Beschreibung

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Kompensationsmittel für ein Lautsprechersystem und ein Lautsprechersystem, auf eine Berechnungseinheit sowie ein zugehöriges Verfahren. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Ansteuerung eines Lautsprecher-Arrays bzw. eines Arrays von Aktoren zur Schallab- Strahlung.

Lautsprecher (Schallwandler, Aktoren) sind elektromechanische Systeme mit nichtlinearen Eigenschaften. Das Ausgangssignal (z. B. Membranauslenkung, -schnelle, Schalldruck) steht in einem nichtlinearen Verhältnis/Beziehung zum Eingangssignal (z. B. Spannung). Das nichtlineare Verhalten äußert sich durch nichtlineare Verzerrungen. Nichtlineare Verzerrungen sind Signalanteile im Spektrum des Ausgangssignals, die im Spektrum des Eingangssignals nicht enthalten sind (z. B. Harmonische Verzerrungen, Intermodulationsverzerrungen). Dadurch entsteht eine ungewollte Klangverfärbung. Im Stand der Technik kommen Verfahren aus der Regelungs- und Steuerungstechnik zum Einsatz. Dem Eingangssignal wird ein zusätzliches Signal hinzugefügt, welches durch das eigene nichtlineare Verhalten des Wandlers kompensiert wird. Das Anregungssignal des Lautsprechers besteht also aus dem Eingangssignal und einem zweiten Steuersignal/Kompensationssignal. Dies soll einen linearen Zusammenhang zwischen Ein- gangs- und Ausgangssignal bewirken. Das hinzugefügte Kompensationssignal kann die elektrische Energie, die dem Lautsprecher zugeführt wird erhöhen und ihn dementsprechend stärker belasten. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften einem stärkeren Alterungsprozess unterzogen, außerdem ist die thermische Belastung höher. Hierbei können auch nur diejenigen Nichtlinearitäten kompensiert werden, die durch den elektri- mechanischen Antrieb verursacht werden, also z.B. die nichtlineare Ankopp- lung/Kraftfaktor zwischen elektrischer und mechanischer Seite, oder die Auswirkungen der nichtlinearen Aufhängung (Feder) der Membran, nicht aber Nichtlinearitäten aufgrund anderer Ursachen, die erst im Schalldruck entstehen z.B. Dopplerverzerrungen oder Nichtlinearitäten in einem Resonator oder Hochtonhorn. Das nichtlineare Verhalten von Systemen ohne eigenen Antrieb kann mit diesem Ansatz nicht kompensiert werden z. B. für Lautsprecher mit einer oder mehreren Aktivmembranen und einer oder mehreren Passivmembranen bietet der Stand der Technik keinen Lösungsansatz, das von der/den Passivmembranen abgestrahlte Verzerrungsspektrum zu kompensieren, da die Passivmembrane über keinen eigenen Antrieb verfügen. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Konzept zu schaffen, um bei einem Schalldrucksignal den Verzerrungssignalanteil zu reduzieren.

Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Kompensationsmittel für ein Lautsprechersystem, das eine erste Lautsprechergruppe mit mindestens einem Schallwandler umfasst. Die erste Lautsprechergruppe ist ausgebildet, um auf Basis eines Audiosignals ein erstes Schallsignal zu erzeugen, wobei das Schallsignal einen Nutzsignalanteil und einen Verzerrungssignalanteil umfasst. Der Verzerrungssignalanteil resultiert im Regelfall aus Nichtlinearitäten bei der Erzeugung des Nutzsignals mittels der ein oder mehreren Schallwandler der ersten Lautsprechergruppe. Die Kompensationsmittel umfas- sen zumindest eine zweite Lautsprechergruppe mit mindestens einem Schallwandler, wobei die zweite Lautsprechergruppe ausgebildet ist, um auf Basis eines Kompensationssignals ein zweites Schallsignal zu erzeugen, das bei Überlagerung mit dem ersten Schallsignal den Verzerrungssignalanteil (d. h. also die Störanteile oder allgemein die ungewollten, abgestrahlten Schallanteile) kompensiert und/oder reduziert. Beispielsweise kann das Kompensationssignal (oder auch Controlsignal) aus dem Verzerrungssignalanteil, z. B. durch Inversion, abgeleitet werden. Dieser Ansatz bietet den Vorteil, dass so eine verbesserte Audiowiedergabe erreicht werden kann, da die Verzerrungsartefakte im Hörraum reduziert bzw. verhindert werden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, abgestrahlten Schalldruck eines Lautsprechers oder einer Gruppe von mehreren Lautsprechern, der einen sogenannten Verzerrungssignalanteil - also ein ungewolltes / ungewollt abgestrahltes Schallsignal, wie z. B. ein Nebengeräusch oder Störgeräusch - bei der Reproduktion eines Nutzsignals beinhaltet, optimiert werden kann, indem über einen zusätzlichen Lautsprecher bzw. eine zusätzliche Lautsprechergruppe ein weiteres Schallsignal wiedergegeben wird, das geeignet ist, um die Verzerrungen des ersten Laut- Sprechers bzw. der ersten Lautsprechergruppe im Schallfeld zu kompensieren, im Sinnen von auslöschen oder reduzieren. Diese zweite Lautsprechergruppe wird durch ein sog. Kompensationssignal gesteuert, das abhängig von dem Verzerrungsspektrum des Lautsprechers bzw. der Lautsprechergruppe, welche das eigentliche Audiosignal abstrahlt, ist.

Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Lautsprechersystem geschaffen, das die erste Lautsprechergruppe zur Erzeugung des eigentlichen Audiosignals sowie die zweite Lautsprechergruppe zur Erzeugung des Kompensationssignals umfasst. Die erste und die zweite Lautsprechergruppe sind entsprechend Ausführungsbeispielen derart relativ zueinander angeordnet, dass eine Überlagerung des zweiten Schallsignals gegenüber dem ersten Schallsignal in einem Raum des erzeugten Schallfeldes erfolgt. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen erfolgt die Überlagerung im Nahfeld. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die erste Lautsprechergruppe von der zweiten Lautsprechergruppe mit einem kleinen Abstand, z. B. maximal 3 m oder bevorzugterweise maximal 1 m entfernt voneinander aufgestellt sind. Weiter kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen mindestens ein Schallwandler der zweiten Lautsprechergruppe oder die gesamte zweite Lautsprechergruppe auf ein Schallfeld, das durch die erste Lautsprechergruppe erzeugt wird oder auch auf die Hörposition für das Schallfeld der ersten Lautsprechergruppe ausgerichtet sein. Bei dem Ausführungsbei- spiel, entsprechend welchem die Überlagerung im Nahfeld erfolgt, sei erwähnt, dass der besondere Vorteil darin besteht, dass hier die Wirkungsweise des Konzepts unabhängig vom Hörort ist, d. h. also dass auch im Fernfeld in Bezug auf die erste (oder auf die zweite) Lautsprechergruppe ein optimiertes Hörerlebnis erfolgt. Bei dem Ausführungsbeispiel, entsprechend welchem die Überlagerung so ausgelegt ist, dass diese bevorzugterweise an der Hörposition erfolgt, sei erwähnt, dass hier der besondere Vorteil darin besteht, dass eine Optimierung für eben eine Hörposition vorliegt.

Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Lautsprechergruppe 2 eine Mehrzahl an Lautsprechern umfassen und ausgebildet sein, um Beamforming zu betrei- ben. Hierbei ist es dann vorteilhafterweise möglich, den Überlagerungsort mittels der erzeugten und ausgerichteten Schallkegeln exakt über die Ansteuerung der Lautsprecher der zweiten Lautsprechergruppe zu bestimmen. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann durch ein derartiges Lautsprechersystem ein Stereoschallfeld oder ein Raumklangschallfeld erzeugt werden. Das heißt also, dass die erste Lautsprechergruppe entspre- chend diesem erweiterten Ausführungsbeispiel mindestens zwei, oder sogar mehr Kanäle umfasst. Dieses Ausführungsbeispiel ist bevorzugterweise in Kombination mit dem Beam- formingansatz anzutreffen. Alternativ wäre es auch denkbar, dass, wenn beispielsweise die Lautsprecher der ersten Lautsprechergruppe eine Mehrzahl an Schallfeldern erzeugen, auch die Lautsprecher der zweiten Lautsprechergruppe ausgebildet sind, um eine Mehrzahl an Schallfeldern zu erzeugen. Hierzu kann beispielsweise eine Vielzahl an Lautsprecher in der Lautsprechergruppe 2 eingesetzt werden. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wäre es denkbar, dass es eine 1 :1 Zuordnung zwischen einem Lautsprecher der ersten Lautsprechergruppe und einem Lautsprecher der zweiten Lautsprechergruppe gibt. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Berechnungseinheit. Diese umfasst entsprechend Ausführungsbeispielen einen Signalsynthetisator, der ausgebildet ist, um ausgehend von einer Information über den Verzerrungssignalanteil das Kompensationssignal zu ermitteln bzw. zu erzeugen. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Berechnungseinheit auch noch zusätzlich einen Signalanalysator, der ausgebil- det ist, um das erste Schallsignal hinsichtlich des Nutzsignalanteils und des Verzerrungssignalanteils zu analysieren, um eben die Information über den Verzerrungssignalanteil zu extrahieren. Hierzu kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen der Signalanalysator das Audiosignal mit dem ersten Schallsignal vergleichen. Hierzu ist das Signal im Regelfall mit einem Aufnehmer für das erste Signal, wie z. B. ein Mikrofon oder allgemei- nen Mitteln zur Messung der Beschleunigung, der Schnelle und/oder der Auslenkung der Membran bzw. allgemein der Schallabstrahlfläche ausgestattet. Alternativ kann der Signalanalysator auch ausgebildet sein, um das Audiosignal zu analysieren und den Verzerrungssignalanteil zu simulieren. Bei der Variante der Simulation kann vorteilhafterweise auf diese Mittel zur Bestimmung des Luft- bzw. Körperschalls bzw. allgemein des Störsig- nals verzichtet werden. Dies ist in Hinblick auf die Frage der Komplexität vorteilhaft. Unabhängig davon, ob ein Vergleichen oder Simulieren erfolgt, umfasst die Information über den Verzerrungssignalanteil eine von dem Nutzsignal isolierte Information. Beide Varianten ermöglichen vorteilhafterweise die Ermittlung des Verzerrungssignalanteils, wobei bei der Variante des Analysierens des ersten Schallsignals ein realistischeres Ergebnis erhal- ten wird, da das Signal unter allen momentan vorhandenen Einflussfaktoren analysiert wird. Alternativ können auch Mittel zur elektrischen Messung vorgesehen sein, die also das Strom- und/oder Spannungsverhalten an den Lautsprecherklemmenanalysieren. Die Messung von Spannung und Strom ist vorteilhaft, weil durch eine adaptive Systemidentifikation notwendige Parameter zur Simulation erneuert werden können. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der Signalsynthetisator dazu ausgebildet, um den Verzerrungssignalanteil zu invertieren, um das Kompensationssignal zu erhalten. Hierbei kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen der Signalsynthetisator ausgebildet sein, um das Kompensationssignal unter Einbezug der Übertragungsfunktion des mindestens einen Schallwandlers der zweiten Lautsprechergruppe zu ermitteln. Hierbei entsteht der Vorteil, dass eventuelle Verzerrungen der zweiten Lautsprechergruppe bereits im Vorfeld berücksichtigt sind.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft die Berechnungseinheit mit dem Signalsyntheti- sator und optionalerweise mit dem Signalanalysator.

Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Nutzsignalanteils definiert. Dieses umfasst die Schritte Ausgeben des ersten Schallsignals und Ausgeben des zweiten Schallsignals, so dass das zweite Schallsignal bei Überlage- rung mit dem ersten Schallsignal den Verzerrungssignalanteil des ersten Schallsignals kompensiert bzw. reduziert.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zur Berechnung eines Kompensationssignals. Dieses umfasst die Schritte Ermitteln eines Kompensationssignals ausge- hend von einer Information über einen Verzerrungssignalanteil, welches zusammen mit einem Nutzsignalanteil von einem ersten Schallsignal umfasst wird, das von einer ersten Lautsprechergruppe auf Basis eines Audiosignals erzeugt ist. In dem nächsten Schritt wird dann das Kompensieren bzw. das Reduzieren des Verzerrungssignalanteils durchgeführt, indem der Kompensationssignalanteil als zweites Schallsignal ausgegeben wird, um bei Überlagerung mit dem ersten Schallsignal die erwünschte Entzerrung / Klangverbesserung zu erhalten.

Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Schritte der oben erläuterten Verfahren bzw. zumindest ein oder einige Schritte der oben erläuterten Verfahren un- ter Zuhilfenahme eines Computers durchgeführt werden. Deshalb schafft ein weiteres Ausführungsbeispiel ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 a ein schematisches Blockdiagramm einer Lautsprecheranordnung mit einer ersten und einer zweiten Lautsprechergruppe gemäß einem Basisausführungsbeispiel; Fig. 1 b ein schematisches Flussdiagramm eines entsprechenden Kompensationsverfahrens; ein schematisches Blockdiagramm zur Kompensation der Nichtlinearität eines Schallwandlers/Schallwandlergruppe 1 durch zusätzliche Schallwandler/Schallwandlergruppe 2 gemäß einem erweiterten Ausführungsbeispiel; ein schematisches Blockdiagramm zur Illustration einer Basis-Konfiguration eines Schmalband Active Noise Control Systems; eine schematische Darstellung simulierter Isobaren zweier gegenphasiger Wandler in verschiedenen Abständen;

Fig. 3a, b schematische Diagramme von Amplitudenspektren zur Illustration der Reduktion von harmonischen Verzerrungen unter Zuhilfenahme der Kompensati- onsmittel entsprechend Ausführungsbeispielen;

Fig. 4a, b schematische Diagramme von Amplitudenspektren zur Illustration der Reduktion der harmonischen Verzerrungen durch Kompensationsmittel gemäß Ausführungsbeispielen; und

Fig. 5a, b schematische Diagramme von Amplitudenspektren zur Illustration der Reduktion von Intermodulationsverzerrungen durch Kompensationsmittel entsprechend Ausführungsbeispielen. Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist. Fig. 1 a zeigt ein Lautsprechersystem 100 mit einem ersten Lautsprecher 12 und einem zweiten Lautsprecher 14. Der erste Lautsprecher 12 gehört zu der ersten Lautsprecher- gruppe und umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zwei Schallwandler 12a und 12b, wobei der zweite Schallwandler optional ist. Der zweite Lautsprecher 14 umfasst wiederum zwei Schallwandler, nämlich die Schallwandler 14a und den optionalen Schallwandler 14b. Die Schallwandler 14a und 14b bzw. der Lautsprecher 14 gehört zu der zweiten Lautsprechergruppe. Beide sind beispielsweise in unmittelbarer Nähe nebeneinander aufgestellt und so angewinkelt, dass sie beispielsweise den Schall in einen gemeinsamen Raum, der mit dem Bezugszeichen 16 versehen ist, emittieren. Von einer anderen Seite betrachtet heißt das, dass entsprechend Ausführungsbespielen sowohl der erste Lautsprecher 12 bzw. die Schallwandler 12a und 12b als auch der zweite Lautsprecher 14 bzw. Schallwandler 14a und 14b das erste respektive das zweite Schallsignal (inklusive aller betrachteten Anteile) nach Vorne, d.h. über die Vordermembran der Schallwandler 12a, 12b, 14a und 14b emitieren.

