erfindungsgemäße Beschallungsanlage mit einer Kamera versehen, mittels der als Hauptparameter die Kopfbewegungen und damit die räumliche Position einer Ohrmuschel des Kraftfahrzeuginsassen erfassbar sind. Mittels der Kamera der Beschallungsanlage kann entsprechend die Kopfposition des Kraftfahrzeuginsassen verfolgt werden. Durch eine entsprechende Bildauswertung und eine entsprechende Merkmalsextraktion können aus den Daten der Kamera die Positionen der Ohren relativ zu den Ultraschallquellen bestimmt werden. Mit entsprechenden Stellmotoren bzw. einer entsprechenden Verstellaktorik können die Ultraschallquellen somit unter Berücksichtigung der Position der Ohrmuscheln optimal positioniert werden.
-
Wenn der Kamera eine Auswertestufe zugeordnet ist, mittels der aus der räumlichen Position der Ohrmuschel die Orientierung eines Trommelfell-Normalenvektors ermittelbar ist, kann die jeweilige Ultraschallquelle so ausgerichtet werden, dass der Schalleinfallswinkel auf das Trommelfell möglichst rechtwinklig erfolgt. Da der akustische Strahlungsdruck eine vektorielle Größe in Schallausbreitungsrichtung ist, wird das Trommelfell des Kraftfahrzeuginsassen somit bei senkrechtem Auftreffen der Ultraschallwellen auf selbiges maximal zu Schwingungen mit der Audioschallfrequenz angeregt. Bei optimaler Ausrichtung kann somit die Intensität der Ultraschallwelle bei Beibehaltung eines definierten Lautstärkeeindrucks reduziert und somit ein Übersprechen auf andere individuelle Hörzonen durch parametrische Hörschallerzeugung in Luft weiter reduziert werden. Mittels der Stellmotoren bzw. der Aktorik kann die Ausrichtung bzw. die Orientierung der Ultraschallquellen unter Berücksichtigung der normalen Vektoren der Trommelfelle bewerkstelligt werden, wobei die Ultraschallquellen somit optimal auf die Trommelfelle ausrichtbar sind, indem ein automatischer Angleich beider normalen Vektoren erfolgt.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Beschallungsanlage eine Sensorik auf, mittels der als Hilfsparameter Fahrwerksparameter, Fahrbetriebsparameter etc. erfassbar sind.
-
Wenn dieser Sensorik eine Verarbeitungsstufe zugeordnet ist, mittels der aus den in der Sensorik erfassten Fahrwerksparametern, Fahrbetriebsparametern etc. Hilfsparameter, wie z.B. ein Nick-, Roll- und/oder Gierwinkel des Kraftfahrzeugs sowie deren zeitliche Ableitungen ermittelbar sind, können bei der Einschätzung bzw. bei der Ermittlung der Position der Ohrmuscheln diese Hilfsparameter berücksichtigt werden.
-
Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Beschallungsanlage eine Datenfusionsstufe auf, in der die mittels der Kamera, deren Auswertestufe, der Sensorik und deren Verarbeitungsstufe erfassten bzw. ermittelten Haupt- und Hilfsparameter zusammenführbar sind.
-
Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Beschallungsanlage in einer vorteilhaften Weiterbildung mit einer Auswerteeinheit versehen, an die die Kamera und die Sensorik und ggf. die Auswertestufe der Kamera, die Verarbeitungsstufe der Sensorik und die Datenfusionsstufe angeschlossen sind und in der aus von der Kamera und der Sensorik übermittelten Daten die räumliche Position der Ohrmuschel einschätzbar ist.
-
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Beschallungsanlage gehört zu dieser eine Vergleichseinheit, mittels der die erfasste Position der Ohrmuschel mit der eingeschätzten Position der Ohrmuschel vergleichbar und mittels der auf eine Verstellaktorik der Ultraschallquelle zwecks Anpassung der räumlichen Position und Stellung der Ultraschallquelle an die erfasste Position der Ohrmuschel einwirkbar ist.
-
Um eine optimale Ein- bzw. Verstellung der zumindest einen Ultraschallquelle zu realisieren, ist der Vergleichseinheit der erfindungsgemäßen Beschallungsanlage vorteilhaft eine Parametervorgabestufe zugeordnet, mittels der für den in der Vergleichseinheit realisierten Vergleich zwischen erfasster und eingeschätzter Position der Ohrmuschel Regelparameter, z.B. eine erlaubte Abweichung zwischen erfasster und eingeschätzter Position der Ohrmuschel, Eingreif- und Freigabeschwellen, eine Hysterese und Zeitkonstanten vorgebbar sind.
