DK150060B - Fremgangsmaade og apparat til maaling af en hoejttalers karakteristikker - Google Patents

Description

i T50060

Opfindelsen omhandler en fremgangsmåde til måling af en højttalers karakteristikker og af den i krav l's indledning angivne art samt et apparat til udøvelse af fremgangsmåden og af den i krav 4's indledning angiv-5 ne art.

Fra tidsskriftet Funktechnik, 32. årgang 1977, nr. 12, side F & E 199 - 202 kendes en fremgangsmåde og et apparat af denne art, hvor der anvendes Dirac-impulser ifølge systemteorien i forbindelse med en datamat. Til måling 10 af højttalerens frekvensforløb kræves der en mikrofon med konstant amplitude- og faseforløb samt et lyddødt rum til at udelukke generende væg-refleksioner, hvorved bemærkes, at under en vis frekvens, den "nedre grænsefrekvens", er rummet dog ikke lyddødt, og jo mindre 15 rummet er, desto højere er den nedre grænsefrekvens.

Ved en sådan anvendelse af systemteorien i forbindelse med datamater kan transmissionsegenskaberne i frekvens-og tidsområdet bestemmes nøjagtigt, idet systemteorien beskriver sammenhængen mellem tid og frekvens, der sammen-20 knyttes ved Fourier-transformationer. Ved anvendelse af meget korte måleimpulser, af størrelsesordenen 5 yUs, kan det lyddøde rum undværes, men målerummet må alligevel være så stort, at den første vægrefleksion ikke indtræffer, før svingningskurven er færdigregistre-25 ret.

Opfindelsen har til formål at forbedre målingen således, at man kan opnå en tilfredsstillende karakteristik-måling i et normalt, ikke-lyddødt rum af vilkårlig størrelse .

30 Dette opnås ved en fremgangsmåde og et apparat af den indledningsvis angivne, art, der er ejendommelige ved de i de kendetegnende dele af krav 1 og krav 4 angivne 2 150060 foranstaltninger.

Opfindelsen forklares nærmere nedenfor i forbindelse med tegningen, hvor: fig. 1 er et blokdiagram for en udførelsesform af et 5 apparat til måling af en højttalers karakteristikker ifølge opfindelsen, fig. 2 er et strømskema for en dynamisk middelværdiansættelseskreds i forbindelse med apparatet på fig.

1, 10 fig. 3-8 viser karakteristikkurver optaget med appara tet ifølge opfindelsen, fig. 9 er et blokdiagram for en anden udførelsesform af et apparat til måling af en højttalers karakteristikker ifølge opfindelsen, omfattende en kamfilterkreds, 15 fig. 10 viser en karakteristikkurve, målt med apparatet på fig. 9, og fig. 11 viser karakteristikkurver for kamfilterkredsen i apparatet på fig. 9.

I strømkredsen på fig. 1 frembringer en impulsoscillator 20 11 signaler synkront med tidsimpulser fra en taktoscil lator 12. Udgangssignalet fra impulsoscillatoren 11 sendes til en højttaler 14 igennem en forstærker 13.

En mikrofon 15 er anbragt i en afstand på ca. 50 cm fra højttaleren 14. Udgangsklemmen af mikrofonen 15 25 er forbundet med en analog/digital-omsætter 17 igennem en forstærker 16. Omsætteren 17 har en indgangsklemme forbundet med en udgangsklemme af taktoscillatoren 12, og udgangsklemmen af omsætteren 17 er igennem en addi- 3 150060 tionskreds 25 forbundet med et lager 18 med direkte tilgang. Lageret 18 har en indgangsklemme forbundet med en udgangsklemme af taktoscillatoren 12. Lageret 18 har endvidere en første udgangsklemme forbundet med 5 additionskredsen 25 og en anden udgangsklemme forbundet med indgang sklemmen af en Fourier-analysator (FFT) 19. Udgangsklemmen af Fourier-analysatoren 19 er forbundet med en logaritme-kreds 21 igennem en absolutværdi-kreds 20. Udgangsklemmen af logaritme-kredsen 21 er forbundet 10 med en dynamisk middelværdiansættelseskreds 22, hvis udglattede signal omdannes til et analogsignal af en digital/analog-omsætter 23 og tilføres et udlæsnings-apparat, eksempelvis et registreringsapparat 24, som gengiver signalet i form af karakteristikkurver på et 15 grafisk papir.

