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Die Erfindung betrifft einen Lautsprecher und ein System zur aktiven Geräuschunterdrückung.
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Die aktive Geräuschunterdrückung, auch bezeichnet als aktive Lärmkompensation, wird beispielsweise eingesetzt in Kopfhörern, Ohrhörern oder Telefonen, um unerwünschte und störende Umgebungsgeräusche zu dämpfen und den Nutzschall besser verständlich wiederzugeben. Dadurch wird für einen Benutzer eine deutliche Qualitätsverbesserung der wiedergegebenen Sprache und/oder Musik erzielt. Um eine aktive Geräuschunterdrückung zu erreichen, gibt es zwei unterschiedliche Ansätze, nämlich die Rückkopplung, feed back, und die Mitkopplung, feed forward. Der dieser Anmeldung zugrunde liegende Ansatz basiert auf der Rückkopplung.
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In einem bekannten System mit aktiver Lärmkompensation durch Rückkopplung ist ein Mikrofon vor einem Lautsprecher positioniert. Das Mikrofon misst die Umgebungsgeräusche. Das Mikrofonsignal wird in einer Rückkopplungsschleife umgewandelt und zusammen mit einem Nutzsignal dem Lautsprecher wieder zugeführt. Die Signalrückführung und -aufbereitung bewirkt eine Dämpfung der Umgebungsgeräusche.
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Bei der Rückkopplung treten bezogen auf die Frequenz Phasenverschiebungen auf, wodurch eine so genannte Phasenreserve, Phase margin, die für einen stabilen Betrieb der Rückkopplungsschleife erforderlich ist, eingeschränkt wird. Diese frequenzabhängigen Phasenverschiebungen werden beispielsweise durch den Lautsprecher, das Mikrofon, die akustischen Eigenschaften des Gehäuses, welches Mikrofon und Lautsprecher umgibt, und durch die Abstände zwischen den einzelnen Komponenten verursacht.
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Messungen haben ergeben, dass insbesondere der Abstand zwischen Lautsprecher und Mikrofon eine Zeitverzögerung bewirkt, die eine lineare Phasenverschiebung in Abhängigkeit der Frequenz nach sich zieht. Diese Zeitverzögerung, die die Phasenreserve bei hohen Frequenzen deutlich reduziert, kann in der Rückkopplung nicht kompensiert werden. Bei einer Phasenverschiebung von mehr als 180° verwandelt sich die negative Rückkopplung in eine Mitkopplung und die Rückkopplungsschleife beginnt zu oszillieren. Aus den Messungen ist ersichtlich, dass ein größerer Abstand zwischen Lautsprecher und Mikrofon eine größere Phasenverschiebung verursacht.
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Folglich besteht eine zu lösende Aufgabe darin, die Stabilität der Regelschleife zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Lautsprecher zur aktiven Geräuschunterdrückung des Patentanspruchs 1 sowie durch das System zur aktiven Geräuschunterdrückung des Patentanspruchs 11. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.
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In einer Ausführungsform ist bei einem Lautsprecher zur aktiven Geräuschunterdrückung ein Messmikrofon im akustischen Zentrum des Lautsprechers angeordnet.
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Das Messmikrofon nimmt die zu unterdrückenden Geräusche oder auch den zu unterdrückenden Störschall auf.
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Durch die besonders vorteilhafte Anordnung des Messmikrofons im akustischen Zentrum des Lautsprechers ist der Abstand und somit die Schallübertragungsstrecke zwischen Lautsprecher und Messmikrofon auf ein Minimum reduziert. Ebenso ist eine aus diesem Abstand resultierende Phasenverschiebung einer Lautsprecher-Mikrofon-Übertragungsfunktion minimiert. Folglich ist die Stabilität einer anschließbaren Regelschleife deutlich verbessert.
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Der Lautsprecher ist beispielsweise als elektrodynamischer Lautsprecher ausgelegt.
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In einer Weiterbildung weist der Lautsprecher einen Magneten, eine Schwingspule und eine Lautsprechermembran auf. Der Magnet ist zur Erzeugung eines magnetischen Gleichfelds eingerichtet. Die Schwingspule ist im Bereich des magnetischen Gleichfeldes angeordnet und in Zusammenwirkung mit dem Magneten als elektrodynamischer Treiber des Lautsprechers ausgelegt. Die Lautsprechermembran ist mechanisch mit dem Magneten verbunden zwischen einer inneren und einer äußeren Einfassung aufgehängt. Das Messmikrofon ist dabei in der Mitte eines von der inneren Einfassung der Lautsprechermembran umschlossenen Raumes angeordnet.
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Der Magnet ist als Permanentmagnet ausgeführt. Der von der inneren Einfassung der Lautsprechermembran umschlossene Raum ist beispielsweise eine Ebene.
