Automatic gain control, Teil 5

AK U STI K GR U N DL AGE N
Jens Ulrich, Frankfurt
Automatic gain control, Teil 5
Die Regelstrecke für die Verstärkung eines Hörsystems
ist eine verzögerungsarme Proportionalstrecke. Wie in
der Folge 4 gezeigt wurde, kann eine zeitlose Regelung
mit einem P-Regler nicht erfolgen, weil er eine bleibende Regelabweichungen verursacht. Daher muss
man einen anderen Regler für die Regelstrecke
einsetzten, der jedoch für die Regelung eine gewisse
Zeit benötigt.
Die unerwünschte bleibende Regelabweichung des P-Reglers hat ihre Ursache im starren Zusammenhang zwischen
Regeldifferenz und Stellgröße. Bei der Untersuchung des
Integralreglers (siehe Teil 3) wurde bereits festgestellt, dass
der I-Regler im Gegensatz zum P-Regler jede Regelabweichung vollständig ausregelt. Beim I-Regler ist die starre Kopplung zwischen Regelabweichung und Stellgröße gelöst. An
Stelle der Stellgröße ist die Stellgeschwindigkeit abhängig von
der Regelabweichung. Dieser Reglertyp benötigt aber im
Gegensatz zum bisher untersuchten Proportionalregler eine
gewisse Zeit, um das Regelziel zu erreichen. Es gibt außer dem
P-Regler keinen weiteren „zeitlosen“ Regler. Da dieser nicht
eingesetzt werden kann ist es nicht möglich, den Regelvorgang
zeitlos zu gestalten.
Bei kleinen Dämpfungswerten wird der Amplitudenverlauf
exponentiell gedämpft.
Dieses Schwingverhalten kennt man bei Pendeltüren, wie
sie als Eingang im Westernsaloon angebracht sind.
Pendeltür,
Foto buckjones-saloon
Bei einer sehr großen Dämpfung „kriecht“ die Amplitude auf
ihren Endwert.
■ Zeitbehaftete Regelungen
Die Zeit die vergeht, bis der Istwert den Sollwert nach einem
Sollwertsprung erreicht nennt man Einschwingzeit bzw. Ausschwingzeit. Ist der Sollwert erreicht, spricht man von einem
eingeschwungenen Zustand des Regelkreises. Die Zeitverläufe
des Istwertes können je nach der Dämpfung des Systems
unterschiedlich erfolgen. Eine maßgebliche Größe dafür ist die
Dämpfung des Regelkreises. Sie ist, wie bei anderen physikalischen Systemen, ein Maß für den Kurvenverlauf.
■ Zeitverläufe des Istwertes
In diesem Fall spricht man vom aperiodischen Kriechfall.
Türen mit Türschließer
schließen sich „kriechend“
Foto Uni Hamburg
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HÖRAKUSTIK DOZ 3-2005
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■ Stabilität eines Regelkreises
Der Verlauf der Sprungantwort des Systems folgt dem
Verlauf einer Regelungsstrecke 1.Ordnung. Die Zeitkonstante
des Vorgangs wird durch die Größe des RC Glieds des I-Reglers
bestimmt. Verwendet man veränderbare Widerstände, so
lassen sich die Zeitkonstanten beeinflussen.
■ Das Zeitverhalten der AGC
Das Verhalten einer AGC Schaltung lässt sich graphisch verdeutlichen. Erhöht sich der Eingangspegel eines Hörsystems
sprunghaft, so muss die Verstärkung des Systems reduziert
werden. Die Hüllkurve des Eingangssignals hat einen Sprung
(Sollwertsprung), die Verstärkung wird infolge des I-Reglers
langsam reduziert. Die Einschwingzeit ist hier die Zeit vom
Sollwertsprung bis zu der Zeit, bei der sich das Ausgangssignal
bis auf 2 dB dem Endwert genähert hat. Analog wird auch die
Ausschwingzeit der AGC definiert.
Die Dämpfung kann aber auch zu einer Vergrößerung der
Amplitude führen. Dieser Fall wird auch als Mitkopplung bezeichnet. Bei vielen Regelsystemen muss man untersuchen,
ob die Rückkopplung des Regelkreises nicht zur Mitkopplung
führt. Ist die Dämpfung des Systems nicht vorhanden oder gar
negativ, so führt der Regelkreis Dauerschwingungen durch
(Bild Fall a) oder der Istwert wird zunehmend größer (Bild
Fall b). Im zweiten Fall nennt man das System „aufschwingend“ und bezeichnet den Regelkreis als instabil.