Der Lautsprecher 12 sendet auf Basis eines Audiosignals 12s ein Schallsignal 12e aus. Das Schallsignal 12e umfasst einerseits ein Nutzsignal 12n und andererseits ein Verzerrungssignal 12v.

Der Lautsprecher 14 der zweiten Lautsprechergruppe dient dazu, dass das Schallsignal 12e derart zu überlagern, dass der Verzerrungssignalanteil 12v reduziert bzw. entfernt wird. Hierzu sendet die zweite Lautsprechergruppe auf Basis eines Kompensationssignals 14 es ein Schallsignal 14e aus, das geeignet ist, um den Verzerrungssignalanteil 12v bei Überlagerung mit dem Signal 12e zu reduzieren bzw. zu eliminieren, um dann im Resultat das unverzerrte Signal 12e + 14e zu erhalten, das vergleichbar oder ähnlich mit dem Nutzsignal 12n ist.

Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das Kompensationssignal 14e beispielsweise eine Invertierte des Verzerrungssignals 12v sein. Insofern ist das Steuerungssignal 14s beispielsweise von dem Schallsignal 12e oder dem Audiosignal 12s abgeleitet. Auch kann das Steuersignal für das Kompensationssignal 14e unter Berücksichtigung der Übertra- gungscharakteristik des/der Kompensationslautsprechers ermittelt sein, sodass es nicht noch zu zusätzlichen Störgeräuschen kommt.

Entsprechend Ausführungsbeispielen erfolgt die Überlagerung des Signals 14e oder 12e im Raum 16 bzw., um genauer zu sein, entsprechend Ausführungsbeispielen im Nahfeld der zwei Lautsprecher 12 und 14. Hierzu wäre es vorteilhaft aber nicht zwingend, wenn die Lautsprecher 12 und 14 mit einem geringen Abstand, wie z. B. 1 m oder maximal 3 m voneinander beabstandet sind. Dadurch können sich dann die Schallsignale 12e und 14e im Nahfeld überlagern, so dass praktisch an jeder Hörposition in dem Raum 16 ein verzerrungsreduziertes bzw. verzerrungsfreies Signal 12e + 14e wahrnehmbar ist. Zur Bestimmung des optimalen Abstand sind zwei Formeln bekannt, mit denen sich der maxima- le bzw. frequenzabhängige Abstand der Lautsprechergruppen bestimmen lässt. Der Hintergrund wird nachfolgend erläutert:

Die Idee und das Potential mit einem Entzerrlautsprecher noch größere Lautsprecher- arrays als das 6er-Array zu entzerren, bedarf einer Betrachtung des Einflusses der geo- metrischen Wandlerabstände zwischen Zerr- und Entzerrlautsprecher. In der Einleitung dieses Kapitels wurde bereits der Zusammenhang der Kompensationsmethode mit Active Noise Control Systemen hergestellt. Auch in der Theorie von ANC Systemen wird der Einfluss des Abstandes der Störquelle zum Controllautsprecher mit hoher Sorgfalt betrachtet. Dabei wird anhand von Punktschallquellen die aktive Unterdrückung deren Schallfelder in einer Freifeld Abstrahlung betrachtet. Die beiden Schallquellen werden als akustische Monopole betrachtet.

Die Minimierung des harmonischen Störsignals durch den Entzerrlautsprecher stellt eine grundlegende Basisaufgabe von ANC Systemen dar. Der Schalldruck im Fernfeld des Zerrlautsprechers ist gegeben durch: p " { rp) = -. »

iwr mit Schnelle v, r = |rF -rZ| und der Wellenzahl k. Durch die Superposition beider Schall- quellen ergibt sich der Schalldruck zu:

qmrz 4?Τ?Έ

Gesucht ist die Schnelle vE die bei gegebener Schnelle vZ das Schallfeld minimiert. Nach ist diese Schnelle gegeben mit: Die Schnelle des Entzerrlautsprechers muss in der Amplitude proportional sein zum relativen Abstand der Fernfeldposition und ein Schalldrucksignal erzeugen, welches um 180° außer Phase ist zum Signal des Zerrlautsprechers, wenn dieses die Fernfeldposition er- reicht. Die Frage, die sich hierbei stellt, ist, wie groß der Abstand d zwischen Zerr- und Entzerrlautsprecher sein darf, um die Nichtlinearitäten nicht nur an einem bestimmten Punkt sondern an jedem Punkt im Fernfeld hörbar zu reduzieren. Zur Lösung dieser Fragestellung ist es zunächst nötig eine Fernfeldapproximation in obiger Gleichung anzuwenden. Im Fernfeld der beiden Lautsprecher kann rE/rZ ~ 1 bzw. rE = rZ ~ rF angenom- men werden. Diese Fernfeldapproximation stellt sicher, dass der Schalldruck im Abstand r für jeden Winkel _F minimiert werden kann. Gleichung kann dadurch vereinfacht werden zu:

Mit dieser Fernfeldannahme und die daraus mögliche Umformung von Gleichung

^{4τ ζ} * ^** * führt zu folgendem Distanzkriterium: ^{~ c s"W} woraus folgt, dass kd < _/6 oder d < _/12 ist. Der Abstand direkt benachbarter Lautsprecher im verwendeten Lautsprecherarray beträgt 4,3 cm. Nach dem Distanzgesetz funktioniert eine optimale Auslöschung demnach nur bis f < c d- 12 ~ 660Hz. Bisherige Untersuchungen, bei denen stets direkt benachbarte Lautsprecherkombinationen verwendet wurden, haben aber gezeigt, dass Frequenzen bis mindestens 1200Hz messbar reduziert werden konnten. Die Theorie des Distanzgesetzes geht allerdings von einer kompletten Auslöschung also p = 0 aus, welche bei den Untersuchungen nachweisbar durch leichte Abweichungen der Amplitude und Phase nie erreicht werden konnte.

Aus der Verwendung linearer Lautsprecherarrays beispielsweise bei der Wellenfeldsyn- these oder Beamforming ist ebenfalls eine lautsprecherabstandsabhängige obere Grenzfrequenz bekannt, ab der Aliasingeffekte auftreten. Die Anordnung der Lautsprecher kommt einer räumliche Abtastung gleich und die obere Grenzfrequenz fAlias ist gegeben mit:

/Alias =

d(l + j cos ^Q E i ) mit dem Einfallswinkel EW einer ebenen Welle bezogen auf das Lautsprecherarray. Bei einem Lautsprecherabstand von 4,3 cm beträgt fAlias auf Achse 7930Hz. Eine Variation der Lautsprecherabstände soll eine Aussage treffen, ab wann die THD Reduktion auf- grund geometrischer Verhältnisse deutlich reduziert wird. Dabei soll Bezug auf das Distanzkriterium der ANC Theorie und die obere Grenzfrequenz fAlias der Linienarraytechno- logie genommen werden. Die Evaluierung hat gezeigt, dass die Variation des Entzerrlautsprechers einen geringeren Einfluss auf die Qualität der Kompensationsmethode hat, als die Variation des Zerrlautsprechers. Darum wurde für die geometrischen Untersuchungen D2 als Zerrlautsprecher und D3-5 als Entzerrlautsprecher verwendet. Als Untersuchungsfrequenz wurde 300Hz gewählt, dazu erwarten ist, dass bei den zu kompensierenden Obertönen bis 1500Hz der Einfluss der Wandlerabstände am deutlichsten erkennbar sein wird. Die Wirksamkeit der Methode für mehrere Positionen im Raum wurde untersucht, indem das Lautsprecherarray mithilfe einer Drehvorrichtung gedreht wurde. Die Messun- gen konnten so auf 0°, 45° und 90° durchgeführt werden. Dabei wurde das Lautsprecherarray so montiert, dass die jeweilige Lautsprecherkombination auf einer horizontalen Linie lag.