Som vist på fig. 2 omfatter den dynamiske middelværdiansættelseskreds 22 en med udgangsklemmen af logaritme-kredsen 21 forbundet omskifterkreds 220, som er indrettet til at foretage omskiftninger i overensstemmelse 20 med signaler i lavfrekvens-, mellemfrekvens og højfre kvensbåndene. De tilsvarende L-, M- og H-udgangsklemmer af omskifterkredsen 220 er forbundet med indgangsklemmer til skifteregistre henholdsvis 221, 222 og 223, der eksempelvis kan omfatte henholdsvis 3, 5 og 7 trin.

25 Udgangsklemmerne af de to første trin af skifteregiste ret 221 er forbundet med det første trin af en to-trins additionskreds 224, medens det tredje og sidste trin af skifteregisteret 221 er forbundet med det andet trin af additionskredsen 224. På tilsvarende måde er det 30 første og det andet trin af skifteregisteret 222 forbundet med det første trin af en fire-trins additionskreds 225, medens det tredje, fjerde og femte trin er forbundet med henholdsvis det andet, tredje og fjerde additions-trin. Endvidere er de syv trin af skifteregisteret 223 35 forbundet med en seks-trins additionskreds 226 på til- 4 150060 svarende måde. De sidste additionstrin af additionskredsene 224, 225 og 226 er forbundet med henholdsvis 1/L-, 1/M- og 1/H-delekredse 227, 228 og 229, hvis udgangs-klemmer er forbundet med digital/analog-omsætteren 23, 5 hvor L, M og H svarer til de ovennævnte trin 3, 5 og 7.

Når mikrofonen 15 og højttaleren 14 på fig. 1 er anbragt i det væsentlige centralt i et normalt bygningsrum, modtager mikrofonen 15 den direkte lyd fra højttaleren 15 og lyde reflekteret fra rummets vægflader i det mindste 10 i tre forskellige retninger, nemlig loft-gulv, højre og venstre sidevægge samt forreste og bageste væg af rummet. De modtagne lydpåvirkninger omdannes til et elektrisk signal, der indlæses og udlæses fra lageret 18 synkront med tidsimpulsen et vist antal gange igennem 15 additionskredsen 25 til prøvelse af signal/støj-forholdet og omdannes til et decibel-signal af logaritme-kredsen 21, hvilket signal filtreres i den dynamiske middelværdiansættelseskreds 22. Ved denne filtrering leveres signaler med en frekvens under 80 Hz til skifteregisteret 221, 20 signaler i området fra 80 Hz til 122 Hz til skifteregis teret 222 og signaler med en frekvens over 122 Hz til skifteregisteret 223. Signalerne i de tre delekredse 227, 228 og 229 underkastes en dynamisk middelværdiansættelse for henholdsvis hver 37 Hz, hver 61 Hz og hver 25 85 Hz, hvorved signalkomposanterne svarende til de reflek terede lyde fjernes og efterlader et udgangssignal i det væsentlige svarende til den direkte lydpåvirkning ved udgangen af den dynamiske middelværdi-ansættelseskreds 22 (se nærmere herom nedenfor side 8, afsnit 2). På 30 denne måde opnås de samme resultater i et normalt byg ningsrum som i et lyddødt rum, som det nærmere vil fremgå af fig. 3-8.

På fig. 3 viser kurven A en lydtryksfrekvenskarakteristik 5 150060 wed påføring af et rent tonesignal til en højttaler anbragt i et lyddødt rum. Kurven B opnås ved en Fourier-transformation af et udgangssignal ved påføring af et impulssignal til højttaleren anbragt i det lyddøde rum.

5 Kurverne Cl og C2 viser frekvensforløbet opnået ved at påføre impulssignalet til højttaleren anbragt i et normalt bygningsrum med en mikrofon i afstanden henholdsvis 0,5 m og 1 m fra højttaleren og gengiver virkningen af de fra vægoverfladerne reflekterede lyde. Disse ind-10 virkninger af de reflekterede lyde undgås ifølge opfin delsen på følgende måde:

Mikrofonen 15 modtager en direkte lydbølge y(t) fra højttaleren 14 og reflekterer lydbølger ouy(t-T;^) fra vægfladerne. Her er en refleksionskoefficient (0<αΧ.1) 15 og^ er et forsinkelsestidsrum svarende til en tidsforskel imellem den direkte lyd og den reflekterede lyd.