-
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn mittels der Vergleichseinheit der erfindungsgemäßen Beschallungsanlage unzulässige, in Verbindung mit einem Unfallereignis od.dgl. auftretende Parameter erfassbar sind und die Verstellaktorik der Ultraschallquelle so steuerbar ist, dass die Ultraschallquelle bei Erfassung derartiger Parameter in eine geschützte Ausgangsposition rückfahrbar ist. Hierdurch können gleichzeitig automotive Anforderungen, wie z.B. der Kopf-Bewegungskomfort und Crash-Anforderungen erfüllt werden, da die Ultraschallquellen mittels der Verstellaktorik in eine versenkbare Position verbringbar sind. Entsprechend kann die gesamte Verstellaktorik inklusive Ultraschallquellen bei starken Kopfbewegungen oder bei Signalen eines Unfalls, welche z.B. über CAN oder andere Schnittstellen vom Kraftfahrzeug an die Beschallungsanlage übermittelt werden, schnell versenkt werden, z.B. unter eine schützende Oberfläche. So ist beispielsweise ein Versenken der Ultraschallquellen nebst Verstellaktorik ins Innere einer Kopfstütze oder an die dem Fahrzeuginnenraum abgewandte Seite von Innenraumverkleidungen möglich. Hierdurch können die Ultraschallquellen sowie deren Verstellaktorik vor Beschädigungen geschützt werden, wobei selbstverständlich andererseits der Kopf des Kraftfahrzeuginsassen vor Anprall und/oder daraus resultierenden Verletzungen geschützt werden kann.
-
Vorteilhaft ist die Verstellaktorik der erfindungsgemäßen Beschallungsanlage mechanisch, z.B. als Schrittmotor, oder elektronisch, z.B. als Phased-Array-Ansteuerung der Ultraschallwelle ausgebildet.
-
Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten konventionellen Beschallungsanlagen für den Innenraum eines Kraftfahrzeugs lassen sich mit der erfindungsgemäßen Beschallungsanlage erheblich höhere Übersprechdämpfungen erzielen. Da der akustische Strahlungsdruck keine Frequenzabhängigkeit aufweist, entfällt auch der bei bekannten parametrischen Ultraschalllautsprechern oftmals kritisierte Mangel an Tieftonwiedergabefähigkeit.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur für die erfindungsgemäße Beschallungsanlage für den Innenraum eines Kraftfahrzeugs wesentliche Elemente prinzipiell darstellt.
-
Eine in der Figur dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beschallungsanlage 1 dient dazu, den Innenraum eines Kraftfahrzeugs zu beschallen. Zu der in der einzigen Figur gezeigten Beschallungsanlage gehört zumindest eine in der Figur nicht gezeigte Ultraschallquelle, wobei entsprechend der Anzahl der Ohren eines Kraftfahrzeuginsassen insbesondere auch zwei Ultraschallquellen vorgesehen sein können.
-
Jede Ultraschallquelle ist im Bereich eines Ohres bzw. nahe am Ohr eines Kraftfahrzeuginsassen anordbar. Darüber hinaus ist jede Ultraschallquelle der Beschallungsanlage 1 mittels eines Signals ansteuerbar, das im Bereich der Resonanzfrequenz der zumindest einen Ultraschallquelle liegt und das darüber hinaus mit einem Audiosignal modulierbar ist. Die räumliche Position und die Stellung der zumindest einen Ultraschallquelle ist in Abhängigkeit von Kopfbewegungen des vorstehend erwähnten Kraftfahrzeuginsassen anpassbar und ausrichtbar.
-
Diejenigen Bauteile und Elemente der Beschallungsanlage 1, die für die Positionierung der zumindest einen Ultraschallquelle sowie für deren Ausrichtung vorgesehen sind, werden im Folgenden näher erläutert.
-
Zu der geschilderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschallungsanlage gehört eine Kamera 2, mittels der der Kopf des Kraftfahrzeuginsassen bzw. die Stellung des Kopfes des Kraftfahrzeuginsassen erfassbar ist. Seitens der Kamera 2 erfasste optische Daten werden an eine Objekterkennungseinheit 3 weitergeleitet, mittels der optische Merkmale, wie Kanten, Flächen und komplexere Objekte, z.B. Ohrmuscheln des Kraftfahrzeuginsassen, erkennbar sind. Für die Beschallungsanlage 1 ist wesentlich, dass die Objekterkennungseinheit 3 die Ohrmuschel erfasst. Der Objekterkennungseinheit 3 ist eine Auswertestufe 4 nachgeordnet, in der die optischen Daten der Kamera sowie die in der Objekterkennungseinheit erkannten Informationen weiter verarbeitet werden. In dieser Auswertestufe werden Hauptparameter ermittelt, die zur Steuerung der Beschallungsanlage 1 bzw. der dieser zugehörigen zumindest einen Ultraschallquelle erforderlich sind, z.B. eine räumliche Position der Ohrmuschel und eine daraus abgeleitete Orientierung eines Trommelfell-Normalenvektors des Kraftfahrzeuginsassen.
