Digitale Signalverarbeitung für Lautsprecher

Müller, Swen; Hill, Bernhard; Vorländer, Michael

doi:8

Digitale Signalverarbeitung für Lautsprecher

Müller, Swen (Author)^RWTH*

1999

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Swen Müller

ImpressumAachen 1999

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 1999

Urspr. ersch. als Druckausgabe, Aachen, 1999. Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Vorländer, Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Hill, Bernhard (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
1999-01-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-84
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/56081/files/Mueller_Swen.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Technische Akustik (613510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Analog-Digital-Umsetzer (Genormte SW) ; Ansteuerung (Genormte SW) ; Begrenzerschaltung (Genormte SW) ; Lautsprecher (Genormte SW) ; Mehrwegeausbreitung (Genormte SW) ; Nichtrekursives Filter (Genormte SW) ; Controller (frei) ; Dither (frei) ; Limiter (frei) ; Noise Shaping (frei) ; Oversampler (frei) ; linearphasig (frei) ; minimalphasig (frei) ; BiBiquad (frei) ; FFT-Meßverfahren (frei) ; FIR-Filter (frei) ; FIR-Koeffizientenerzeugung (frei) ; Hadamard-Transformation (frei) ; IIR-Filter (frei) ; Multiband-Filterung (frei) ; Psychoakustik (frei) ; Zweibereichswandler (frei) ; Ingenieurwissenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Signalaufbereitung aktiv angesteuerter Mehrwegelautsprecher mit digitalen Mitteln ist Thema dieser Arbeit. Neben einer Betrachtung der dazu erforderlichen AD- und DA-Wandler nebst Softwaremethoden zur Verbesserung ihres Dynamikumfangs ist das Hauptaugenmerk auf die Filtertechnik gerichtet. IIR-Filter fanden nur in Form einer vorgeschalteten parametrischen Equalizerbank Einzug in die konkrete Umsetzung. Die eigentliche Trennung in die unterschiedlichen Frequenzbereiche und deren Linearisierung wird hingegen von FIR-Filtern wahrgenommen, deren Erzeugung anhand von Messungen der Einzelwege dementsprechend breiter Raum gewidmet wird. FIR-Filter erzielen im nachrichtentechnischen Sinne erheblich bessere Resultate als IIR-Filter, die allerdings leider kaum mit einem verbesserten Höreindruck koinzidieren. Eine Revolution der Wiedergabequalität von Lautsprechern fand deshalb durch den Einzug der Digitaltechnik nicht statt. Unumgänglich im Bereich der Großbeschallung und wünschenswert im häuslichen Bereich ist ein wirkungsvoller Überlastungsschutz der Lautsprecher. Die dazu erforderlichen nichtlinearen Signalmanipulationen werden anhand eines aufwendigen Spitzenwert- und eines einfacheren Dauerleistungsbegrenzers vorgestellt. Die zugrunde gelegte Meßtechnik linearer, zeitinvarianter Systeme wird mit einer knappen Gegenüberstellung der verschiedenen gängigen Verfahren beschrieben. Dabei werden auch praktische Probleme durch die tatsächlich in der Akustik stets mehr oder minder vorhandenen Nichtlinearitäten und Zeitvarianzen sowie das räumliche Abstrahlverhalten betrachtet. Den Abschluß bilden einige Hörtests, die zur Klärung der Klangunterschiede gleichermaßen linear entzerrter Lautsprecher durchgeführt wurden. Allem Anschein nach begründen unterschiedliche Richtcharakteristiken und mutmaßlich auch unterschiedliche Wellenfeldgeometrien der verschiedenen Lautsprecher nachweisbar divergierende Amplitudenfrequenzgänge am Trommelfell. Phasenfehler und nichtlineare Verzerrungen scheinen hingegen eine untergeordnete Rolle zu spielen.

This dissertation deals with digital signal processing for actively controlled multi-way loudspeakers. In addition to examining AD- and DA-conversion principles and methods to increase their dynamic range, the main focus is targeted on filter technology. IIR filters are only used as a fully parametric equaliser bank that precedes the main crossover-and linearisation FIR-filter section. To obtain satisfactory resolution in the lower frequency bands with FIR filters, a downsampling scheme is used. The resulting process delay can be reduced by using minimum-phase low-pass filters in the down- and upsampling stages. Regarding the resulting frequency- and impulse responses of the equalised loudspeakers, FIR filters can give considerably better results compared to IIR filters and are able to equalise frequency responses to almost perfect performance with regard to amplitude and phase. However, compared with elaborate analogue solutions, these improvements do not lead to a considerable enhancement of perceived audio quality, at least if directivity and the influence of room acoustics are not considered. Efficient protection against overloading is an indispensable task in the area of large-scale sound reinforcement and also very useful in home hi-fi applications to avoid permanent damage to loudspeakers. The non-linear signal treatment needed to realise the appropriate limiter stages is discussed. A look-ahead peak limiter with zero overshoot and very low distortion is presented, along with a two staged thermo limiter to protect voice coils from overheating. The applied measurement technology for evaluating linear and time-invariant systems is presented by a brief overview of different methods, old and new. Practical aspects are also taken into account, such as weak non-linearities always present in loudspeaker measurements as well as polar response. The generation of efficient FIR bandpass filters featuring high stop-band attenuation along with very good equalisation properties in the pass-band is presented in detail. Additionally, various pre-processing tools to deviate deliberately from flat on-axis response are explained. Listening tests were conducted to further investigate why different loudspeakers still sound different, even when all equalised to the same on-axis frequency responses. It is shown that these speakers still produce quite different ear signals (as may be demonstrated by dummy head measurements), probably caused by different radiation properties and presumably also by different wave front patterns. Once different loudspeakers are equalised to produce the same in-ear frequency response, they become virtually indistinguishable. Hence, phase errors and non-linear distortion seem to have only negligible effect on the perceived differences between loudspeakers.

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