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Es besteht allgemein der Wunsch nach Verbesserung akustischer Übertragungsvorgänge in einem weiten Frequenzbereich, insbesondere bei der Übertragung von Sprache und Musik.
Bei einer aus der US-PS Nr. 1, 795, 874 bekannten akustischen Einrichtung, die als akustische Impedanz dient, ist eine Vielzahl von Rohren im wesentlichen gleichen Durchmessers vorgesehen, welche mit gleichmässig abgestuften Längen in einem Bündel angeordnet sind. Die einzelnen Rohre, die an ihrem freien Ende offen oder geschlossen sein können, sind schalldämpfend ausgebildet und ergeben insgesamt trotz relatiav kleiner Längenabmessungen einen im wesentlichen frequenzunabhängigen, zu Anpassungszwecken verwendbaren Widerstand. Beispielsweise soll diese akustische Impedanz bei der Schallübertragung über ein Filter und eine Rohrleitung zu einem hochohmigen Schallwandler für einen angepassten Leitungsabschluss dienen.
Es ist anderseits bekannt, möglichst dämpfungsfreie Rohre mit offenem freiem Ende unter Anschluss eines Schallwandlers am andern Ende als Längsstrahler mit Richtwirkung in Richtung der Rohrachse zu verwenden und aus solchen Längsstrahlen Längsstrahlergruppen zu bilden. Das Richtdiagramm von Strahlergruppen hat im allgemeinen eine Hauptkeule und neben dieser mehrere allmählich kleiner werdende Nebenzipfel. Die Nebenzipfel führen im Empfangsfall zu einem unerwünschten Ansprechen auf Signale, die aus einer von der gewünschten Richtung abweichenden Richtung eintreffen.
Die Erfindung geht nun von einer akustischen Einrichtung der einleitend geschilderten Art aus, die mehrere parallele Rohre aufweist, welche akustische Wege verschiedener Länge bilden, wobei die einen Enden aller Rohre in einer gemeinsamen Querebene und die andern Enden aller Rohre paarweise auf gegenüberliegenden Seiten einer gedachten zweiten Querebene liegen und gleich grosse Abstände von dieser haben, und wobei die in der gemeinsamen Querebene liegenden Enden der parallelen Rohre mit einem Schallwandler gekoppelt und die andern, freien Enden der Rohre offen sind.
Sie beruht auf der Erkenntnis, dass eine Einrichtung mit der beschriebenen Längenabstufung der einzelnen Rohre einer Rohrgruppe die der Aufgabe der Erfindung entsprechende Ausbildung einer Längsstrahlergruppe ermöglicht, die gegenüber herkömmlichen Längsstrahlergruppen ein durch Schwächung von störenden Nebenzipfeln verbessertes Richtdiagramm für im freien Raum übertragene Wellen hat.
Diese Aufgabe wird mit einer akustischen Einrichtung der vorstehend angegebenen Gattung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Rohre als Längsstrahler ausgebildet sind und dass die Abstände der offenen freien Enden der Rohre von der gedachten Querebene in einem zu einer wesentlichen Verkleinerung ausgewählter Nebenzipfel im Richtdiagramm der gesamten Strahlergruppe führenden nichtlinearen Verhältnis zueinander stehen.
Die zu einer gewünschten Verkleinerung störender Nebenzipfel führende nichtlineare gegenseitige Beziehung zwischen den Abständen der freien Enden der Rohre von der gedachten Querebene zu den Rohren kann durch Versuche oder nach der später erläuterten Methode des steilsten Abfalls ermittelt werden. Die Abstände zwischen den Rohrenden können insbesondere derart nichtlinear abgestuft werden, dass das Richtdiagramm neben einer Hauptkeule mehrere Nebenzipfel aufweist, die höchstens gleich gross oder kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert sind.