Herved repræsenteres et indgangssignal g(t) til mikrofonen 15 ved følgende formel: n g(t) = y (t) + Σ. a. Y(t -*V.). (1) i = l 1 1 20 Det fra Fourier-analysatoren 19 afgivne Fourier-omdan-nede signal G(f) er: n G(f) = Y(f) Σ a,-exp(-jZtrft. ) · (2) i = 0

Her er ao = 1 og "Xo - 0. Det Fourier-omdannede signal G(f) gengiver et frekvensspektrum af impulssignalet 25 g(t) som vist på fig. 4, hvoraf det fremgår, at signalet er underkastet påvirkningen af de reflekterede lyde over et bredt frekvensområde. Signalkomposanterne svarende til disse reflekterede lyde er ækvivalente med kompo- n santerne repræsenteret ved leddet Σ. a. *exp(-jZtrPCr.) i = l 1 1 6 150060 i ligningen (2), dvs., at opfindelsens formål opnås ved at eliminere dette led fra ligningen (2).

Derfor omdannes signalet G(f) til et absolutværdi-signal i kresen 20 og omdannes derefter logaritmisk af kred-5 sen 21 som udtrykt ved: log I G (f) I=log1Y(f)| + η n 1/2 log cosZrvf ) ]. (3)

Er de reflekterede bølgekomposanter små, kan ligningen (3) ifølge betingelserne aQ = l og1^ = 0 tilnærmelsesvis 10 skrives: log I G(f)\s log |Y(f)| + n 1/2 log (1 + 2 2. e.-cos2Trrr. ). (4) i=l

Som angivet ved ligningen (4) kan de reflekterede lyd-komposanter adskilles fra de direkte lydkomposanter, 15 så at det forstås, at det ved Fourier-omdannelsen opnåede frekvensspektrum inkluderer en pulsationskomposant ·cos2trf^^, hvor frekvensbasen betragtes som tidsbasen på fig. 4.

Fig. 5 viser karakteristikkurver opnået ved at simulere 20 . de ovenfor nævnte ligninger ved hjælp af en datamat.

Kurven A angiver frekvenssignalet som opnået ved Fou-rier-omdannelse af signalet hidrørende fra additionen af de reflekterede bølgekomposanter aly(t-"Tl) (al = 0,3; nrl = 8 ms) og a2y(t -^T2) (a2 = 0,3; Ύ2 = 10 ms) 25 til det i det lyddøde rum målte impulssignal y(t), dvs.

g(t) = y(t) + aly(t -~el) + a2y(t-T2).

Kurven B på fig. 5 viser en cepstrum-karakteristik (lo- 7 150060 garitmisk spektrum) opnået ved en ekstra Fourier-omdannel-se af signalet ud fra kurven A som en tidsbaseret bølgeform, udtrykt som funktion af quefrency (invers frekvens). Højquefrency-komposanterne af dette signal svarer til 5 de reflekterede komposanter i kurven A. Derfor kan de reflekterede lydkomposanter (pulsationer) i kurven A elimineres ved at filtrere signalet af kurven B ved hjælp af et lavpasfilter i cepstrum-området og dæmpe højquefrency-komposanterne. Imidlertid udviser pulsations-10 komposanten oti·οο32τχίτ:ΐ store spidsværdier ved quefrencies på 8 ms og 10 ms, som angivet på kurven B, omfattende spidsværdier tilskrevet den ikke-lineære omdannelse, dvs. logaritmiske omdannelse, også i et område over disse quefrencies. For at eliminere de reflekterede 15 lydkomposanter er det nødvendigt at filtrere bølgerne fra et væsentligt lavere quefrency-område. Når filtreringen udføres for et lavere quefrency-område end det for pulsationskomposanterne gældende, kan de effektive komposanter i lavfrekvensområdet gå tabt.

