Intelligente Verstärker – alles dreht sich um die Bässe

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Was macht einen Verstärker intelligent?

Wie lässt sich aus einem bestimmten Lautsprecher der maximale Schalldruck herausholen und dennoch ein sicherer Betrieb gewährleisten? Hier kommt der „Smart Amp“ ins Spiel. Audiosignale weisen ein bestimmtes Verhältnis zwischen Spitzen- und Durchschnittswert (Peak-to-Average Ratio – PAR) auf, das es ermöglicht, die Signalspitzen anzuheben und dabei den Durchschnittswert auf einem sicheren Niveau zu belassen.

Bei intelligenten Verstärkern unterscheidet man zwei Kategorien. Die erste Gruppe bezeichnet man als Feed-Forward-Verstärker. Hier wird das Audiosignal durch ein Modell des Lautsprechers geschickt, um dessen Verhalten vorherzusagen. Die Feed-Forward-Technik bewährt sich besonders bei großen Lautsprechern, die geringere Schwankungen aufweisen und sich linearer verhalten. Zwar müssen auch bei großen Lautsprechern Variationen einkalkuliert werden, aber dennoch kann das dynamische System die Lautsprecher bis an ihre Grenzen ausreizen, um laute Audiosignale zu erzeugen.

Die in Smartphones üblicherweise eingesetzten Mikrolautsprecher erfordern einen etwas weiter entwickelten „Smart Amp“. Bei dieser zweiten Kategorie intelligenter Verstärker, den so genannten Feedback-Verstärkern, werden der D/A-Wandler und der Klasse-D-Verstärker der Feed-Forward-Lösung durch eine Strom- und Spannungsmessfunktion (I-V-Sense) ergänzt. Die I-V-Messung ermöglicht die direkte Messung der Schwingspulen-Temperatur. Außerdem lassen sich Änderungen des Lautsprechers durch Exemplarstreuung, die Umgebungstemperatur und die Belastung des Lautsprechers (wenn beispielsweise eine Hand auf die Schallaustrittsöffnung gelegt wird) erkennen.

Smart Amps mit und ohne integrierten DSP

Diese Informationen ermöglichen es dem Algorithmus, aus dem Lautsprecher zusätzlichen Schalldruck herauszuholen, der sonst ungenutzt bliebe, weil das Ausgangssignal begrenzt würde, um die eben genannten Variationen zu berücksichtigen. Um die erfassten Strom- und Spannungsinformationen zu nutzen, benötigt ein „Smart Amp“ einen Prozessor, und zwar vorzugsweise einen digitalen Signalprozessor (DSP), der die Daten gliedert und ausgefeilte Algorithmen anwendet, um maximale Leistung und Sound zu erzielen und gleichzeitig für einen sicheren Betrieb des Lautsprechers zu sorgen. Entsprechend der individuellen Wünsche der Entwickler in Bezug auf Kosten, Markteinführungszeit und Leistung werden intelligente Verstärker mit oder ohne integrierten DSP angeboten.

Den Lautsprecher charakterisieren

Nachdem wir jetzt prinzipiell darüber Bescheid wissen, wie Lautsprecher und intelligente Verstärker zusammenwirken, um besseren Sound und mehr Lautstärke zu erzielen, soll jetzt die Frage erörtert werden, wie man sein Produkt mithilfe dieser Technik auf den Markt bringen kann. Den ersten Schritt hierzu bildet eine Charakterisierung des Lautsprechers.

Dabei werden zahlreiche Funktionen des Lautsprechers gemessen, um seine Grenzwerte zu ermitteln. Diese Grenzwerte gilt es in vollem Umfang zu verstehen, damit der Lautsprecher eine maximale Lautstärke und Klanggüte liefert, ohne Schaden zu nehmen. Um ein präzises Modell des Lautsprechers zu erstellen, werden detaillierte Messungen vorgenommen. Die PurePath Console 3 (PPC3) mit einer dazugehörigen Lerntafel führt diese Messungen in einer einfach zu befolgenden Prozedur aus.

Zu diesen Messungen gehören unter anderem Systemtests, das Messen der Auslenkung, die thermische Charakterisierung und Schalldruckmessungen. Das Messen der Auslenkung kann mithilfe von Parametern aus dem Datenblatt des Lautsprechers erfolgen. Exakter ist jedoch die Verwendung eines Laser-Wegmessers, um die Auslenkung direkt zu messen und die erforderlichen Parameter abzuleiten.

Mit dem „Smart Amp Learning Board“ lassen sich Lautsprecher mithilfe eines Lasers sowie eines Mikrofons zum Messen des Schalldrucks einfach charakterisieren. Sind alle benötigten Daten erfasst, können die entsprechenden Kurven ohne großen Zeitaufwand visualisiert werden – darunter die Auslenkung als Funktion der Frequenz sowie die Grenzen des sicheren Arbeitsbereichs.

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