In nachfolgender Tabelle sind die THD Werte und die entsprechende THD Reduktion bei verschiedenen Winkeln und verschiedenen Abständen eingetragen. Zunächst deckt sich die THD Reduktion der Wandlerkombination D2Z, D3E mit der ursprünglichen Messung. Die THD Reduktion bleibt bei dieser Wandlerkombination auf den anderen Mikrofonpositionen stabil; bei 45° ist die Klirrfaktor Reduktion mit 18,6 dB sogar deutlich höher.

0° 45° 90°

4,3 cm THDZ 1 1 ,5% 10,3% 9,6%

4,3 cm THDZ+E 2,4% 1 ,2% 2,7%

4,3 cm Reduktion THD 13,6 dB 18,6 dB 1 1 ,0 dB

8,6 cm THDZ 1 1 ,5% 10,3% 9,6%

8,6 cm THDZ+E 2,3% 3,7% 6,6%

8,6 cm Reduktion THD 14,0 dB 8,9 dB 3,25 dB

12,9 cm THDZ 1 1 ,5% 10,3% 9,6%

12,9 cm THDZ+E 2,9% 5,5% 10,2%

12,9 cm Reduktion THD 12,0 dB 5,5 dB -0,5 dB Konstant bleibt die Reduktion des THD-Wertes bei 0° auch für die größeren Abstände. Diese sinkt aber drastisch, wenn das Lautsprecherarray aus seiner 0° Position heraus gedreht wird. Bei einem Wandlerabstand von 12,3 cm und 90° wird der Klirrfaktor sogar erhöht. Der Klirrfaktor trifft nur eine energetische Aussage über die Summe harmonischen Obertöne. Die spektrale Zusammensetzung des Obertonspektrums ist mit dem reinen THD-Wert nicht möglich. Dazu ist eine Betrachtung der Amplitudenspektren notwendig. So kann auch eine Aussage getroffen werden, ab welcher Frequenz in Abhängigkeit der Wandlerabstände und Messwinkel keine Entzerrung mehr möglich ist. In dieser Abbildung ist deutlich erkennbar, dass eine Abhängigkeit vom Winkelabstand und Messwinkel auf die Reduktion einzelner Spektrallinien besteht. So kann beispielsweise bei einem Abstand von 8,6 cm und 45° der Oberton bei 900Hz nicht mehr abgesenkt werden. Bei einem Wandlerabstand von 12,9 cm/90° liegt diese untere Grenzfrequenz bei 600Hz. Ausgehend von obiger Formel liegen diese Frequenzen aber alle deutlich über den so berechenbaren abstandsabhängigen Grenzfrequenzen. Diese betragen bei 4,3 cm 660Hz, bei 8,3 cm 330Hz und bei 12,9 cm 220Hz. Allerdings bezieht sich das Distanzkriterium auf eine ideale Auslöschung. Ein Teilreduktion ist durch dargestellte Messergebnisse auch bei höheren Frequenzen nachweisbar. In der Theorie wird kein winkelabhängiger Einfluss genannt. Das Distanzkriterium gilt für alle Punkte im Fernfeld, was sich aber nicht mit den dargelegten Messergebnissen deckt. Die rein theoretische Betrachtung der kompletten Auslö- schung bei Einhaltung des Distanzkriteriums fußt auf der Absenkung der Strahlungsimpedanz. Ist diese gleich Null, wird die Ankopplung der Mem-branschnelle an die umgebende Luft verhindert und die Wandler strahlen keinen Schalldruck ins Fernfeld ab. Dadurch entfällt auch eine winkelabhängige Betrachtung im theoretischen Idealfall. Bei der realen Messung wird der Strahlungswiderstand nicht auf null abgesenkt und ein Teil der Schall- leistung wird weiterhin ins Fernfeld abgestrahlt.

Eine Auslöschung findet nicht nur im Nahfeld statt, sondern auch eine positions- bzw. winkelabhängige Auslöschung auf den Messorten im Fernfeld. Auf Achse, also 0°, ist der Laufzeitversatz zwischen Zerr- und Entzerrlautsprecher innerhalb der Betrachtung eines Abstandes gleich groß, hat also keinen Einfluss auf die Auslöschung im Fernfeld. Mit wachsenden Winkel unterscheiden sich die Laufzeiten zwischen den beiden untersuchten Wandlern und die Reduktion einzelner Harmonischer verschlechtert sich.

In Fig. 2c sind die simulierten Isobaren zweier Wandler mit oben genannten Abständen dargestellt. Dabei wurde die gemessene Richtcharakteristik der beiden Wandler in die Simulation mit einbezogen. Außerdem wurde die Anregung der Wandler so simuliert, dass ein Wandler komplett außer Phase also invers zum zweiten Wandler Schall abstrahlt. Diese idealisierte Simulation zeigt also den abgestrahlten Schalldruck im Fernfeld des Wandlerpaares mit einem idealen Controlsignal auf dem Entzerrlautsprecher. Blaue bis orange Bereiche zeigen die Absenkung des Schalldruckes des Zerrlautsprechers, rote Bereiche eine Anhebung des Schalldruckes. Mit dieser Darstellung kann Bezug auf die Aliasingfrequenz bei Lautsprecher-Arrays genommen werden.

Wird jeweils 45° betrachtet, ergeben sich nach obiger Gleichungen die Aliasingfrequenzen für 4,3 cm zu 4645Hz für 8,6 cm zu 2323Hz und für 12,9 cm zu 1549Hz. Aus den Isoba- ren ist ein Anhebung des Schalldruckes ab 3350Hz/4,3 cm, 2100Hz/8,6 cm und 1250Hz/12,9 cm erkennbar. Diese Werte sind jeweils etwas geringer als die berechneten Grenzfrequenzen, die Ergebnisse der verwendeten Gleichung stellt aber einen praxisnahen Richtwert dar. Außerdem stellen die Isobaren gut dar, dass oberhalb der vom Lautsprecherabstand abhängigen Aliasingfrequenz ein ausgeprägtes Interferenzmuster ent- steht. Da aber Lautsprechernichtlinearitäten vor allem im Tieftonbereich entstehen und die Verzerrungsprodukte in einem weiten Winkelbereich noch unterhalb der jeweiligen Grenzfrequenz auftreten, hat der geometrische Abstand im Idealfall nur wenig Einfluss auf die Reduktion von harmonischen Verzerrungen. Die schwache Wirksamkeit der realen mit unterschiedlich Abständen gemessenen Wandlerpärchen kann darauf zurückgeführt wer- den, dass die Phasenlage der auszulöschenden Obertöne nicht perfekt getroffen wurde, oder das Schallfeld von zusätzlichen Anteilen, z.B, durch Kantenreflexionen, überlagert wird.

Ein Lautsprecher bzw. Lautsprecherarray 12 erzeugt aufgrund der nichtlinearen Eigen- Schäften des spezifischen Wandlerprinzipes harmonische Verzerrungen und Intermodula- tionsverzerrungen 12v. Platziert man einen Entzerrlautsprecher oder Kompensationslaut- psrecher 14 geometrisch nahe an den zerrenden Einzellautsprecher bzw. Lautsprecherarray 12, kann über den Kompensationslautsprecher 14 ein berechnetes Controlsignal 14e abgestrahlt werden, welches die Verzerrungsprodukte im Schallfeld 16 auslöscht. Die Auslöschung der Verzerrungsprodukte entspricht einer Absenkung des Strahlungswiderstands (Realteil der komplexen Strahlungsimpedanz Re{Z}) des verzerrten Einzellautsprechers bzw. Lautsprecherarrays 12 in dem Frequenzbereich, in dem die Verzerrungsprodukte liegen. Dadurch wird die Abstrahlung der Verzerrungsartefakte ins Fernfeld reduziert bzw. verhindert. Da die Kompensation bereits im Nahfeld des Einzellautsprechers bzw. Lautpsrecherarrays 12 erfolgt, ist die Wirkungsweise unabhängig vom Hörort. Hierbei sei angemerkt, dass es die bevorzugte Variante bei dem Lautsprechersystem 100 ist, dass die zwei Lautsprecher 12 und 14 in etwa der gleichen Richtung den Schall 12e bzw. 14e emittieren bzw. zueinander eingedreht sind. Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen von dem Lautsprechersystem 100 ausgegangen wurde, kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen auch einfach nur das Kompensationsmittel für ein weiteres Lautsprechersystem, das zumindest den Lautsprecher 12 umfasst, geschaffen werden. Dieses Kompensationsmittel ist im Wesentlichen durch den Lautsprecher 14 bzw. allgemein die zweite Lautsprechergruppe mit mindestens einem Schallwandler 14a gebildet.

