DE20307781U1

DE20307781U1 - Correction circuit for sound transducer, e.g. loudspeaker, has series combination(s) of resistance value, capacitive value and inductive value in parallel with sound transducer

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Publication number: DE20307781U1
Application number: DE20307781U
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Priority date: 2003-05-17
Filing date: 2003-05-17
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2013-05-18

Abstract

The correction circuit has at least one combination of a resistance value with at least one resistance (R1-R5) and a capacitive value with at least one capacitor (C1-C4) and/or an inductive value with at least one inductance (L5) in parallel with the sound transducer or loudspeaker (1), whereby each combination has a resistive, capacitive and/or inductive value connected in series.

Description

Schaltung zur Korrektur der akustischenCircuit for correcting the acoustic Gruppenlaufzeit und des frequenzabhängigenGroup delay and frequency dependent Phasenverhaltens für SchallwandlerPhase behavior for transducers

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.The invention relates to a circuit for correcting the acoustic group delay and thus the frequency-dependent phase behavior for sound transducers that convert electrical signals into sound by mechanical movement.

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. 0,2 8 cm oder einer Laufzeitdifferenz von 0,0082 ms. In der stereophonen Mikrophontechnik sind diese Phänomene hinreichend beschrieben.The human ear is known to be able to determine the direction and distance of a sound source quite accurately. Since the distance between the two ears is relatively small, approximately 17 cm, the human ear must also evaluate small differences in the sound intensity, the travel time and the phase position of the incoming signal. The human ear is able to perceive directional differences in the field of vision with an accuracy of three degrees. This corresponds to a travel time distance of approximately 0.28 cm or a travel time difference of 0.0082 ms. These phenomena are adequately described in stereophonic microphone technology.

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, dieParticularly in the area of loudspeakers, there are significant delay and phase problems across the radiated frequency spectrum. To date, these are usually not adequately corrected. It is known, although not generally common, that

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.different loudspeaker chassis to be mechanically offset from each other in order to overcome the delay problems between high, mid and low tones by bringing the acoustic centers of the loudspeaker chassis to the same distance from the listener. However, this well-known measure is not used by the majority of manufacturers because they apparently do not see the need for it. This shows that the need to compensate for phase shifts within individual loudspeaker chassis via the frequency spectrum they emit is not part of the state of the art.

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 Al 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.Also known are so-called active controls of the acoustic phase behavior or the acoustic group delay of loudspeakers, which are located in the upstream electronics. For this purpose, DE 44 18 360 Al provides a multi-way loudspeaker with controlled phase and amplitude, but in which only a summing amplifier is used, which is therefore not designed for the different delays of the high, mid and low tones.

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.Furthermore, EP 0 145 997 B2 discloses a device for compensating reproduction errors of an electroacoustic transducer, in which a circuit is provided which has adjustment elements for approximating the complex transfer function to the complex damping function of the sound transducer. However, this known circuit is extremely complicated in design and therefore not suitable for use by end users.

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.Finally, DE 34 31 096 C2 discloses a circuit in which capacitors are connected in parallel to obtain an improved spatial sound impression. However, the aim here is to accelerate the charge transfer of the capacitors and thus improve the phase accuracy of the capacitors, and not to correct the phase behavior.

Des weiteren ist es allgemein bekannt, dass die LautSprecherxmpedanz bei zunehmenden Frequenzen ansteigt. Zur Impedanzkorrektur bzw. -entzerrung ist daher der Einsatz unterschiedlicher Frequenzweichen ausführlich in der Fachliteratur beschrieben.Furthermore, it is generally known that the speaker impedance increases with increasing frequencies. The use of different crossovers for impedance correction or equalization is therefore described in detail in the specialist literature.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltung zur Korrektur der akustischen Gruppenlaufzeit und damit des frequenzabhangigen 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.Against this background, the invention is based on the task of designing and developing the circuit mentioned at the beginning for correcting the acoustic group delay and thus the frequency-dependent phase behavior of sound transducers in such a way that the frequency-dependent phase and group delay behavior of sound transducers is optimized to a linear behavior in the sense of simultaneous radiation of the different frequencies. Furthermore, this circuit should be implemented with little technical effort.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das parallel zum Schallwandler und von diesem aus gesehen 3»©r jeder weiteren Schaltung wenigstens eine Kombination aus jeweils einem Widerstandswert aus wenigstens einem Widerstand und jeweils einem kapazitiven Wert aus wenigstens einem Kondensator und/oder einem induktiven Wert aus wenigstens einer Induktivität angeordnet ist und dass bei jeder Kombination der Widerstandswert und der kapazitive bzw. induktive Wert in Reihe geschaltet sind.This object is achieved in that at least one combination of a resistance value from at least one resistor and a capacitive value from at least one capacitor and/or an inductive value from at least one inductance is arranged parallel to the sound transducer and, as seen from this, in each further circuit and that in each combination the resistance value and the capacitive or inductive value are connected in series.