Bevorzugt haben alle Rohre im wesentlichen gleichen Durchmesser, weil sich dann die Ermittlung der günstigsten nichtlinearen Abstandsbeziehung sowohl durch Versuche als auch durch Berechnung vereinfacht.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen Fig. 1 die bekannte, als Impedanz dienende akustische Einrichtung mit einer Vielzahl von Rohren mit gleichmässig abgestuften Längen, von welchen die Erfindung ausgeht, Fig. 2 eine Ansicht der Rohrgruppe nach Fig. 1 in Richtung der Pfeile 2-2 in Fig. l, Fig. 3 ein Richtdiagramm, das bei Verwendung der Einrichtung nach Fig. la als Längsstrahler erzielbar wäre, Fig. 4 das Blockschema eines akustischen Systems mit einer Längsstrahlgruppe, Fig. 5 einen erfindungsgemässen Längsstrahler mit Rohren, deren Längen nichtlinear abgestuft sind, Fig. 6 das Richtdiagramm einer erfindungsgemässen Längsstrahl-Mikrophon- oder Lautsprechergruppe mit einer Elementengruppe nach Fig. 5.
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In den Fig. 1 und 2 ist die den Ausgangspunkt der Erfindung bildende, als Impedanz dienende akustische Einrichtung nach der US-PS Nr. 1, 795, 874 in Seiten- bzw. Endansicht dargestellt. Diese Einrichtung wird durch eine Vielzahl von Rohren --70-- mit im wesentlichen gleichem Durchmesser und gleichmässig abgestuften Längen gebildet, die in einem Bündel angeordnet sind, wobei ein Ende aller Rohre in einer gemeinsamen Querebene liegt, an die z. B. ein Horn --72-- anschliesst.
Die Längen der Rohre sind so verschieden gewählt, dass jeweils einem Rohr, dessen freies Ende nicht bis zu einer senkrecht zur Längserstreckung der Rohrgruppe verlaufenden gedachten Querebene --71-- heranreicht, ein anderes Rohr zugeordnet ist, das um den gleichen Betrag Di über diese Querebene --71-- hinausreicht. Zur Bildung einer Impedanz können die freien Enden der Rohre offen, geschlossen oder teils offen und teils geschlossen sein. Mit einer solchen Gruppe relativ kurzer Rohre kann eine Abschlussimpedanz erzielt werden, wie sie nur mit einem sehr langen Einzelrohr erzielbar wäre.
Bei Verwendung einer solchen Rohrgruppe als Längsstrahler unter Anordnung eines Wandlers in der den einen Rohrenden gemeinsamen Querebene und unter Verwendung von Rohren mit offenen freien Enden wird ein durch die Gleichung
EMI2.1
gegebenes Richtdiagramm erhalten, das eine Hauptkeule bei 900 bezüglich der Querebene --71-und beiderseits von 270 starke Nebenzipfel aufweist. Es hat sich gezeigt, dass diese beiden starken Nebenzipfel durch Multiplikation der Nennfrequenz mit dem Faktor 2 zum Verschwinden gebracht werden können. Wenn also die Nennfrequenz 3521 Hz beträgt, können durch Bemessung der Gruppe für eine Betriebsfrequenz von 7042 Hz die beiden starken Nebenzipfel unterdrückt werden.
Dieser Bemessung entspricht eine Multiplikation der Grössen Di in Gleichung (1) mit dem Faktor 2, wodurch die Gleichung (1) für die Längsstrahlgruppe die folgende Form annimmt :
EMI2.2
In Fig. 3 ist das Richtdiagramm dargestellt, das auf diese Weise mit einer Längsstrahlgruppe nach den Fig. 1 und 2 bei Verwendung von 48 Elementen und einer Länge von 8 Wellenlängen erhalten wird. Wie Fig. 3 erkennen lässt, werden durch die Einführung des Faktors 2 die beiden störenden Nebenzipfel nahe bei 2700 vermieden. Trotzdem stören die verbleibenden Nebenzipfel, die unterschiedliche Grössen haben, die Übertragung immer noch und sind daher unerwünscht.
Der Einfluss dieser unerwünschten Nebenzipfel kann nun erfindungsgemäss wesentlich vermindert werden, indem die Längen der Rohre bei der Rohrgruppe nach den Fig. 1 und 2 nichtlinear, insbesondere nach der Methode des steilsten Abfalls, gewählt werden, die beispielsweise in der US-PS Nr. 4, 311, 874 als"method of steepest descent" beschrieben ist und später noch genauer erläutert wird.
In Fig. 4 ist im Blockschema ein die Erfindung verkörperndes Übertragungssystem dargestellt.