Das entsprechende Verfahren ist in Fig. 1 b dargestellt. Fig. 1 b zeigt ein Verfahren 100, das die zwei Basisschritte 1 10 und 120 umfasst. Der Basisschritt 1 10 bezieht sich auf das Ausgeben des ersten Schallsignals unter Zuhilfenahme der ersten Lautsprechergruppe auf Basis des Audiosignals 12s. In dem nächsten Schritt 120 wird dann das zweite Schallsignal zur Kompensation ausgegeben. Dieses zweite Schallsignal basiert auf dem Störsignal 14s. Wie hier mittels der gestrichelten Linien dargestellt, ist das Störungssignal 14s abhängig von dem Audiosignal 12s. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 100 um das Verfahren 200 ergänzt sein, das z. B. ausgehend von dem Audiosignal 12s bevorzugterweise in Kombination mit dem ersten Schallsignal das Kompensationssignal 14s ermittelt. Das Verfahren 200 umfasst, wenn man dieses separat betrachtet, den Schritt des Ermitteins des Kompensationssignals (vgl. Schritt 200) ausgehend von einer Information über den Verzerrungssignalanteil sowie den Schritt des Kompensierens und/oder Reduzierens des Verzerrungssignalanteils bei Ausgabe des Kompensationssignals 14s als zweites Schallsignal. Insofern ist dieser zweite Schritt gleichzusetzen mit dem Schritt 120.

Weitere Ausführungsbeispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf Fig. 2a erläutert. Fig. 2a stellt die zwei Lautsprechergruppen 12 und 14 dar, die die Schallsignale 12e (ausgehend von dem Audiosignal 12s) und 14e (ausgehend von dem Steuersignal 14s) emittieren, so dass dann bei Überlagerung (vgl. Überlagerungsfunktion Z bzw. Bezugszeichen fi2e+i e) das verzerrungsbereinigte Signal 12e + 14e erfolgt. Z stellt komplexe Strahlunsimpedanz dar. Prinzipiell wird durch das Signal 14e der Strahlungswiderstand im Fre- quenzbereich von Signal 12v abgesenkt und somit die Abstrahlung von 12v in Fernfeld verhindert. Das Steuersignal 14s zur Ansteuerung der zweiten Lautsprechergruppe 14 wird durch Signalsynthesemittel 17 generiert. Hierzu gibt es unterschiedliche Ansätze, wie das Signal 14s berechnet wird.

Entsprechend einer ersten Variante wird beispielsweise das Eingangssignal u bzw. 12s von der Lautsprechergruppe 1 (vgl. Bezugszeichen 12) wiedergegeben und resultiert in einem Membranschnellsignal v bzw. 12e. Dieses Signal 12e wird einer Signalanalyse unterzogen, in der das Nutzsignal 12s vom Störsignal 12v getrennt wird. Hierzu kommt ein Signalanalysator 19 zum Einsatz, der optionalerweise mit einem Mikrofon 21 oder einem anderen Schallempfänger gekoppelt ist, so dass er das Signal 12e der Lautsprechergruppe 12 empfangen kann. Alternativ kann auch eine andere Art der Signalaufnahme erfolgen, z. B. durch einen Sensor an der Membran des Lautsprechers der Lautsprechergruppe 12 oder durch Abgreifen des elektrischen Signals der Lautsprechergruppe 12. Das heißt also, dass die Gewinnung des Ausgangssignals von den Lautsprechern bzw. Lautsprechergruppe 1 (vgl. Bezugszeichen 12) auf unterschiedlichen Wegen erfolgen kann. Weitere Beispiele sind die Messung der Beschleunigung, der Schnelle, der Auslenkung der Membran, eine Luft- oder Körperschallmessung oder eine elektrische Messung an den Lautsprecherklemmen. In jedem Fall ist das Ergebnis des Signalanalysators 19 eine Information über das Störsignal bzw. Verzerrungssignal 12v.

Diese Information wird dem Signalsynthetisator 12v zugeführt, der dann das Störsignal 12v zu einem Kontrollsignal c bzw. 14s verarbeitet. Die Verarbeitung kann beispielsweise eine Invertierung umfassen. Das Störsignal 14s bzw. c wird dann von den Lautsprechern der Lautsprechergruppe 2 (vgl. Bezugszeichen 14) wiedergegeben, so dass der Störanteil von den Lautsprechern bzw. Lautsprechergruppe 1 (vgl. Bezugszeichen 12) im Schallfeld p bzw. 16 reduziert bzw. vollständig ausgelöscht wird. Die Signalsynthese kann beispielsweise durch eine Invertierung des Störsignals mit Einbezug der Übertragungsfunktion des Kompensationslautsprechers bzw. der Kompensation der Lautsprechergruppe 2 (vgl. Bezugszeichen 14) realisiert werden.

Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist der Signalanalysator 19 nicht notwendig, so dass der Signalsynthetisator 17 das Störsignal 12v bzw. allgemein eine Information über das Störsignal 12v durch Modulierung bzw. Simulation des Lautsprechers 12 er- hält. Insofern umfassen entsprechend dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel die Kompensationsmittel neben dem Lautsprecher 14 der zweiten Lautsprechergruppe den Sig- nalsynthetisator 17 und alternativ zu dem Signalanalysator 19 einen Signalsimulator (nicht dargestellt). Dieser Signalsimulator kann z. B. ausgehend von dem Signal 12s und Informationen über die Lautsprechergruppe 1 (vgl. BZ 12) das Störsignal 12v simulieren bzw. vorhersagen. Hier wird abhängig vom Eingangssignal (Spannung)wird ein nützliches Aus- gangssignal (Membranauslenkung, Schnelle, Schalldruck ...) simuliert prädeziert und diese Prädiktion wird um ihren Verzerrungsanteil analysiert.

Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen immer davon ausgegangen wurde, dass die Lautsprechergruppe 1 nur ein Audiosignal 12s reproduziert, so kann die Lautsprecher- gruppe 1 auch eine Mehrzahl an Einzellautsprechern für unterschiedliche Kanäle einer Stereoanwendung oder Raumklanganwendung umfassen. Bevorzugt umfasst dann auch die Lautsprechergruppe 2 die entsprechend zugeordneten Lautsprecher. Hierbei können die Kanäle unterschiedlichen Lautsprechern (räumlich getrennte Einheiten) zugeordnet sein oder auch mehrere Kanäle über einen Lautsprecher (vgl. Soundbar) wiedergegeben werden. Je nachdem wird dann die Lautsprechergruppe 2 entweder in mehrere Einzellautsprecher oder einen mehrkanaligen Lautsprecher aufgeteilt.

Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Lautsprechergruppe 1 , aber insbesondere auch die Lautsprechergruppe 2 ausgebildet sein, um Beamforming zu betrei- ben. Wenn die Lautsprechergruppe 2 für Beamforming ausgebildet ist (betrieben wird), kann entsprechend einer bevorzugten Variante ein über ein Lautsprechersystem der Lautsprechergruppe 1 (mit beispielsweise eine Mehrzahl an Lautsprechern) ebenfalls mittels Beamforming betrieben werden. Die Kompensation eines mittels Beamforming reproduzierten Audiosignals durch einen einzigen Lautsprecher der Lautsprechergruppe 2 ist ebenfalls möglich. Anders ausgedrückt heißt das, dass, wenn bereits mehrere Lautsprecher eingesetzt werden, dadurch auch gleich eine Beamformingtechnologie verwendet werden kann. Analog andersherum: nutz man eine Beamformingtechnologie, kann ich mit der Anzahl der Wandler auch den Kompensationsansatz verfolgen. All die oben genannten Ausführungsbeispiele ermöglichen im Vergleich zum Stand der Technik (Active Noise Control bzw. Gegenschall bei Störschall und/oder Active Loudspeaker Control bzw. elektrische (Vor-)Verzerrung des Lautsprechersignals), dass der verzerrte Lautsprecher weniger belastet wird. Hintergrund ist, dass diesem kein zusätzliches Signal zugeführt wird. Außerdem müssen im Verstärkerkanal für den zerrenden Lautsprecher/Lautsprechergruppierung weniger Leistungsreserven vorgesehen werden. Gemäß der Erfindung kann auch das nichtlineare Verhalten von Membranen ohne eige- nen Antrieb (Passivmembrane) über einen zusätzlichen Lautsprecher/Lautsprechergruppierung (oder über die Aktivmembran) kompensiert werden.

Die Methode zur Kompensation von Wandlernichtlinearitäten wird im Vergleich zu Active Noise Control Systemen anhand von Fig. 2a und 2b erläutert.

Das schematische Blockschaltbild und der Signalflussplan dieser Methode ist in Fig. 2a skizziert. Ein Audiosignal, repräsentiert durch ein Spannungssignal, liegt an einem Lautsprecher an. Durch die lineare komplexe Übertragungsfunktion Hlin ist die Transformation von Spannung zu Membranschnelle beschrieben. Die nichtlineare Übertragungsfunktion H(x) kennzeichnet die auslenkungsabhängigen Nichtlinearitäten des Wandlers. Die Messung der Membranschnelle wird einer Signalanalyse zugeführt, die das Störsignal - also die Verzerrungsprodukte - vom Nutzsignal trennen kann. Dieses Störsignal liegt weiterhin als Schnellesignal vor. Durch die invertierte lineare Übertragungsfunktion H-1 lin. kann dieses Schnellesignal wieder in ein Spannungssignal umgewandelt werden. Dieses Zeitsignal wird invertiert und einem zweiten Lautsprecher, dem Entzerrlautsprecher, zugeführt. Dort erfolgt wieder die Transformation von Spannung zur Schnelle, verdeutlicht durch die Transferfunktion Hlin. Es wird angenommen, dass das modifizierte Störsignal eine solch geringe Amplitude besitzt, dass kein nichtlineares Verhalten des Entzerrlaut- Sprechers auftritt. Die Ankopplung der Membranbewegung an die Luft ist durch die komplexe Strahlungsimpedanz ZKo verdeutlicht. Das Schalldruck-Störsignal des ersten zerrenden Lautsprechers liegt in invertierter Form im wiedergegebenen Schalldruck des Entzerrlautsprechers vor. Physikalisch findet nun eine Absenkung des Realteils der Strahlungsimpedanz durch den Entzerrlautsprecher statt, wodurch die Ankopplung des Stör- Signals verringert wird. Die Membranschnelle bleibt unverändert, sie strahlt jedoch weniger Störschall ab.

Diese Methode grenzt an ein Teilgebiet von Active Noise Control (ANC), an Schmalband Active Noise Control. Active Noise Control umfasst die elektroakustische Erzeugung eines Schallfeldes, um ein existierendes aber ungewolltes Schallfeld auszulöschen. Schmalband Active Noise Control Systeme befassen sich mit der Regulierung von periodischen Störsignalen, wie sie oft von sich drehenden mechanischen Bauteilen, wie Motoren oder Ventilatoren, abgestrahlt werden. Die Unterdrückung des Störschalls basiert auf dem Prinzip der Superposition; ein Controlsignal mit gleicher Amplitude aber entgegengesetz- ter Phase wird von einem elektroakustischen oder elektromechanischen System erzeugt und dessen Schallabstrahlung mit dem Schallfeld der Störquelle kombiniert. Dies resultiert in einer Auslöschung beider Schallfelder.

In Fig. 2b ist das Grundprinzip eines Schmalband ANC Systems schematisch dargestellt. Eine Störquelle strahlt ein periodisches harmonisches Störsignal ab. Ein nichtakustischer Sensor zeichnet ein Synchronisationssignal auf, welches in einem Signalgenerator benutzt wird, um ein Referenzsignal x(n) zu synthetisieren. Ein digitales Filter erzeugt aus diesem Referenzsignal das Controlsignal y(n), welches über den Controllautsprecher wiedergegeben wird.

Optional kann ein Fehlermikrofon verwendet werden, welches das residuale Schallfeld misst und dieses als Fehlersignal e(n) einem adaptiven Algorithmus zufuhrt. Dieser passt die Koeffizienten des Digitalen Filters an. Im Vergleich zur vorgestellten Methode dieser Arbeit können folgende Analogien festgestellt werden:

· die Untersuchungen der Methode beschränkt sich auf Einzelsinustöne bzw. harmonische Schmalbandsignale

• die Membranschnelle wird mit einem nichtakustischen Sensor gemessen

• die Signalanalyse trennt das Störsignal vom Nutzsignal und erzeugt das Referenzsignal

· die Filterung mit der inversen Übertragungsfunktion Hlin und die Invertierung des

Spannungssignals erzeugt das Controlsignal.

Ein erster Lautsprecher wird mit einem tonalen Signal angeregt. Es ist möglich, die Amplitude und Phase des Anregungssignals eines zweiten Lautsprechers dermaßen an- zupassen, dass der Schalldruck direkt vor der Membran des ersten Lautsprechers ausgelöscht wird. Gleichermaßen löscht der erste Lautsprecher den Schalldruck des zweiten Lautsprechers aus. Es wird keine Wirkleistung verrichtet, es findet nur ein Druckausgleich zwischen den beiden Lautsprechern statt; ein akustischer Kurzschluss wird gebildet. Die Luft wird blind zwischen den beiden Lautsprechern hin und her geschoben, wodurch zwar ein lokales Schalldruckfeld zwischen den Lautsprechermembranen entsteht, aber durch die Absenkung des Realteils der Strahlungsimpedanz kein Schalldruck ins Fernfeld abgestrahlt wird. Die Strahlungsimpedanz ist frequenzabhängig. Nachfolgende Untersuchungen beschränken sich auf Einzelsinustöne. Diese sollen als Grundfrequenz das Nutzsignal darstellen. Die Verzerrungsprodukte äußern sich durch zusätzliche ganzzahlige Har- monische der Grundfrequenz. Das Störsignal setzt sich also aus der Summe der Obertöne zusammen. Wird die Strahlungsimpedanz nur im Frequenzbereich oberhalb der Grundfrequenz abgesenkt, wird nur die Ankopplung der Obertöne verhindert. Als resultierendes Schalldrucksignal ergibt sich im Idealfall nun nur noch ein Signal, welches in einem linearen Verhältnis zum Audiosignal bzw. Spannungssignal steht.

Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die Fig. 3 bis 5 anhand von Diagrammen, die auf tatsächlichen Messdaten und nicht reinen Simulationen basieren, erläutert, wie bzw. wie gut die Kompensationsmittel Störsignale bzw. Verzerrungssignalanteile reduzieren, wobei dies durch tatsächliche Messdaten und nicht durch Simulationen dargestellt wird.