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.The circuit according to the invention is able to compensate for the phase jumps between loudspeaker chassis due to different distances of the acoustic centers from the listener as well as the phase shifts of individual loudspeaker chassis across the frequency spectrum they emit. In terms of sound, this circuit has the effect of significantly improving the spatial gradation of the musical events. Individual instruments become more locatable and have a fixed position in the room across their entire frequency spectrum, while at the same time the depth of the space depicted increases. The dynamics of the sound events increase and the timbre definition of the entire sound image as well as of individual instruments becomes much more accurate.

Durch die erfindungsgemäße Schaltung wird das Problem, das frequenzabhängige akustische Phasenverschiebungen bzw. GruppenlaufZeitverschiebungen bei Schallwandlern bereiten, deutlich verringert oder gar völlig beseitigt.The circuit according to the invention significantly reduces or even completely eliminates the problem caused by frequency-dependent acoustic phase shifts or group delay shifts in sound transducers.

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.A further teaching of the invention provides that each combination comprises a capacitive value which is adjusted by inductances and/or resistors in the strength of their capacitive effect.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Werte der einzelnen parallelgeschalteten Kombinationen sich in der Gesaratdimensionxerung ihrer kapazitiven Wirkung voneinander unterscheiden, gemäß noch weiterer Ausgestaltungen der Erfindung nehmen diese Werte vom Schallwandler aus gesehen ab.In a further embodiment of the invention, it is provided that the values of the individual combinations connected in parallel differ from one another in the overall dimension of their capacitive effect; according to still further embodiments of the invention, these values decrease as seen from the sound transducer.

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.Further circuit configurations are contained in subclaims 5 to 10. Accordingly, a resistance value or an inductance can be connected in parallel to the switched capacitor value, a capacitor value or an inductance can be connected in parallel to the switched resistance value, or an inductance can be connected in series to the switched capacitor value or resistance value. The invention also encompasses any combination of the aforementioned circuit possibilities.

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.According to a further teaching of the invention, at least one loudspeaker chassis is provided as the sound transducer, but the sound transducer can also have a loudspeaker box with at least one loudspeaker chassis. The circuit according to the invention can also be adapted for the use of headphones.

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 &ldquor;Ergänzungsmodul" vor den Lautsprechereingang geschaltet wird.Finally, it is intended that the circuit according to the invention is arranged inside a loudspeaker housing. Alternatively, particularly for retrofitting purposes, the circuit according to the invention can also be housed in its own separate housing. In this way, it is possible to continue using existing hi-fi systems with existing loudspeaker boxes by simply connecting the circuit arrangement according to the invention as a sort of "supplementary module" in front of the loudspeaker input.

Um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erreichen, wird also beispielsweise ein Zeitglied aus einem Kondensatorwert/Widerstandswert zur Kompensation derIn order to achieve the advantages according to the invention, for example, a timer consisting of a capacitor value/resistance value is used to compensate for the

Phasensprünge aufgrund unterschiedlicher Entfernungen der akustischen Zentren zum Hörer eingesetzt, ein weiteres Zeitglied wird zur Kompensation der Phasendrehungen der tieferen abgestrahlten Frequenzen innerhalb eines Lautsprecherchassis eingesetzt und gegebenenfalls weitere Zeitglieder dienen zur Abstimmung höherer 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.Phase jumps are used due to different distances between the acoustic centers and the listener, another timing element is used to compensate for the phase shifts of the lower radiated frequencies within a loudspeaker chassis and, if necessary, further timing elements are used to tune higher radiated frequencies of the loudspeaker chassis and to finely regulate the acoustic phase response of the loudspeaker chassis. In general, it can be said that when the components are connected in series, the higher the capacitor value is when the components are connected in series, the lower the frequency of operation. The smaller the resistance value or the inductance, the greater the phase shift that can be achieved.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigenThe invention is explained in more detail below with reference to a drawing which merely represents a preferred embodiment. In the drawing,

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung undFig. 1 shows an embodiment of a circuit arrangement according to the invention and

Fig. 2 die vergleichende Darstellung der Auswirkungen einer Frequenzweiche mit und ohne erfindungsgemäßen Schaltung.Fig. 2 shows a comparative representation of the effects of a crossover with and without the circuit according to the invention.