In diesem System ist eine Schallquelle --80-- über eine Leitung --81-- an eine Kopplungsanordnung --82-- angeschlossen, die ihrerseits über eine Leitung --83-- mit einem Verbraucher --84-verbunden ist. In einem Anwendungsfall kann die Schallquelle --80-- ein Redner, die Leitung --81-- der freie Luftraum und die Kopplungsanordnung --82-- eine akustische Gruppe nach der Erfindung sein, die direkt mit dem Verbraucher --84-- verbunden ist, z. B. mit einem an ein Fern- übertragungssystem angeschlossenen Kabel für die Übertragung der Sprachsignale. In einem andern Anwendungsfall kann die Quelle --80-- ein Lautsprecher sein, der direkt mit der Kopplungsanordnung --82-- verbunden ist, und die Leitung --83-- der freie Luftraum, in dem sich als Verbraucher ein Zuhörer befindet.
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In Fig. 5 ist ein erfindungsgemässer Längsstrahler als Ausführungsbeispiel für die Kopplungs- anordnung --82-- nach Fig. 4 dargestellt. Der Längsstrahler enthält, ähnlich der akustischen Einrichtung nach den Fig. 1 und 2, eine Vielzahl von Rohren --90--, die paarweise so angeordnet sind, dass jeweils ein Rohr jedes Paares zur Gänze unter einer gedachten mittleren Querebene --91-der Rohrgruppe liegt und das andere Rohr des gleichen Paares sich über diese Querebene --91-hinauserstreckt, wobei die Beziehungen zwischen den Längen der Rohrpaare nichtlinear nach der Methode des steilsten Abfalls gewählt sind.
Die Rohre --90-- sind zu einem Bündel zusammengefasst, wobei ein Ende jedes Rohres mit einem Wandler --92-- gekoppelt ist. Wenn der Wandler --92-- ein Mikrophon ist und die Rohrgruppe in Richtung auf eine Schallquelle orientiert ist, wird deren Schall aufgenommen, wogegen Störschall aus andern Richtungen weitgehend unterdrückt wird.
Das Richtdiagramm des Längsstrahlers nach Fig. 5 ist in Fig. 6 dargestellt. Es weist eine Hauptkeule bei 90 und eine Vielzahl wesentlich kleinerer Nebenzipfel auf, wie das der Zielsetzung der Erfindung entspricht.
Das Richtverhältnis einer akustischen Längsstrahlgruppe nach Fig. 6 ist um 3 dB besser als jenes einer Querstrahlgruppe, deren Hauptstrahlrichtung auf S = 90 umgesteuert wird. Das bedeutet, dass eine Längsstrahlgruppe mit einer Länge von 91, 4 cm hinsichtlich der Unterdrückung von Störschall gleich wirksam ist wie eine doppelt so lange Querstrahlgruppe.
Die Abstände zwischen den einzelnen Elementen (d. h. Rohrenden) der Gruppe werden erfindungsgemäss wie folgt nach der Methode des steilsten Abfalls festgelegt :
Zunächst wird die gewünschte Gesamtlänge der Gruppe ermittelt. Aus der für das Fernfeld geltenden Gleichung (2) wird der Richtempfangswert R einer Gruppe mit gleichabständigen Elementen ermittelt.
Nach der Zielsetzung der Erfindung sollen nun jene Abstände zwischen den einzelnen Elementen der Gruppe ermittelt werden, bei welchen in einem für die gleichabständige Elementengruppe geltenden Richtdiagramm nach Fig. 3 die ersten Nebenzipfel neben der Hauptkeule und auch die übrigen Nebenzipfel verkleinert werden, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Zu diesem Zweck wird die Gleichung (2) im Scheitel des ersten Nebenzipfels nach dem Abstand Di abgeleitet :
EMI3.1
Die Änderung des Abstandes D., welche für das i-te Paar von Elementen erforderlich ist, ist proportional der partiellen Ableitung von R nach dem Abstand der Elemente von der Mittellinie, d. h.
EMI3.2
wobei P eine Proportionalitätskonstante ist.
Die Änderung A R, die durch entsprechende Änderung der Abstände aller Elemente erzielt wird, ist gegeben durch :
EMI3.3
Hieraus ergibt sich als relative Änderung :
EMI3.4
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EMI4.1
EMI4.2
EMI4.3
EMI4.4
enthält N Terme, von denen jeder den Mittelwert 1/2 hat, so dass dieser Ausdruck mit N/2 approxmiert werden kann.