Fig. 3a zeigt das Amplitudenspektrum eines einzelnen Lautsprechers bei einer Sinusan- regung mit beispielsweise 170 Hz. In Fig. 3b ist das Amplitudenspektrum des verzerrten Lautsprechers bei der Sinusanregung (170 Hz) mit einem zweiten Lautsprecher, über den ein Kompensationssignal wiedergegeben wird, dargestellt. Die Kombination der beiden Lautsprecher ergibt eine Reduktion der harmonischen Obertöne (340 Hz, 510 Hz, 680 Hz, 850 Hz), von THD 28,8 % (vgl. Fig. 3a) auf THD 6,0 % (vgl. Fig. 3b). Insofern ist festzu- stellen, dass die harmonischen Verzerrungen (THD = Total Harmonie Distorsion) wesentlich reduziert werden.

Fig. 4a zeigt ein Amplitudenspektrum eines Arrays aus 12 Einzellautsprechern bei einer Sinusanregung von beispielsweise 200 Hz. In Fig. 4b ist das resultierende Amplituden- spektrum des verzerrten Lautsprecherarrays (vgl. BZ 12) bei Sinusanregung (200 Hz) mit einem zusätzlichen dreizehnten Lautsprecher, über den ein Kompensationssignal wiedergegeben wird, dargestellt. Wie zu erkennen ist, erfolgt bei Kombination des zusätzlichen Lautsprechers mit dem Array eine signifikante Reduktion der harmonischen Obertöne (400 Hz, 600 Hz, 800 Hz und 1000 Hz), von THD 10,7 % auf THD 3,4 %. Im Resümee lässt sich also feststellen, dass selbst bei einem Array mit einer Mehrzahl an Einzellautsprechern bzw. Einzelkanälen durch einen einzigen zusätzlichen Lautsprecher eine signifikante Entzerrung erreicht werden kann. Die 13 Lautsprecher können vom selben Typ sein. Zum Hintergrund: In den vorangegangenen Abschnitten wurde gezeigt, dass durch einen Entzerrlautsprecher der THD mehrerer Lautsprecher im Array bei Einzelsinustönen maßgeblich reduziert werden kann. Die Methode funktioniert am besten, wenn die Lautsprecher möglichst nah beieinander sind. Die bisherigen Messungen wurden mit einer verhältnismäßig hohen Verstärkerspannung durchgeführt, sodass die THD Werte sehr groß wa- ren. Im Dauerbetrieb könnten so hohen Spannungen Schaden an den Lautsprechern verursachen oder ihre Lebensdauer verkürzen. Um die Methode in einer realistischen An- wendung, z.B. in Flachlautsprechertechnologie, einzusetzen, wurde eine größere Array- konfiguration aufgebaut. Diese besteht aus zwölf Lautsprecher mit einem zusätzlichen Entzerrlautsprecher. Als Entzerrlautsprecher wurde der Wandler D3E gewählt. Die zwölf Verzerrlautsprecher sind rund um den Entzerrlautsprecher angeordnet. Die Verstärker- Spannung wurde soweit angepasst, dass das Array aus zwölf Schallwandlern ohne Entzerrlautsprecher bei 200Hz einen THD Wert von 10% erreicht. Dieser Wert wird durch eine Halbierung der bisherigen Spannung pro Einzelwandler erreicht und stellt für den Wandler eine Belastung dar, die er auch über eine lange Betriebsdauer unbeschadet überstehen kann. Das Entzerrsignal für den Wandler D3E wurde auf Basis des Klirrspekt- rums der Membranschnelle von D2 bei identisch reduzierter Spannung bestimmt und um 20 · log(12) = 21 , 6 dB erhöht, um zwölf Wandler zu entzerren. In Hauptabstrahlungsrich- tung kann der Klirrfaktor des Lautsprecherarrays durch den Entzerrlautsprecher von 10,7% auf 3,4% gesenkt werden. Dies entspricht einer Reduktion um 10 dB. Der maximale Abstand zwischen Entzerrlautsprecher und Verzerrlautsprechern beträgt bei dieser An- Ordnung 7,4 cm. Der Wandlerabstand hat einen entscheidenden Einfluss auf die Wirksamkeit der Ansteuerungsmethode. Bei zu großem Wandlerabstand resultieren, abhängig vom Hörort, unterschiedliche Laufzeiten von Zerr- und Entzerrlautsprecher. Demzufolge können Obertöne höherer Ordnung aufgrund ihrer kürzeren Wellenlänge im Vergleich zu niedrigeren Ordnungen schlechter reduziert werden. Der THD als alleinige Beurteilungs- große reicht nicht aus, da er nur die Summe der Obertöne, nicht aber deren Verhältnis zueinander wiedergibt. Es ist theoretisch sogar möglich, dass durch den Entzerrlautsprecher der THD Wert sinkt, einzelne Obertöne aber verstärkt werden und das Klangbild daher verschlechtert wird. Um den Einfluss der Arrayausdehnung in einer späteren Anwendung zu untersuchen, wurde die räumliche Schallabstrahlung das Arrays aus zwölf Lautsprechern mit einem Entzerrlautsprecher in der horizontalen 0°-Ebene untersucht. Der Schalldruckpegel der zweiten und dritten Harmonischen wird durch den Entzerrlautsprecher weitgehend winkelunabhängig um ca. 10 dB reduziert. Die vierte Harmonische zeigt dagegen ein abwei- chendes Verhalten. Ihr Schalldruckpegel scheint sich durch den Entzerrlautsprecher nicht auszulöschen, sondern steigt sogar geringfügig. Auch dieses Verhalten ist weitgehend unabhängig vom Messwinkel, was darauf schließen lässt, dass der korrekte Phasenwinkel, der zur Auslöschung notwendig ist, nicht genau genug getroffen wurde. Ein weiteres Indiz hierfür ist die Tatsache, dass schon bei der Entzerrung eines einzelnen Lautspre- chers die Phasendifferenz von Entzerr- zu Zerrlautsprecher vom Idealwert 180° um 42° abweicht. Da die vierte Harmonische aber um ca. 50 dB SPL schwacher als die Grundfre- quenz ist, ist ihr Einfluss auf den Klirrfaktors sehr gering. Die fünfte Harmonische zeigt, dass die Methode auch bei höheren Frequenzen (hier 1000Hz) funktioniert. Allerdings wird ihr Schalldruckpegel nicht mehr um 10 dB reduziert, sondern nur noch um ca. 5 dB auf Achse. Zu den Seiten fällt die Reduktion noch geringer aus. Der THD kann auf 0° um 10% reduziert werden. Abweichend von 0° bleibt die Reduktion bei dieser Abmessung und Frequenz weitestgehend erhalten. Dies belegt, dass die Methode auch für größere Arrays, wie z.B. im Flachlautsprecher, für den betrachteten Frequenzbereich sinnvoll eingesetzt werden kann und in dieser Konstellation weitgehend winkelunabhängig funktioniert.