20 Fig. 6 viser en cepstrum-karakteristik (kurve B) målt i et aflytningsrum og et frekvensafhængigt signal (kurve A) opnået ved filtrering af cepstrum i et område over 2 ms ved -6 dB/okt og derefter genoprette frekvens-komposanten ud fra quefrency-komposanten ved hjælp af 25 en invers Fourier-analysator (IFFT). Dette resultat viser en samtidig nedsættelse af informationen af højttalerkarakteristikken i det lavere frekvensområde. Ifølge opfindelsen elimineres en sådan defekt ved hjælp af den dynamiske middelværdiansættelseskreds med varierende 30 middelværdi-punkter for tilvejebringelse af karakteristikker i det væsentlige lig med karakteristikkerne fra et kamfilter på -6 dB/okt som vist på fig. 7. Det er en stor fordel, at antallet af gennemsnitsværdi-punkter af kredsen inden for frekvensområdet let kan varieres.

35 Dette betyder, at den ækvivalente afskærings-quefrency af 8 150060 kamfilteret i cepstrum-området let kan varieres. På den anden side er det velkendt, at det er nødvendigt at benytte et "langtidsvindue" til lavfrekvenskarakteristikken (<80 Hz) af en højttaler og et "korttidsvindue" 5 for højfrekvensområdet (>122 Hz) for at reducere reflek sionerne effektivt. Betragtes et kamfilter eller kam-typevindue i ceptrumområdet som udgørende en lignende andel af tidsvinduet med kamtypeform i tidsområdet, er en ændring af tidsvinduets længde derfor ækvivalent 10 med en ændring af afskærings-quefrencyen i cepstrum-området.

På fig. 8 foretages den varierende middelværdiansættelse med forskellige middelværdi-punkter i frekvensområdet som tidligere angivet for hver 37 Hz i frekvensområdet 15 under 80 Hz, for hver 61 Hz i området fra 80 Hz til 122 Hz og for hver 85 Hz i området over 122 Hz. I frekvensområdet under 80 Hz middelværdi-sættes signalet sekventielt i enheder på 12,2 Hz med tre enheder (første, anden og tredje frekvensenhed) i rækkefølge, og derefter 20' middelværdi-sættes de resulterende tre middelværdier til opnåelse af én middelværdi, svarende til 12,2 Hz x 3 eller ca. 37 Hz. Derefter middelværdi-sættes de respektive middelværdier af den anden, tredje og fjerde frekvensenhed. Derved opnås der middelværdier for de til-25 svarende 37 Hz-frekvensområder for frekvensområdet under 80 Hz. I frekvensområdet fra 80 Hz til 122 Hz middelværdi-sættes signalet sekventielt på tilsvarende måde i . enheder å 12,2 Hz upti 5 enheder i rækkefølge, dvs. som før, at man bestemmer den varierende værdi, der 30 svarer til 12,2 Hz x 5.= 61 Hz. For frekvensområdet på 122 Hz eller mere bestemmes på lignende måde den varierende middelværdi svarende til 12,2 Hz x 7 eller ca. 85 Hz. Når signalet underkastes en varierende middel-værdiansættelse ved varierende middelværdi-punkter af 35 denne art, nærmes den resulterende karakteristikkurve 9 150060 til den på fig. 8 viste punkterede kurve som opnået ved måling i det lyddøde rum, dvs., at man ved måling i det normale bygningsrum har opnået i det væsentlige samme frekvensafhængige signalkurve som kurven stammende 5 fra målingen i det lyddøde rum.

Medens formålet med opfindelsen kan opnås ved at dæmpe den reflekterede bølgekomposant (cos2rrfTri) og komposan-ter n gange denne komposant som beskrevet ovenfor, kan der opnås et forholdsvis højere cepstrum for disse kom-10 posanter sammenlignet med den direkte bølgekomposant Y(f) ved at anbringe den undersøgte højttaler i det væsentlige i centrum af bygningsrummet. Endvidere behøver arbejdspunktet af den dynamiske middelværdiansættelseskreds kun at indstilles én gang, såfremt højttaleren 15 fastgøres til centret i dette rum.