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Das akustische Zentrum des Lautsprechers befindet sich in der Mitte der Schwingspule. Die Lautsprechermembran ist nicht durchgehend, sondern hat in ihrem Zentrum eine Ausnehmung. In dieser Aussparung der Lautsprechermembran ist das Messmikrofon angeordnet. Die Anordnung des Messmikrofons ist folglich mittig. Sie kann auch als konzentrisch beziehungsweise koaxial bezeichnet werden.
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Das Zentrum des Lautsprechers bewegt sich nicht, wodurch es vorteilhafterweise möglich ist, das Messmikrofon direkt im akustischen Zentrum des Lautsprechers zu positionieren. Eine Zeitverzögerung, die durch den Abstand zwischen Messmikrofon und Lautsprecher hervorgerufen würde, ist so gering wie möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die äußere Einfassung der Lautsprechermembran mit der Schwingspule verbunden. Die innere Einfassung der Lautsprechermembran ist mit dem Magneten verbunden.
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Die Lautsprechermembran wird durch die Bewegungen der Schwingspule im Bereich des magnetischen Gleichfelds in Schwingungen versetzt. Die Aussparung im theoretischen Zentrum der Lautsprechermembran lässt Platz, um das Messmikrofon aufzunehmen.
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In einer Weiterbildung weist der Lautsprecher ein Lautsprechergehäuse auf. Dieses ist mit der äußeren Einfassung der Lautsprechermembran und mit einer Unterseite des Magneten verbunden. Das Lautsprechergehäuse weist eine Ausgleichsöffnung auf.
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Das Lautsprechergehäuse umschließt den Lautsprecher. Die Ausgleichsöffnung dient der Kompensation der beim Betrieb des Lautsprechers entstehenden Luftbewegungen im Inneren des Lautsprechergehäuses.
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In einer weiteren Ausführungsform sind an der Unterseite des Lautsprechergehäuses mindestens zwei Kontakte zum Zuführen eines Lautsprechersignals und zum Bereitstellen eines Störschallsignals in Funktion des Messmikrophons vorgesehen.
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Die Kontakte sind beispielsweise als Federkontakte ausgeführt. Das Störschallsignal umfasst ein vom Messmikrofon aufgenommenes Signal. Das Störschallsignal ist eine Funktion der zu unterdrückenden Umgebungsgeräusche. Das Lautsprechersignal umfasst ein in Abhängigkeit des Störschallsignals erzeugtes Kompensationssignal und ein Nutzsignal. Das Nutzsignal umfasst die gewünschte akustische Information.
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Die Kontakte sind vorzugsweise an der Unterseite des Lautsprechergehäuses angebracht.
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In einer Weiterbildung ist die Lautsprechermembran als Flachmembran in runder oder eckiger Form ausgebildet.
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Die Lautsprechermembran wird auch als Ringstrahler bezeichnet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Messmikrofon als Elektretmikrofon oder als sogenanntes MEMS-, Micro-Electro-Mechanical-, Mikrofon, also als Mikrophon in Mikrosystemtechnik, ausgeführt.
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In einer Weiterbildung ist der Lautsprecher als oberflächenmontiertes Bauteil ausgeführt.
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Der Lautsprecher ist in diesem Fall als so genanntes Surface Mounted Device, SMD, realisiert und kann somit auf ein so genanntes Printed Circuit Board, PCB, aufgebracht werden.
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In einer Weiterbildung ist der Lautsprecher zur Verwendung in einem Regelsystem mit Signalrückführung geeignet.
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Das Regelsystem mit Signalrückführung ist ein so genanntes Feedbacksystem.
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In einer Ausführungsform weist ein System zur aktiven Geräuschunterdrückung einen Lautsprecher und eine mit dem Lautsprecher gekoppelte Regelschleife auf. Einem Eingang der Regelschleife ist ein von dem Messmikrofon des Lautsprechers bereitgestelltes Störschallsignal zugeführt. Am Ausgang der Regelschleife ist ein Kompensationssignal bereitgestellt. Das Kompensationssignal ist überlagert mit einem Nutzsignal dem Lautsprecher als Lautsprechersignal zugeführt.
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Das Messmikrofon misst die am Lautsprecher auftretenden Umgebungsgeräusche und stellt in Abhängigkeit davon das Störschallsignal bereit. Das Störschallsignal wird in der Regelschleife aufbereitet und in das Kompensationssignal umgewandelt. Das Kompensationssignal wird dem Lautsprecher zusammen mit dem Nutzsignal zugeführt.