An dieser Stelle sei auch noch auf die theoretische Betrachtung zur Effizienzsteigerung hingewiesen: Mit dem untersuchten Array aus zwölf Lautsprecher kann der THD bei 200Hz durch die Hinzunahme eines Entzerrlautsprechers von 10,7% auf 3,4% reduziert werden. Im Folgenden soll eine theoretische Abschätzung erfolgen, wie viele Lautspre- eher in einem Array ohne zusätzlichen Entzerrlautsprecher nötig sind, um denselben Schalldruckpegel bei gleichem THD Wert zu erzielen. Das Array aus zwölf Lautsprechern zuzüglich Entzerrlautsprechern erreicht bei 200Hz Anregung und 3,4% THD im Abstand von 1 ,55m einen Schalldruckpegel von 81 ,4 dB10. Ohne Entzerrlautsprecher erzeugt der Einzelwandler bei gleichem Abstand und 3,4% THD maximal 53,4 dB SPL1 1 . Demzufolge ergibt sich bei zwölf Wandlern ohne Entzerrung ein Gesamtschalldruckpegel von maximal 53, 4 dB+20- log(12) dB = 75 dB. Dieser Wert liegt 6,4 dB unter dem erreichten SPL des Arrays mit Entzerrlautsprecher. Um mit einem Array aus identischen Lautsprechern ohne Entzerrlautsprecher einen SPL von 81 ,4 dB zu erreichen, sind dafür mindestens 10(81 ,4-53,4) / 20 = 25, 1 - also 26 Wandler notwendig. Die Verwendung der Klirrfaktor- reduktion mit zusätzlichem Entzerrlautsprecher ermöglicht es, unter den beschrieben Voraussetzungen den gleichen SPL ohne eine Erhöhung des THDs mit 13 anstatt 26 Einzelwandlern zu erzeugen. Dies entspricht einer Halbierung der benötigten Einzellautsprecher. Fig. 5a zeigt ein schematisches Diagramm eines Amplitudenspektrums eines einzelnen Lautsprechers bei einer Zweitonsinusanregung mit beispielsweise 200 Hz und 5500 Hz. Das resultierende Amplitudenspektrum des Einzellautsprechers mit einem zusätzlichen Kompensationslautsprecher ist in Fig. 5b dargestellt. Wie zu erkennen ist, bewirkt auch bei der Zweisinusanregung die Nutzung der Mittel zur Kompensation eine Reduktion der Intermodulationsverzerrung von IMD 4,3 % auf IMD 1 ,2 %. Zum Hintergrund: Im Stand der Technik wird das Controlsignal dem Anregungssignal zugeführt, die Kompensation der Wandlemichtlinearitäten findet also direkt am betroffenen Lautsprecher statt. Der Arraygedanke, wie bisher untersucht, findet im Stand der Technik keine Verwendung. Zur finalen Untersuchung der Wirksamkeit der beschriebenen Kom- pensationsmethode soll ein Vergleich mit dem Stand der Technik dienen. Das durch eine Schnellesimulation berechnete Controlsignal wird wie im Stand der Technik ^" über den Zerrlautsprecher wiedergegeben. In unten dargestellter Tabelle sind die Werte der THD Reduktion eingetragen. Die modellbasierte Reduktion des Klirrfaktors auf einem Wandler ist ^" ähnlich gering wie die modellbasierte Kompensation mit zusätzlichen Entzerrlautspre- eher. Bei 170Hz und 200Hz kann nur der zweite Oberton abgesenkt werden. Dritter und vierter Oberton werden durch die falsche Phasenlage sogar deutlich erhöht, welches sich in einer deutlichen Verzerrung der Wellenform im Zeitsignal und einer verschlechterten Wiedergabequalität äußert. Die Untersuchungen mit den modellbasierten Controlsignalen zeigen, dass das aus der Fachliteratur entnommene Lautsprechermodell zu ungenau ist, um bei einer Anregung mit diskreten Sinustönen eine Klirrfaktorreduktion zu bewirken. Dabei wird bei harmonischen Verzerrungen eine Reduktion von 20% auf 1-3% Prozent bzw. eine Dämpfung von mindestens 16 dB erreicht. Möglicherweise kann durch die adaptive Nachfuhren, mit der ständig die Modellparameter erneuert werden, eine höhere Kompensation, trotz des einfachen Lautsprechermodells erreicht werden. Nachfolgende Tabelle zeigt die THD der gemessenen Schallschnelle des Zerrlautsprechers D2z allein und zusammen mit dem auf Basis der Schnellemessung berechneten Controlsignal, welches über den gleichen Wandler wiedergegeben wurde.

Das auf der simulierten Membranschnelle basierte Controlsignal zeigt, obwohl es wie im Stand der Technik beschrieben dem eigentlichen Anregungssignal hinzu geführt wurde, nur eine sehr geringe Reduktion des Klirrfaktors. Abschließend soll das Controlsignal, welches durch eine Messung der Schnelle berechnet wurde, ^" über den Zerrlautsprecher wiedergegeben werden. In obiger Tabelle sind die THD-Werte mit und ohne Controlsignal sowie die entsprechende THD Reduktion eingetragen. Zunächst muss angemerkt werden, dass sich die Klirrfaktorwerte bei 170Hz und 200Hz sowie die Zusammensetzung des zugehörigen Obertonspektrums ohne Controlsignal zu den Untersuchungsergebnissen trotz gleicher Anregung leicht unterscheiden. Dies kann durch den zeitlichen Abstand zwi- sehen den jeweiligen Messungen und den zwischenzeitlichen Umbauten des Messauf- baus und eine daraus leicht abweichende Mikrofonposition erklärt werden. Weiter sei angemerkt, dass der zweite Oberton bei 170Hz und 200Hz geringer reduziert wird, wenn das Controlsignal über den gleichen Wandler D2Z wiedergegeben wird. Bei 300Hz ist die Reduktionsleistung von beiden Methoden nahezu identisch. Die geringere Reduktion bei 170Hz und 200Hz, wenn das Controlsignal über den gleichen Wandler wiedergegeben wird, lässt sich durch die hohe Auslenkung der Membran bei tieferen Frequenzen erklären. Weiter ist ablesbar, dass der untersuchte Miniaturwandler bei 170Hz und 200Hz eine höhere Membranauslenkung als bei 300Hz erreicht.

Das bedeutet, dass der Wandler durch die höhere Auslenkung höhere nichtlineare Verzerrungen erzeugt, erkennbar am steigenden Klirrfaktor. Durch die Addition des Control- signals auf das Anregungssignals werden sich abhängig von der Phasenlage der Obertöne Spitzen im Zeitsignal ergeben, die eine noch höhere Auslenkung bewirken und neue Verzerrungsprodukte bilden, deren Kompensation durch das eigentliche Controllsignal nicht vorgesehen ist. Anders ausgedrückt, erreicht der Wandler bei der Anregung ohne Entzerrung bei derart hohen Klirrfaktoren bereits seine Auslenkungsgrenze und besitzt nicht mehr genug Kapazitäten oder Spielraum, um das zusätzliche Controlsignal präzise wiederzugeben. Beim 300Hz Ton, den der Wandler mit geringerer Auslenkung erzeugt, ist noch genügend Auslenkungsreserve vorhanden, um das Entzerrsignal ausreichend nachzubilden. Die Entzerrmethode mit zusätzlichen Entzerrlautsprecher ist sinnvoll, sobald der Zerrlautsprecher bereits nahe seiner Auslenkungsgrenze betrieben wird. Das Controlsignal kann ^" über den gleichen Zerrlautsprecher dann nicht mehr präzise genug reproduziert werden. Befindet sich der Zerrlautsprecher in einem weniger nichtlinearen Bereich, also bei geringer Auslenkung, bietet die neuartige Methode keine Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Beide Methode sind dann im Stande Verzerrungsprodukte zu reduzieren. Bei der Entzerrung über einen zusätzlichen Lautsprecher kann der Einfluss von Laufzeitunterschieden bei höheren Frequenzen einen Nachteil gegenüber dem Stand der Technik darstellen.

Wie die messtechnische Evaluation der Methode gezeigt hat, können die Werte für die harmonische Verzerrung (THD) um bis zu 21 dB reduziert werden. Außerdem konnte durch einen Entzerrlautsprecher das Klirrverhalten einer Wandlergruppe aus zwölf Lautsprechern maßgeblich verbessert werden. Anwendungen für die oben erläuterte Entzerrung sind: Lautsprecher/Lautsprechergruppierungen, Schallwandler, Aktoren, geschlossene Lautsprecher, ventilierte Lautsprecher, Lautsprecher mit einer/mehreren aktiven und einer/mehreren passiven Membranen, Körperschallanreger, Bass-Shaker, Ultraschallwandler, Exciter, Schallquellen aller Art. Die im Text genannte Bezeichnung„Lautsprecher" kann allgemein durch die hier aufgezählten Begriffe ersetzt werden.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Ver- fahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.

Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.

Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.

Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.

Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.

Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin be- schriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerpro- gramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist. Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.

Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (bei- spielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.