■ Der Regelkreis der AGC
Der Regelkreis der AGC besteht aus einer verzögerungsfreien Proportional-Strecke und einem Integral-Regler.
Das System hat keine Regelabweichung. Die Regelung erfolgt aber zunehmend langsamer, weil die Stellgeschwindigkeit
des I-Reglers genauso abnimmt wie die zunehmend kleiner
werdende Regelabweichung.
■ Das Kompressionsverhältnis
Um ein Maß für die Wirkung einer AGC Schaltung zu haben,
wurde das Kompressionsverhältnis CV definiert. Es ist das Verhältnis der Differenz zweier Eingangsschalldruckpegel in dB
zur Differenz der zugehörigen Ausgangsschalldruckpegel in dB
für den eingeschwungenen Zustand.
DOZ 3-2005 HÖRAKUSTIK
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■ Die Regelschwelle
Die Regelschaltung einer eingangspegelgesteuerten AGC,
kurz auch AGCi genannt, setzt erst beim Überschreiten eines
festgelegten Eingangspegels LE ein. Dieser Eingangspegel
wird als Regelschwelle oder Schwellenpegel LRSi bezeichnet.
verstärkt. Dies wird vom Träger als unangenehm laut empfunden. Ist die Ausschwingzeit zu kurz, so würde die Verstärkung
auch in kurzen Lärmpausen wieder hochgeregelt und müsste
bei einer Fortsetzung der lärmerfüllten Umgebung erst wieder
reduziert werden. Ist die Ausschwingzeit zu lang, so bedeutet
dies für den Betroffenen, dass direkt auf ein lautes Ereignis folgende leise Informationen nicht ausreichend verstärkt werden.
Wird in einer fröhlichen Runde herzhaft gelacht, so regelt die
AGCi die Verstärkung herunter, da lautes Lachen mit einem hohen Schallpegel verbunden ist. Spricht einer aus der Runde
dann direkt nach dem Lachen, so ist bei dem Hörgeräteträger
die AGCi noch auf eine zu geringe Verstärkung eingeregelt, da
die Ausschwingzeit relativ lang ist. Die Folge ist, dass der Betroffene die ersten Worte unter Umständen dann nicht versteht, da sie zu wenig verstärkt werden.
■ Silbenkompression
Die Graphik verdeutlicht die Begriffe Kompressionsverhältnis und
Schwellenpegel
■ Die Bedeutung der Ein- und
Ausschwingzeit
Wird eine eingangspegelgesteuerte AGC genutzt (AGCi), um
die Lautstärke automatisch zu regeln, so werden üblicherweise
Einschwingzeiten von 100 bis 500 ms und Ausschwingzeiten
von mehr als 500 ms eingesetzt. Das Ziel ist der Ausgleich von
langsamen Veränderungen des mittleren Eingangspegels. Die
AGC soll in diesem Fall den Griff zum Lautstärkesteller des Hörgerätes ersetzen und die Verstärkung an die akustische Umgebung anpassen.
Die Einschwingzeit darf nicht zu lang sein. Ansonsten würden plötzlich auftretende laute Geräusche zu lange zu stark
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Wird eine AGCi bei kleiner Restdynamik des Hörgeschädigten (< 15 dB) dazu verwendet, um den Dynamikbereich der
Sprache in die Restdynamik des Hörgeschädigten abzubilden,
müssen Regelzeiten die kleiner als 50 ms sind verwendet
werden, damit der Regelvorgang der Dynamik der Sprache
folgen kann. Diese Art der Regelung nennt man Silbenkompression.
■ „Edel PC“
Soll mit Hilfe einer ausgangspegelgesteuerten AGCO der maximale Ausgangspegel des Hörgerätes begrenzt werden, so
kommen deutlich kürzere Einschwingzeiten von 5 bis 10 ms
und Ausschwingzeiten von 50 bis 100 ms zum Einsatz. Bei
langen Regelzeiten würden Lautstärkespitzen zu lange und zu
stark verstärkt. Das System muss daher schnell reagieren können, um den Träger des Hörgerätes vor unangenehm lauten
Ereignissen zu bewahren. Dieses begrenzende Verhalten der
AGC wird vom Hörakustiker als „Edel PC“ bezeichnet.
Jens Ulrich
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