DE10236307A9

DE10236307A9 - Schaltung zur Korrektur der akustischen Gruppenlaufzeit und des frequenzabhängigen Phasenverhaltens für Schallwandler

Info

Publication number: DE10236307A9
Application number: DE10236307A
Authority: DE
Inventors: Joerg Seiffert
Original assignee: Seiffert Jorg
Current assignee: Seiffert Jorg
Priority date: 2002-03-16
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: DE20204259U1; DE10236307A1; DE10236307B4

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Schaltung zur Korrektur der akustischen Gruppenlaufzeit und damit des frequenzabhängigen Phasenverhaltens für Schallwandler (1), die elektrische Signale durch mechanische Bewegung in Schall umwandeln. Um das frequenzabhängige Phasen- und Gruppenlaufzeitverhalten von Schallwandlern (1) zu einem linearen Verhalten im Sinne einer gleichzeitigen Abstrahlung der unterschiedlichen Frequenzen mit geringem technischen Aufwand zu optimieren, ist parallel zum Schallwandler (1) und von diesem aus gesehen vor jeder weiteren Schaltung wenigstens eine Kombination (C1, R1; C2, R2, C3, R3; C4, R4) aus jeweils einem kapazitiven Wert aus wenigstens einem Kondensator (C1, C2, C3, C4) und jeweils wenigstens einem Widerstandswert aus wenigstens einem Widerstand (R1, R2, R3, R4) und/oder einem induktiven Wert aus wenigstens einer Induktivität angeordnet und sind bei jeder Kombination der kapazitive Wert und der Widerstandswert bzw. induktive Wert in Reihe geschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Korrektur der akustischen Gruppenlaufzeit und damit des frequenzabhängigen Phasenverhaltens für Schallwandler, die elektrische Signale durch mechanische Bewegung in Schall umwandeln.
Die menschlichen Ohren sind bekanntlich in der Lage, die Richtung und Entfernung einer Schallquelle recht genau zu bestimmen. Da der Abstand zwischen beiden Ohren relativ gering ist, er beträgt ca. 17 cm, muss das menschliche Ohr auch geringe Unterschiede bezüglich der Schallintensität, der Laufzeit und der Phasenlage des eintreffenden Signals auswerten. Dabei ist das menschliche Gehör in der Lage, Richtungsunterschiede im Bereich des Gesichtsfeldes bis zu einer Genauigkeit von drei Grad wahrzunehmen. Dies entspricht einer Laufzeitdistanz von ca. 0,28 cm oder einer Laufzeitdifferenz von 0,0082 ms. In der stereophonen Mikrophontechnik sind diese Phänomene hinreichend beschrieben.
Speziell im Bereich von Lautsprechern ergeben sich über das abgestrahlte Frequenzspektrum hinweg erhebliche Laufzeit- bzw. Phasenprobleme. Diese werden bis heute üblicherweise nicht im ausreichenden Maße korrigiert. Hier ist bekannt, wenn auch nicht allgemein üblich, die unterschiedlichen Lautsprecherchassis mechanisch zueinander zu versetzen, um die Laufzeitprobleme zwischen Hoch-, Mittel- und Tieftönen zu bewältigen, indem die akustischen Zentren der Lautsprecherchassis auf eine Entfernungsebene zum Hörer gebracht werden. Diese bekannte Maßnahme wird jedoch von der überwiegenden Zahl der Hersteller nicht eingesetzt, da offenbar die Notwendigkeit hierzu nicht gesehen wird. Dies zeigt, dass die Notwendigkeit, Phasendrehungen innerhalb einzelner Lautsprecherchassis über das von diesen abgestrahlte Frequenzspektrum zu kompensieren, nicht zum Stand der Technik gehört.
Bekannt sind weiter sogenannte aktive Regelungen des akustischen Phasenverhaltens bzw, der akustischen Gruppenlaufzeit von Lautsprechern, die sich in der vorgeschalteten Elektronik befinden. Dazu sieht die DE 44 18 360 A1 einen Mehrwegelautsprecher mit geregelter Phase und Amplitude vor, bei dem jedoch lediglich ein Summierverstärker eingesetzt wird, der also nicht auf die unterschiedlichen Laufzeiten der Hoch-, Mittel- und Tieftöne ausgelegt ist.