Parallel zu einem Schallwandler 1 sind mehrere Kombinationen aus Widerständen Rl bis R5, Kondensatoren Cl bis C4 und einer Induktivität L5 jeweils in Reihe geschaltet. Dabei sind die Bauteile jeweils einer Kombination hinsichtlich ihres kapazitiven Wertes aufeinander abgestimmt.Several combinations of resistors Rl to R5, capacitors Cl to C4 and an inductance L5 are connected in series in parallel to a sound transducer 1. The components of each combination are matched to one another with regard to their capacitive value.

In Fig. 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.Fig. 2 shows a comparison of the circuit according to the invention with known crossovers. The images show, from top to bottom, the group delay, the frequency response, the phase behavior of a simulated tweeter in the frequency range between 2,000 and 20,000 Hertz and the circuit arrangement of the respective crossover circuit.

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.The circuit in column 1 represents a crossover without a correction circuit; column 2 represents a circuit in which the crossover circuit has been optimized in terms of frequency response to show that even with a very linear frequency response, the group delay and the phase are not linear. This crossover with optimized frequency response is also already known in itself. Finally, column 3 shows the effects of a crossover according to the circuit according to the invention. In comparison to columns 1 and 2, a much more parallel course of the group delay can be seen. The frequency response (summed frequency response) appears to be more uneven than that of the crossover circuit according to column 2, but the comparison clearly shows the optimized phase behavior (individual phase response) of the circuit according to the invention.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Korrekturschaltung aus den Bauteilen R1041, C1041, R1061, C1061, R1081, C1081 und Rl111 sowie Cllll.In the illustrated embodiment, the correction circuit consists of the components R1041, C1041, R1061, C1061, R1081, C1081 and Rl111 as well as Cllll.

Es ist schnell ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Schaltung mit geringstem technischen Aufwand auskommt. Dennoch wird eine erhebliche Verbesserung derIt is quickly apparent that the circuit according to the invention requires minimal technical effort. Nevertheless, a significant improvement in the

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.Sound quality is achieved. Particularly when playing classical music, where in reality each instrument is assigned a fixed place in relation to the listener, this fixed place of a certain instrument can also be virtually mapped, regardless of the different frequency behavior of the instrument in question. With the circuit according to the invention, individual instruments can be located more easily and have a fixed position in space across their entire frequency spectrum. This significantly improves the spatial gradation of the musical event and increases the depth of the reproduced sound space. However, due to the fixed location of individual instruments, the sound image does not appear static when using the circuit according to the invention. Rather, the dynamics of the sound event increase and the timbre definition is much more closely adapted to the real sound image of an orchestra heard directly.

Claims

1. Circuit for correcting the acoustic group delay and thus the frequency-dependent phase behavior for sound transducers which convert electrical signals into sound by mechanical movement, characterized in that at least one combination of a resistance value from at least one resistor and a capacitive value from at least one capacitor and/or an inductive value from at least one inductance is arranged parallel to the sound transducer (1) and, as seen from the latter, after the crossover, and that in each combination the resistance value and the capacitive or inductive value are connected in series.

2. Circuit according to claim 1, characterized in that each combination comprises a capacitive value which is adjusted by inductances and/or resistances in the strength of their capacitive effect.

3. Circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the values of the individual combinations connected in parallel differ from one another in the overall dimensioning of their capacitive effect.

4. Circuit according to claim 3, characterized in that the values of the individual combinations connected in parallel decrease in the overall dimensioning of their capacitive effect as seen from the sound transducer.

5. Circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that a resistance value is connected in parallel to the switched capacitor value.

6. Circuit according to one of claims 1 to 5, characterized in that a capacitor value is connected in parallel to the switched resistance value.

7. Circuit according to one of claims 1 to 6, characterized in that an inductance is connected in parallel to the switched capacitor value.

8. Circuit according to one of claims 1 to 7, characterized in that an inductance is connected in parallel to the switched resistance value.

9. Circuit according to one of claims 1 to 8, characterized in that an inductance is connected in series with the switched capacitor value.

10. Circuit according to one of claims 1 to 9, characterized in that an inductance is connected in series with the switched resistance value.

11. Circuit according to one of claims 1 to 10, characterized in that the sound transducer is at least one loudspeaker chassis.

12. Circuit according to one of claims 1 to 10, characterized in that the sound transducer is a loudspeaker box with at least one loudspeaker chassis.

13. Circuit according to one of claims 1 to 10, characterized in that the sound transducer is a headphone.

14. Circuit according to one of claims 1 to 13, characterized in that the circuit is arranged inside a loudspeaker housing.

15. Circuit according to one of claims 1 to 13, characterized in that the circuit is arranged as a separate module in its own housing.