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Durch die Anordnung des Messmikrofons im akustischen Zentrum des Lautsprechers tritt nur eine sehr geringe Zeitverzögerung und somit nur eine geringe Phasenverschiebung des Störschallsignals auf. Dies führt zu einer Vergrößerung der Phasenreserve in der Regelschleife und erhöht damit die Bandbreite des gesamten Systems zur aktiven Geräuschunterdrückung. Die Stabilität der Regelschleife wird deutlich erhöht.
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Das System zur aktiven Geräuschunterdrückung ist also ein so genanntes Feedbacksystem.
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In einer Weiterbildung umfasst die Regelschleife ein Filter, das mit dem Eingang der Regelschleife gekoppelt ist und einen diesem Filter nachgeschalteten Inverter, an dessen Ausgang das Kompensationssignal bereitgestellt ist.
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Das Filter realisiert bevorzugt die inverse Übertragungsfunktion der Lautsprecher-Mikrofonsystemantwort, der so genannten open loop response. Das Filter ist so ausgelegt, dass Phasenreserve und eine sogenannte Gainreserve der Regelschleife erhalten bleiben. Der Inverter invertiert das von dem Filter bereitgestellte Signal. Durch Überlagerung des Kompensationssignals mit dem Nutzsignal wird der Störschall im Nutzsignal unterdrückt beziehungsweise ausgelöscht.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insofern sich Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der Figuren wiederholt. Es zeigen:
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1 eine erste beispielhafte Ausführungsform eines Lautsprechers nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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2 eine Draufsicht der Ausführungsform von 1,
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3 eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines Lautsprechers nach dem vorgeschlagenen Prinzip in der Draufsicht,
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4 ein beispielhafte Ausführungsform eines Systems zur aktiven Geräuschunterdrückung nach dem vorgeschlagenen Prinzip und
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5 ein Diagramm mit beispielhaften Phasengängen.
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1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform eines Lautsprechers zur aktiven Geräuschunterdrückung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Der Lautsprecher ist in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellt. Der Lautsprecher umfasst einen Magneten 10 mit einem Gehäuse 11, ein Messmikrofon 12, eine Schwingspule 13, eine Lautsprechermembran 14 und ein Lautsprechergehäuse 17. Bei dem Messmikrofon 12 ist zusätzlich die Mikrofonöffnung dargestellt. Das Messmikrofon 12 ist auf dem Magneten 10 angeordnet. Die Lautsprechermembran 14 ist zwischen einer inneren Einfassung 15 und einer äußeren Einfassung 16 aufgespannt. Die Lautsprechermembran 14 weist eine Aussparung auf. In dieser Aussparung, die von der inneren Einfassung 15 der Lautsprechermembran 14 umschlossen wird, ist das Messmikrofon 12 auf dem Magneten 10 gelagert. Die Schwingspule 13 ist benachbart zum Magneten 10 angeordnet und mit der äußeren Einfassung 16 der Lautsprechermembran 14 verbunden. Das Lautsprechergehäuse 17 ist ebenfalls mit der äußeren Einfassung 16 verbunden. Des Weiteren ist ein Gehäuse 11 vorgesehen, welches den Magneten 10 zusammen mit dem Lautsprechergehäuse 17 umschließt. Das Lautsprechergehäuse 17 weist eine Ausgleichsöffnung 18 auf. Ferner sind beispielhaft vier Anschlüsse 19 dargestellt, die hier als Federkontakte ausgebildet sind.
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Die Schwingspule 13 befindet sich im Bereich eines von dem Magneten 10 erzeugten Gleichfeldes. Über die Anschlüsse 19 wird ein Lautsprechersignal, welches ein Nutzsignal und ein Kompensationssignal umfasst, zugeführt. Die Schwingspule 13 wird in Abhängigkeit des Lautsprechersignals angeregt, wodurch die Lautsprechermembran 14 in Schwingung versetzt wird. Der Lautsprecher ist demzufolge ein elektrodynamischer Lautsprecher, bei dem die Schwingspule 13 in Zusammenwirkung mit dem Magneten 10 als Treiber ausgelegt sind.
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Das Messmikrofon 12 erfasst Geräusche in der Umgebung des Lautsprechers und stellt in Abhängigkeit davon ein Störschallsignal bereit. Das Störschallsignal wird über die Kontakte 19 einer Regelschleife, die nach dem Feedbackprinzip arbeitet, zugeführt. Dies ist beispielsweise die in 4 dargestellte Regelschleife. Das Störschallsignal wird in der Regelschleife in das Kompensationssignal umgewandelt, und dem Lautsprecher zusammen mit dem Nutzsignal zugeführt. Umgebungsgeräusche in der Nähe des Lautsprechers werden unterdrückt.