Aus der EP 0 145 997 B2 ist darüber hinaus eine Einrichtung zur Kompensation von Wiedergabefehlern eines elektroakustischen Wandlers bekannt, bei der eine Schaltung vorgesehen ist, welche Einstellglieder für die Annäherung der komplexen Übertragungsfunktion an die komplexe Dämpfungsfunktion des Schallwandlers aufweist. Diese bekannte Schaltung ist jedoch äußerst kompliziert aufgebaut und daher nicht für die Anwendung beim Endverbraucher geeignet.
Schließlich ist aus der DE 34 31 096 C2 die Schaltung bekannt, bei der Kondensatoren parallel geschaltet werden, um einen verbesserten räumlichen Klangeindruck zu erhalten. Hier geht es jedoch darum, die Umladung der Kondensatoren zu beschleunigen und damit die Phasengenauigkeit der Kondensatoren zu verbessern und nicht um eine Korrektur des Phasenverhaltens der nachgeschalteten Wandler.
Des weiteren ist es allgemein bekannt, dass die Lautsprecherimpedanz bei zunehmenden Frequenzen ansteigt. Zur Impedanzkorrektur bzw. -entzerrung ist daher der Einsatz unterschiedlicher Frequenzweichen ausführlich in der Fachliteratur beschrieben.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltung zur Korrektur der akustischen Gruppenlaufzeit und damit des frequenzabhängigen Phasenverhaltens von Schallwandlern so ausgestalten und weiterzubilden, dass das frequenzabhängige Phasen- und Gruppenlaufzeitverhalten von Schallwandlern zu einem linearen Verhalten im Sinne einer gleichzeitigen Abstrahlung der unterschiedlichen Frequenzen optimiert wird. Ferner soll diese Schaltung mit geringem technischen Aufwand realisiert werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass parallel zum Schallwandler und von diesem aus gesehen vor jeder weiteren Schaltung wenigstens eine Kombination aus jeweils einem kapazitiven Wert aus wenigstens einem Kondensator und jeweils wenigstens einem Widerstandswert aus wenigstens einem Widerstand und/oder einem induktiven Wert aus wenigstens einer Induktivität angeordnet ist und dass bei jeder Kombination der kapazitive Wert und der Widerstandswert bzw. induktive Wert in Reihe geschaltet sind.
Die erfindungsgemäße Schaltung ist sowohl in der Lage, die Phasensprünge zwischen Lautsprecherchassis aufgrund unterschiedlicher Entfernungen der akustischen Zentren zum Hörer als auch die Phasendrehungen einzelner Lautsprecherchassis über das von ihnen abgestrahlte Frequenzspektrum hinweg zu kompensieren. Klanglich wirkt sich diese Schaltung aus, indem die räumliche Staffelung des musikalischen Geschehens deutlich verbessert wird. Einzelne Instrumente werden ortbarer und besitzen über ihr gesamtes Frequenzspektrum eine feste Positionierung im Raum, gleichzeitig wird der Tiefe des abgebildeten Raumes größer. Die Dynamik des klanglichen Geschehens wächst und die klangfarbliche Definition des gesamten Klangbildes wie auch einzelner Instrumente wird deutlich richtiger.
Durch die erfindungsgemäße Schaltung wird das Problem, das frequenzabhängige akustische Phasenverschiebungen bzw. Gruppenlaufzeitverschiebungen bei Schallwandlern bereiten, deutlich verringert oder gar völlig beseitigt.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass jede Kombination einen kapazitiven Wert umfasst, welcher durch Induktivitäten und/oder Widerstände in der Stärke ihrer kapazitiven Wirkung abgestimmt ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Werte der einzelnen parallelgeschalteten Kombinationen sich in der Gesamtdimensionierung ihrer kapazitiven Wirkung voneinander unterscheiden, gemäß noch weiterer Ausgestaltungen der Erfindung nehmen diese Werte vom Schallwandler aus gesehen zu.