I den på fig. 9 viste udførelsesform for apparatet ifølge opfindelsen er udgangsklemmen af logaritme-kredsen 21 forbundet med en anden Fourier-analysator 30, hvis udgangsklemme er forbundet med en kamfilterkreds 31. Kam-20 filterkredsen 31 består af tre-trins forstærkere 311, 312 og 313 samt en funktionsgenerator 314 til forsyning af de tre forstærkere med funktionssignaler henholds- 4 , v i s "Trl,'t 2 og't'3 som givet ved \ / sinTTfT . Udgangsklemmen V'ttft- af kamfilterkredsen 31 er forbundet med registrerings-25 apparatet 24 igennem en invers Fourier-analysator 32 og digital/analog-omsætteren 23.

I denne udførelsesform er kamfilterkredsen 31 opbygget således, at den har respektive oprindelige nulpunkter for reflekterede signalkomposanter svarende til de re-30 flekterede lyde fra vægfladerne i mindst tre retninger.

De oprindelige nulpunkter kan indstilles ved hjælp af de af funktionsgeneratoren 314 frembragte funktionssignaler 'Ti, T2 og ^ΐ3 i overensstemmelse med tidsforskellene 150060 ίο imellem den direkte lyd og de reflekterede lyde. Når de reflekterede lydkomposanter har deres respektive udgangsspidsværdier ved eksempelvis quefrencies 6,9 ms, 12 ms og 17 ms, kan der opnås en karakteristikkurve 5 vist fuldt optrukket på fig. 10, som er væsentlig sammen faldende (inden for 1 dB i området over 50 Hz) med en punkteret vist karakteristikkurve opnået ved måling i det lyddøde rum med en sådan indstilling af kamfilter-kredsen, at de oprindelige nulpunkter svarer til disse 10 quefrencies. Den anvendte kamfilterkreds kan have en forholdsvis ringe stejlhed (-1,5 dB/okt), så at de effektive komposanter i højttalerens lavfrekvensområde aldrig går tabt.

Også i denne udførelsesform kan arbejdspunktet af kam-15 filterkredsen fikseres ved at anbringe den analyserede højttaler i det væsentlige i centret af bygningsrummet.

Endvidere kan formålet med opfindelsen opnås ved at justere nulpunkterne til forsinkelsestidsrum ækvivalente med tidsforskellene imellem den direkte lyd og de fra 20 vægfladerne reflekterede lyde, dvs., at de oprindelige nulpunkter for hvert trin af kamfilterkredsen gøres afhængige af rummets dimensioner. Ved forsøg opnåedes der for frekvenskomposanterne i et område over 50 Hz karakteristikker ækvivalente med de ved måling i det 25 lyddøde rum opnåede karakteristikker.

Ved hjælp af opfindelsen kan man således tilfredsstillende måle en højttalers karakteristikker uden skadelig indflydelse fra reflekterede lyde og ikke begrænset af måleomstændighederne, selv eksempelvis i et labora-30 torium.

Claims (4)

150060 Patentkrav s

1. Fremgangsmåde til måling af en højttalers karakteristikker, hvor højttaleren påføres et impulssignal til frembringelse af en til impulsen svarende lyd, hvilken 5 direkte lyd og de fra et antal positioner reflekterede lyde omdannes til et til impulsen svarende signal, der omdannes til et digitalværdi-signal, der underkastes en Fourier-transformation, kendetegnet ved, at det Fourier-transformerede signal med en absolut- 10 værdi omdannes til et logaritme-signal, at logaritmesignalet filtreres til at eliminere signalkomposanterne svarende til de reflekterede lydsignaler, og at det filtrerede logaritme-signal omdannes til et udlæseligt analogværdi-signal.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at filtreringen foretages ved en Fourier-transformation af logaritme-signalet ved hjælp af en kamfilterkreds med mindst tre trin med respektive nulpunkter svarende til tidsforskellene imellem et direkte lydsignal og 20 et antal reflekterede lydsignaler i et cepstrum-område samt ved en invers Fourier-transformation af det filtrerede signal.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at filtreringen omfatter en beregning af den dyna- 25 miske middelværdi af det til impulsen svarende signal med varierende middelværdiansættelsespunkter i frekvensområdet for dette signal.

4. Apparat til måling af en højttalers karakteristikker til udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav 1 og omfattende 30 en impulsgenerator (11) til frembringelse af et impuls signal, der tilføres højttaleren til frembringelse af