Audiowiederga­besysteme

Die Professur für Akustik und Haptik leistet seit vielen Jahren Beiträge zur Optimierung von Audiowiedergabesystemen bis hin zur Schaffung völlig neuartiger Audiowiedergabekonzepte. Dabei steht stets die ganzheitliche Einbeziehung der psychophysikalischen Grundlagen der auditiven Wahrnehmung in den technischen Entwicklungsprozess im Vordergrund. Um die auditive Wahrnehmung in unterschiedlich komplexen Wiedergabesituationen zu untersuchen stehen in den akustischen Spezialräumen der Professur  verschiedene Systeme zur Verfügung.

Das synthetische Schallfeld im Großen Schallrefelxionsarmen Raum umfasst 16 Lautsprecher und wird in Szenarios mit einer oder mehereren Schallquellen (Mono, Stereo, Sourround-Sound, beliebige Ein- und Mehrquellenanordnungen) z.B. für Untersuchungen zur Wiedergabequalität oder zur auditiven Richtungswahrnehmung angewendet.

Für Untersuchungen in komplexeren Szenarios wird das Wellenfeldsynthesesystem im Multimodalen Messlabor angewendet. Es umfasst ca. 500 zirkular angeordnete Lautsprecher und ermöglicht, auf Basis des Huygensschen Prizips, das Schallfelld nahezu beliebiger Quellanordnungen realitätsnah nachzubilden.

Das SweetSpotter Projekt der Professur für Akustik und Haptik stellt ein Beispielhaftes Ergebnis der psychoakustischen Optimierung Audiowiedergabesystemen dar. Dabei wurde ein klassiches Stereo Wiedergabesystem um eine intelligente Signalverarbeitungseinheit erweitert, welche die beiden Lautsprechersignale basierend auf Ergebnissen von Grundlagenuntersuchungen zur auditiven Richtungswahrnehmung vorverzerrt. Der üblicherweise schmale Hörbereich entlang der Hauptachse des Stereo Systems mit korrekter Phantomschalquellenortung (sog. "Sweet Spot") konnte dadurch maßgeblich vergrößert werden. Damit kann sich ein Hörer nun in einem weiteren Bereich vor dem Wiedergabesystem bewegen, ohne dabei eine korrekte Stereo Phantomschallquellenabbildung zu verlieren. Eine kostenfreie Demonstartionssoftware steht zum download zur Verfügung.
Ein aktueller Forschungsschwerpunkt der Proffesur für Akustik und Haptik liegt auf der psychoakustischen Optimierung von räumlichen Audiowiedergabesystemen (sog. "Spatial Audio Systems").

Als Teil des technischen Entwicklungsprozesses  von modernen Audiowiedergabesytemen befasst sich die Proffesur für Akustik und Haptik ebenfalls mit der Kozeption von Lautsprecherarrays und entsprechenden Signalverarbeitungsalgorithmen. Dabei wird der Einfluss physikalischer Limitierungen auf die auditive Wahrnehmung, etwa durch mechanische Beschränkungen beim Array-Aufbau oder Parameterbeschränkungen bei der echtzeitfähigen Realisierung der Algorithmen mit DigitalenSignalprozessoren (sog. "DSPs"), stets berücksichtigt.

Mit dem freeDSP Projekt wurde an der Professur für Akustik und Haptik ein mächtiges Werkzeug zur Effektivierung des Entwicklungsprozesses von echtzeitfähigen Signalverarbeitungsalgorithmen entwickelt. Es umfasst verschiedene DSP-Platinen, sowie Ein- und Ausgangswerweiterungsplatinen, Programmieradapter oder Verstärkerplatinen. Das Projekt wird stetig um weitere Module ergänzt. Zugehörige Fertigungs- und Entwicklungsdaten sind  im Rahmen einer Creative-Commons-Lizenz zugänglich.

Moderne Audiowiedergabesysteme basieren größtenteils auf klassischen Elektrodynamischen bzw. Elektrostatischen Lautsprechern. Die Professur für Akustik und Haptik verfolgt jedoch auch alternative Schallwandlerprinzipien. Zum Beispiel den sog. Ionenwindlautsprecher. Dessen Konzept basiert auf der Erzeugung von Ionen und deren Beschleunigung in einem elektrischen Feld (etwa durch eine "Spitze - Ring" - Anordnung von Elektroden). Diese kollidieren mit anderen Partikeln und es entsteht ein Ionenwind. Wird die Stärke des elektrischen Feldes moduliert (etwa durch ein zwischen Platten erzeugtes Ablenkfeld), lässt sich eine Wechselbewegung und damit eine Schallwelle erzeugen. Kombiniert mit moderner, schneller und hochpräziser Regelungs- und Messtechnik birgt dieser aus den 1950er Jahren stammende Ansatz durchaus Potential um in modernen Wiedergabesystemen eingesetzt zu werden.

Die Untersuchung eines alternativen Lautsprecherantriebskonzepts auf Basis von dielektrischen Elastomeren stellt ebenfalls ein Forschungsgebiet der Professur für Akustik und Haptik dar. Die Ausdehnung von dielektirschen Elastomeren lässt sich durch elektrische Spannung verändern. Gelingt es, entspreched stark ausgeprägte Änderungen schnell und stabil zu erzeugen, stellt dieses neuartige Antriebskonzept eine Alternative zum klassichen elektrodynamischen Antriebskonzept dar.

Darüber hinaus finden an der Professur für Akustik und Haptik Untersuchungen zur akustischen Optimierung von Biegelwellenlautspechern statt. Dieses Lautsprecherkonzept beruht auf der Anregung eines speziell gestalteten Plattenschwingers in einem oder mehereren Punkten mit Hilfe elektrodynamischer Schwingungserreger.

Biegewellenlautsprecher sind ein alternativer Ansatz zur Schallerzeugung und bieten das Potential sehr flache Lautsprecher mit freier Formgebung zu entwickeln. Auf der Oberfläche der Strukturen bilden sich – ähnlich wie bei Musikinstrumenten – Biegewellen aus, die mit der angekoppelten Luft Schallwellen erzeugen. Diese Wellen sind unter anderem vom Material, der Materialdicke und der Frequenz abhängig.

Das resultierende Schwingungssystem ist deutlich komplexer zu beschreiben und zu optimieren als herkömmliche Lautsprecher. Die Optimierung dieser Lautsprecher beinhaltet die Ermittlung der besten Montageposition des Schwingungserreger, der Plattenmaterialien, des Frequenzgangs, der verbesserten akustischen Effizienz und der Gesamtklangqualität.

Der Lehrstuhl für Akustik und Haptik befasst sich mit der Optimierung von Biegewellen-Lautsprechersystemen mit Hilfe moderner Simulationsmethoden und präziser Lasermesstechnik. Kann die Audioqualität dieser Lautsprecher ausreichend gesteigert werden, ergeben sich durch die einzigartige Verschmelzung von Struktur und Schallwandler völlig neue Möglichkeiten bei der Gestaltung von Audiowiedergabesystemen.

Neben einer umfangreichen Expertise im Bereich Psychoakustik stellt hochpräzise Messausrüstung ebenfalls ein unverzichtbares Werkzeug bei der Entwicklung und Verifikation von Audiowiedergabesystemen. Besonders hervorzuheben ist hier die  holografische Messtechnik der Professur für Akustik und Haptik, die eine effektive Modell und Systemverifikation ermöglicht.

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