Weitere Schaltungsausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 5 bis 10 enthalten. Danach können parallel zum geschalteten Kondensatorwert ein widerstandswert oder eine Induktivität geschaltet sein, parallel zum geschalteten Widerstandswert ein Kondensatorwert oder eine Induktivität geschaltet sein oder eine Induktivität in Reihe zum geschalteten Kondensatorwert oder Widerstandswert geschaltet sein. Von der Erfindung sind auch jegliche Kombinationen der vorgenannten Schaltungsmöglichkeiten mit umfasst.
Nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist als Schallwandler wenigstens ein Lautsprecherchassis vorgesehen, der Schallwandler kann jedoch auch eine Lautsprecherbox mit wenigstens einem Lautsprecherchassis aufweisen. Auch kann die erfindungsgemäße Schaltung auf den Einsatz von Kopfhörern abgestimmt werden.
Schließlich ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Schaltung im Inneren eines Lautsprechergehäuses angeordnet ist. Alternativ, insbesondere zu Nachrüstungszwecken, kann die erfindungsgemäße Schaltung jedoch auch in einem eigenen separaten Gehäuse untergebracht sein. Auf diese Weise ist es möglich, vorhandene HiFi-Anlagen mit bereits vorhandenen Lautsprecherboxen weiter zu benutzen, indem die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung lediglich, gewissermaßen als „Ergänzungsmodul" vor den Lautsprechereingang geschaltet wird.
Um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erreichen, wird also beispielsweise ein Zeitglied aus einem Kondensatorwert/Widerstandswert zur Kompensation der Phasensprünge aufgrund unterschiedlicher Entfernungen der akustischen Zentren zum Hörer eingesetzt, ein weiteres Zeitglied wird zur Kompensation der Phasendrehungen der höheren abgestrahlten Frequenzen innerhalb eines Lautsprecherchassis eingesetzt und gegebenenfalls weitere Zeitglieder dienen zur Abstimmung tieferer abgestrahlter Frequenzen des Lautsprecherchassis und zur Feinregulierung des akustischen Phasenganges des Lautsprecherchassis. Allgemein lässt sich sagen, dass bei der Reihenschaltung der Bauteile zueinander die Einsatzfrequenz umso tiefer ist, je größer der Kondensatorwert bei der Reihenschaltung der Bauteile zueinander ist. Je kleiner der Widerstandswert bzw. die Induktivität sind, umso stärker ist die zu erreichende Phasendrehung. Zur Abgrenzung der Einsatzfrequenzen der einzelnen kapazitiven Werte voneinander sind Widerstandswerte und Induktionswerte notwendig.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
2 die vergleichende Darstellung der Auswirkungen einer Frequenzweiche mit und ohne erfindungsgemäße Schaltung.
Im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel sind parallel zu einem Schallwandler 1 mehrere Kombinationen aus Kondensatoren C1 bis C4, Widerständen R1 bis R4 jeweils in Reihe geschaltet. Nicht dargestellt ist, dass anstelle der Widerstände bzw. zusätzlich zu den Widerständen auch Schwingspulen mit induktivem Wert vorgesehen sein können. Dabei sind die Bauteile jeweils einer Kombination hinsichtlich ihres kapazitiven Wertes aufeinander abgestimmt.
In 2 ist der Vergleich der erfindungsgemäßen Schaltung mit bekannten Frequenzweichen dargestellt. Dabei zeigen die Bilder von oben nach unten die Gruppenlaufzeit, den Frequenzgang, das Phasenverhalten eines simulierten Hochtöners im Frequenzbereich zwischen 2.000 und 20.000 Hertz und die Schaltungsanordnung der jeweiligen Weichenschaltung.