Demgemäss vereinfacht sich die Gleichung (7) weiter auf :
EMI4.5
EMI4.6
Grösse der Nebenzipfel zu erhalten, kann Gleichung (8) wie folgt umgeschrieben werden :
EMI4.7
Die Abstandsänderung A Di kann sodann aus den Gleichungen (3), (4) und (5) wie folgt ermittelt werden :
EMI4.8
Nach der Ermittlung von AD. für jeden der Abstände D,, D , D ... müssen die Lagen der einzelnen Elemente entsprechend den neuen Abstandswerten (D 1 AD 1), (D 2 AD 2), (D 3 AD 3) usw. geändert werden.
Nunmehr wird der Richtempfangswert R für den Scheitel des zweiten Nebenzipfels ermittelt.
Die gewünschte relative Änderung von R ist gleich der Differenz zwischen dem Scheitelwert des zweiten Nebenzipfels und dem zugelassenen Schwellenwert dieses Nebenzipfels. Zur Ermittlung dieser Abstandsänderung wird wieder die Gleichung (10) benutzt, welche neue Abstandswerte (D1 + AD,), (Dp 2 AD 2), (D 3 AD3) usw. liefert, nach denen die einzelnen Elemente nachgestellt werden müssen. Sodann werden die Scheitelwerte der dritten und aller weiteren Nebenzipfel ermittelt und analog neue Abstandswerte (Di : AD.) für die einzelnen Elemente errechnet.
Nach Neueinstellung der Abstände aller Elemente für jeden Nebenzipfel ergibt sich gewöhnlich, dass sich die ursprünglich angenommene Länge der Gruppe geändert hat. Bei der geänderten Länge wird die schon früher erläuterte Grenzwertbedingung für die Nennfrequenz überschritten. Es ist deshalb erforderlich, die Länge der Gruppe wieder auf den ursprünglichen Wert zu ändern, damit sie der Nennfrequenz entspricht. Demgemäss muss auch der Abstand jedes Elementes von der Mittellinie der Gruppe proportional derart geändert werden, dass die Länge der gesamen Gruppe den gewünschten Wert annimmt.
Durch mehrmalige Wiederholung des vorstehend erläuterten Vorganges und jeweils nachfolgende Normierung der Länge der Gruppe wird schliesslich das gewünschte Richtdiagramm erhalten.
Die folgende Tabelle gibt die Abstände der Elemente bzw. Paare von Rohrenden einer Gruppe mit 48 Elementen und einer Länge von 8 Wellenlängen von der mittleren Querebene an, die für optimalen Betrieb bei 3521 Hz bemessen ist. Die Abstände sind in Wellenlängen und in Klammern in cm ausgedrückt :
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EMI5.1
0566 (0, 554), 0, 1703 (1, 664), 0, 2851 (2, 784), 0, 4012 (3, 919), 0, 5184 (5, 062), 2, 9720 (29, 020), 3, 2668 (31, 900), 3, 6390 (35, 532) und 4, 0000 (39, 058).
Die Abstände zwischen den Elementen der Gruppe sind zwar nach den für das Fernfeld geltenden Regeln ermittelt worden, doch ist die Gruppe nach Fig. 5 ohne Änderung der Abstände gleich gut auch im Nahfeld wirksam.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Akustische Einrichtung, die mehrere parallele Rohre aufweist, welche akustische Wege verschiedener Länge bilden, wobei die einen Enden aller Rohre in einer gemeinsamen Querebene und die andern Enden aller Rohre paarweise auf gegenüberliegenden Seiten einer gedachten zweiten Querebene liegen und gleich grosse Abstände von dieser haben, und wobei die in der gemeinsamen Querebene liegenden Enden der parallelen Rohre mit einem Schallwandler gekoppelt und die andern, freien Enden der Rohre offen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (30) als Längsstrahler ausgebildet sind und dass die Abstände (D.) der offenen freien Enden der Rohre (90) von der gedachten Querebene (91)
in einem zu einer wesentlichen Verkleinerung ausgewählter Nebenzipfel im Richtdiagramm der gesamten Strahlergruppe führenden nichtlinearen Verhältnis zueinander stehen.