-
Die in der Auswertestufe 4 ermittelten Hauptparameter werden an eine Datenfusionsstufe 5 weitergeleitet.
-
An die Eingangsseite dieser Datenfusionsstufe 5 ist darüber hinaus eine Sensorik 6 angeschlossen, mittels der Fahrwerks- und Beschleunigungsparameter sowie mittels eines Gyroskops erfasste Parameter etc. erfassbar sind. Die seitens der Sensorik 6 erfassten Parameter bzw. Hilfsparameter werden von der Sensorik 6 an eine Verarbeitungsstufe 7 weitergeleitet. In der Verarbeitungsstufe 7 werden aus den in der Sensorik 6 erfassten und von dieser weitergeleiteten Hilfsparametern z.B. ein Nick-, ein Roll-, ein Gierwinkel des Kraftfahrzeugs sowie deren jeweilige zeitliche Ableitungen ermittelt. Auch weitere vergleichbare Hilfsparameter können in der Verarbeitungsstufe 7 erfasst bzw. ermittelt werden. Die in der Verarbeitungsstufe 7 erfassten bzw. ermittelten Hilfsparameter werden von der Verarbeitungsstufe 7 an die Datenfusionsstufe 5 weitergeleitet, in der nunmehr die vorstehend erwähnten erforderlichen bzw. nützlichen Haupt- und Hilfsparameter zusammengeführt werden.
-
Aus der Datenfusionsstufe 5 werden die dort zusammengeführten Haupt- und Hilfsparameter an eine Auswerteeinheit 8 weitergeleitet, in der die Ist-Werte dieser Haupt- und Hilfsparameter geschätzt werden. Die Hauptparameter, wie z.B. die Position der Ohrmuscheln und die Trommelfell-Normalenvektoren, können aufgrund von Fahrzeugbewegungen und aufgrund statistischer Schätz-Ungenauigkeiten unzuverlässig sein. Um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, können in der Auswerteeinheit 8 unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden, z.B. eine zeitliche Mittelung. Zusätzlich können die Hilfsparameter, wie z.B. der Nick-, Roll- und Gierwinkel, sowie deren zeitliche Ableitungen dazu verwendet werden, Schätz-Ungenauigkeiten, absichtliche Kopfbewegungen und willkürliche Kopfbewegungen voneinander zu separieren, um dadurch die Zuverlässigkeit der geschätzten Hauptparameter zu erhöhen. Die Einbeziehung der Hilfsparameter kann zu einer weiteren Verbesserung der geschätzten Werte benutzt werden, indem durch Kenntnis der Fahrzeugbewegung eine bestimmte Kopfbewegung z.B. ein Nicken aufgrund des Überfahrens einer Fahrbahnunebenheit, vorausgesehen wird und dementsprechend eine Nachführung einer im Folgenden noch näher beschriebenen Aktorik 9 mit optimaler Präzision in Echtzeit ermöglicht wird.
-
Von der Auswerteeinheit 8 werden die dort gewonnenen geschätzten Ist-Werte der Haupt- und Hilfsparameter an eine Vergleichseinheit 10 weitergeleitet. In der Vergleichseinheit 10 wird ein Vergleich der Soll- und der Ist-Werte vorgenommen. Die Vergleichseinheit 10 ist an eine Parametervorgabestufe 11 angeschlossen, mittels der spezifische RegelParameter vorgebbar sind, wie z.B. eine erlaubte Abweichung zwischen Soll- und Ist-Werten, Eingreif- und Freigabeschwellen, eine Hysterese und Zeitkonstanten für die Datenverarbeitung in der Vergleichseinheit 10 vorgebbar sind.
-
Darüber hinaus ist an die Vergleichseinheit 10 eine Sonderfallbehandlungseinheit 12 angeschlossen, mittels der über die Vergleichseinheit 10 auf die vorstehend bereits erwähnte Aktorik bzw. Verstellaktorik 9 in Sonderfällen zugegriffen werden kann, wie z.B. bei einem Unfall, wobei dann mittels eines schnellen Zurückfahrens der Aktorik 9 die an die Aktorik 9 angeschlossenen Ultraschallquellen in eine bestimmte beschützte Position zurückgefahren werden.
-
Mittels der Ausgangsdaten der Vergleichseinheit 10 wird die Verstellaktorik 9 gesteuert bzw. geregelt, mittels der die Positionierung und die Orientierung der Ultraschallquelle, die in der einzigen Figur nicht gezeigt ist, eingestellt bzw. verstellt wird. Die Verstellaktorik 9 kann beispielsweise mechanisch in Form eines Schrittmotors ausgestaltet sein, wobei alternativ auch eine elektronische Ausgestaltung in Form einer Phased-Array-Ansteuerung der Ultraschallquelle realisierbar ist.