Die Schaltung in Spalte 1 stellt eine Frequenzweiche ohne Korrekturschaltung dar, in Spalte 2 ist eine Schaltung dargestellt, deren Weichenschaltung vom Frequenzgang her optimiert wurde, um zu zeigen, dass selbst bei sehr linearem Frequenzgang die Gruppenlaufzeit und die Phase nicht linear sind. Diese Weiche mit optimiertem Frequenzgang ist gleichfalls bereits für sich bekannt. In Spalte 3 sind schließlich die Auswirkungen einer Frequenzweiche gemäß der erfindungsgemäßen Schaltung dargestellt. Man erkennt im Vergleich zu den Spalten 1 und 2 einen deutlich paralleleren Verlauf der Gruppenlaufzeit (Group delay). Der Frequenzgang (Summed frequency response) scheint für sich betrachtet ungleichmäßiger zu sein als der bei der Weichenschaltung gemäß Spalte 2, jedoch zeigt der Vergleich deutlich das optimierte Phasenverhalten (Individual phase response) der erfindungsgemäßen Schaltung.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Korrekturschaltung aus den Bauteilen R1041, C1041, R1061, C1061, R1081, C1081 und R1111 sowie C1111.
Es ist schnell ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Schaltung mit geringstem technischen Aufwand auskommt. Dennoch wird eine erhebliche Verbesserung der Klangqualität erreicht. Insbesondere bei der Wiedergabe klassischer Musik, wo in der Realität jedem Instrument in Bezug auf den Hörer ein fester Platz zugewiesen ist, lässt sich dieser feste Platz eines bestimmten Instrumentes auch virtuell fest abbilden, unabhängig vom unterschiedlichen Frequenzverhalten des betreffenden Instrumentes. Mit der erfindungsgemäßen Schaltung werden einzelne Instrumente also ortbarer und besitzen über ihr gesamtes Frequenzspektrum eine feste Positionierung im' Raum. Dadurch wird die räumliche Staffelung des musikalischen Geschehens deutlich verbessert und die Tiefe des abgebildeten Klangraumes größer. Durch die feste Ortbarkeit einzelner Instrumente wirkt jedoch das Klangbild beim Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltung keinesfalls statisch. Vielmehr wächst die Dynamik des klanglichen Geschehens und die klangfarbliche Definition ist deutlich stärker dem realen Klangbild eines unmittelbar gehörten Orchesters angepasst.

Claims

Schaltung zur Korrektur der akustischen Gruppenlaufzeit und damit des frequenzabhängigen Phasenverhaltens für Schallwandler, die elektrische Signale durch mechanische Bewegung in Schall umwandeln, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Schallwandler (1) und von diesem aus gesehen vor jeder weiteren Schaltung wenigstens eine Kombination (C1, R1; C2, R2; C3, R3; C4, R4) aus jeweils einem kapazitiven Wert aus wenigstens einem Kondensator (Cl, C2, C3, C4) und jeweils wenigstens einem widerstandswert aus wenigstens einem Widerstand (R1, R2, R3, R4) und/oder einem induktiven Wert aus wenigstens einer Induktivität angeordnet ist und dass bei jeder Kombination der kapazitive Wert und der Widerstandswert bzw. induktive Wert in Reihe geschaltet sind.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kombination einen kapazitiven Wert umfasst, welcher durch Induktivitäten und/oder Widerstände in der Stärke ihrer kapazitiven Wirkung abgestimmt ist.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der einzelnen parallel geschalteten Kombinationen sich in der Gesamtdimensionierung ihrer kapazitiven Wirkung voneinander unterscheiden.
Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der einzelnen parallel geschalteten Kombinationen in der Gesamtdimensionierung ihrer kapazitiven Wirkung vom Schallwandler aus gesehen zunehmen.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum geschalteten Kondensatorwert ein Widerstandswert geschaltet wird.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum geschalteten Widerstandswert ein Kondensatorwert geschaltet wird.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum geschalteten Kondensatorwert eine Induktivität geschaltet wird.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum geschalteten Widerstandswert eine Induktivität geschaltet wird.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zum geschalteten Kondensatorwert eine Induktivität geschaltet wird.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zum geschalteten Widerstandswert eine Induktivität geschaltet wird.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler wenigstens ein Lautsprecherchassis ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler eine Lautsprecherbox mit wenigstens einem Lautsprecherchassis ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler ein Kopfhörer ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung im Inneren eines Lautsprechergehäuses angeordnet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung als separates Modul in einem eigenen, Gehäuse angeordnet ist.