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Durch die Minimierung der Distanz zwischen Lautsprechermembran 14 und Messmikrofon 12 wird auch die Zeitverzögerung minimiert. Dies führt zu einer Vergrößerung der Bandbreite, bei der die aktive Geräuschunterdrückung wirksam ist.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch die Anordnung des Messmikrofons 12 innerhalb der Lautsprechermembran 14 eine Realisierung dieses Lautsprechers mit aktiver Geräuschunterdrückung in einem einzigen Bauteil erfolgen kann. Dies ist besonders vorteilhaft beim Einsatz des Lautsprechers beispielsweise in Mobiltelefonen, wo eine flache Bauweise bevorzugt ist. In einer derartigen Anwendung unterdrückt der Lautsprecher einen Störschall zwischen Telefon und Ohrmuschel des Benutzers. Der Störschall tritt beispielsweise durch Sprechen in der Umgebung des Benutzers, was besonders häufig in öffentlichen Nahverkehrsmitteln als störend empfunden wird, auf.
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Deutlich ist zu erkennen, dass das Messmikrofon 12 im akustischen Zentrum des Lautsprechers, also in der Mitte der Schwingspule 13 angeordnet ist.
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2 zeigt eine Draufsicht des Lautsprechers aus 1. Die rechteckige Form der Lautsprechermembran 14 zwischen der inneren Einfassung 15 und der äußeren Einfassung 16 sowie die koaxiale Platzierung des Messmikrofons 12 ist zu sehen.
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3 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines Lautsprechers zur aktiven Geräuschunterdrückung nach dem vorgeschlagenen Prinzip in der Draufsicht. Die Lautsprechermembran 14 weist eine runde Form auf. Sie kann hier als Ringstrahler bezeichnet werden.
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4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Systems zur aktiven Geräuschunterdrückung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Ein Lautsprecher L ist mit einer Regelschleife gekoppelt. Der Lautsprecher L ist dabei gemäß einem der Ausführungsbeispiele von 1, 2 oder 3 realisiert und umfasst ein Messmikrofon M. Die Regelschleife umfasst ein Filter F und einen diesem nach geschalteten Inverter A.
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Das Messmikrofon M misst die Umgebungsgeräusche und stellt ein Störschallsignal 1 bereit. Das Störschallsignal 1 wird dem Filter F zugeführt. Das Filter F realisiert die invertierte Übertragungsfunktion von Lautsprecher L zu Messmikrofon M. Das von dem Filter F bereitgestellte Signal 2 wird in einem Inverter A invertiert. Das auf diese Art und Weise erhaltene Kompensationssignal 3 wird zusammen mit einem Nutzsignal 4 wieder dem Lautsprecher L zugeführt.
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Der Inverter A ist beispielsweise als invertierender Verstärker ausgeführt.
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Die vorteilhafte Anordnung von Messmikrofon M und Lautsprecher L, bei der der Abstand zwischen diesen minimiert ist, erhöht die Phasenreserve und somit die Bandbreite des Systems erheblich. Die Stabilität der Regelschleife wird erhöht, Oszillationen werden vermieden.
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5 zeigt ein Diagramm mit beispielhaften Phasengängen. Dargestellt ist jeweils der Phasengang eines von einem Messmikrofon aufgezeichneten Störschallsignals bezogen auf die Frequenz f. Eine auf der Y-Achse dargestellte Phasenabweichung ist in Grad angegeben. Eine Gerade B stellt den Phasengang für eine Lautsprechermikrofonanordnung dar, bei der das Mikrofon in etwa im Abstand von 5 mm vor dem Lautsprecher angebracht ist. Dies entspricht dem Stand der Technik. Eine Gerade A stellt den Phasengang der offenen Regelschleife eines Lautsprechers nach dem vorgeschlagenen Prinzip, bei das Messmikrofon innerhalb der Lautsprechermembran angebracht ist, dar.
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Wie aus dem Diagramm zu ersehen, ist die Phasenverschiebung der Geraden A deutlich geringer als diejenige der Geraden B. An einem beispielhaften Messpunkt bei 5 kHz beträgt die Phasenverschiebung der Geraden A 5,25°, während die Phasenverschiebung der Geraden B bereits 26,24° beträgt. Daraus resultiert eine Verbesserung der Phasenreserve bei 5 kHz von ungefähr 20°. Dies führt zu einer deutlichen Vergrößerung der Bandbreite für die aktive Geräuschunterdrückung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Magnet
- 11
- Gehäuse
- 12
- Messmikrofon
- 13
- Schwingspule
- 14
- Lautsprechermembran
- 15, 16
- Einfassung
- 17
- Lautsprechergehäuse
- 18
- Ausgleichsöffnung
- 19
- Anschluss
- A, B
- Gerade
- M
- Messmikrofon
- F
- Filter
- A
- Inverter
- L
- Lautsprecher
- 1, 2, 3, 4
- Signal