Großer Klang aus kleinen Geräten Spatial-Audio-IC für Lautsprecher-Arrays mit 4 bis 16 Lautsprechern

Die Audio-Wiedergabe auf Notebooks und Tablet-Computern kann nicht mit der Bildqualität der Displays mithalten. In den handlichen Geräten haben nur winzige Lautsprecher Platz und die können auch nicht weiter als bis an den Rand des Gehäuses auseinander gerückt werden - zu wenig für echten Stereoklang. Abhilfe bieten Lautsprecher-Arrays, die per Beamforming beim Hörer den Eindruck weiter entfernter Schallquellen erzeugen können. Mit den neuen Spatial-Audio-ICs von Texas Instruments lassen sich solche Lautsprecher-Arrays ohne großen Schaltungsaufwand realisieren.

Seit dem Erscheinen des iPad wächst die Zahl der Menschen, die Tablet-Computer nutzen, um Internet-Radio zu hören, Nachrichtensendungen per Internet zu verfolgen oder TV-Serien und Spielfilme anzuschauen. Darüber hinaus nutzen sie Videotelefoniedienste wie Skype und Facetime, um mit ihren Familien und Freunden in Kontakt zu bleiben. Die Bildschirme dieser mobilen Kommunikationsgeräte überzeugen heutzutage durch eindrucksvolle, brillante Farben und hervorragende Auflösung.

Im Vergleich dazu ist der Klangeindruck eher bescheiden und wirkt flach. Kein Wunder, denn die Lautsprecher für die schicken, dünnen Tablet-Computer müssen extrem klein sein und die Schallwellen auch noch durch winzige Gehäuseöffnungen nach außen pressen. Abgesehen davon ist für eine Stereowiedergabe der Abstand zwischen den zwei Lautsprechern wegen der kleinen Abmessungen der tragbaren Geräte zu klein. Die geringe Basisbreite macht es für den Zuhörer schwer, den linken vom rechten Kanal zu unterscheiden.

Vom Anspruch her sollten diese High-Tech-Geräte eigentlich in der Lage sein, ein voluminöses, detailliertes und eindringendes Klangerlebnis zu bieten - eben dem Niveau entsprechend, das die Videowiedergabe in HD vorgibt. Aber ist „HD“-Klang in so kleinen Geräten überhaupt möglich?

Tatsächlich gibt es heute eine Reihe neuer Konzepte, um ein eindrucksvolles und individuelles Hörerlebnis zu bieten. Beispielsweise ein persönliches Klangfeld, das nicht mehr an das kleine Gerätegehäuse gebunden ist, sondern frei im dreidimensionalen Raum platziert werden kann und so beim Hörer ein eindringendes Klangerlebnis erzeugt.

Klang frei im Raum platzieren

Wie aber lässt sich Klang im Raum lenken und fokussieren? Von einem Lautsprecher gehen Wellen aus erhöhtem und verringertem Luftdruck aus. Wird dasselbe Signal von zwei Schallquellen abgestrahlt, dann überlagern sich die von beiden Quellen ausgehenden Wellen. An jedem Punkt im Raum ergibt sich durch die unterschiedliche Laufzeit der Schallwellen - von der jeweiligen Quelle zur Hörposition - eine andere Phasenlage. Erreichen die Wellenfronten einen Raumpunkt phasengleich, so kommt es zu einer konstruktiven Interferenz und die Amplitude verdoppelt sich. Dies entspricht einer Verdoppelung des Schalldrucks und einer um 6 dB höher wahrgenommenen Lautstärke.

Ebenso gibt es jedoch Zonen, in denen die Schallwellen sich genau gegenphasig überlagern, d.h. ein Wellenberg trifft genau auf ein Wellental, sodass sich beide gegenseitig aufheben. An einem solchen Punkt hört man somit praktisch nichts. Das Prinzip der gegenseitigen Aufhebung von Schallwellen wird in aktiven „Noise Cancelling“-Kopfhörern angewandt, um Umgebungsgeräusche zu eliminieren.

Wenn die beiden Schallquellen nicht gleichzeitig, sondern geringfügig zeitversetzt das Signal aussenden, verschieben sich die Punkte, an denen sich die Wellenfronten gleich- und gegenphasig überlagern (Bild 1). Eine Schaltung, mit der sich die zeitliche Differenz der Ansteuersignale für die Lautsprecher stetig verändern lässt, kann die Stellen konstruktiver Interferenz gezielt auf bestimmte Bereiche im Raum lenken. Mit weiteren Lautsprechern, die zu definierten Zeiten das gleiche Schallsignal aussenden, können die Stellen, an denen sich der Pegel durch Überlagerung erhöht, noch genauer fokussiert werden.

Ein solches Lautsprecher-Array kann von einem DSP gesteuert werden, um die minimalen Phasenverschiebungen der Signale zum Ansteuern jedes einzelnen Lautsprechers zu berechnen und so den Schall gezielt in bestimmte räumliche Bereiche zu lenken. Dieses Prinzip wird üblicherweise als Beamforming oder Beamsteering bezeichnet.

Doch so einfach das Prinzip ist, ganz so einfach lässt sich die Beamforming-Technik nicht umsetzen. Denn die Phasenverschiebungen, die der DSP berechnen muss, sind sehr klein. Hinzu kommt, dass sich der Audio-Frequenzbereich über mehrere Dekaden erstreckt und es sich bei den typischen Audiosignalen (Musik, Sprache) nahezu immer um ein Gemisch aus vielen unterschiedlichen Frequenzen handelt. Für die Steuerung eines Lautsprecher-Arrays müsste ein DSP somit Verzögerungen zwischen einigen hundert Mikrosekunden und einigen Millisekunden einfügen. Die Berechnung und Steuerung der Verzögerungen muss außerdem in Echtzeit erfolgen und zwar für jeden Lautsprecher einzeln.

Bisher wurden für solche Lautsprecher-Arrays eine große Zahl von Lautsprechern sowie leistungsfähige Signalprozessoren eingesetzt. Die Entwicklung der Software mit den komplexen Algorithmen zur Ansteuerung der vielen Lautsprecher ist sehr zeitaufwendig. Die mit solcher Technik ausgestatteten Sound-Projektoren werden deshalb zu Preisen oberhalb der 1.000-Euro-Grenze angeboten.