Akustische Nachhalleinrichtung Bei Schallaufnahmen im Rundfunk und Fern sehen, für Filme und Schallplatten und bei elektro nischer Musik wird häufig fehlender Nachhall zuge mischt .bzw. vorhandener Nachhall vergrössert. Dazu wird in den meisten Fällen der elektroakustisch auf genommene primäre Schallvorgang nach Verstärkung in einem Hallraum mit grosser Nachhallzeit abgestrahlt, mit dem Nachhall versehen wieder aufgenommen und mit dem gewünschten Pegelunterschied dem primären Schallvorgang, also dem direkten Schall, zugefügt oder statt dessen weitergeleitet. Der bekannte Hall raum hat folgende Nachteile: 1.
Bei einem erforderlichen Volumen von 60 bis 150 m3 ist er ziemlich teuer, vor allem, wenn er im Interesse der meistens erforderlichen hohen Schall dämmung allseitig doppelschalig mit Körperschall isolierung gebaut ist.
2. Damit der für hochwertige Aufnahmen erfor derliche konstante oder nur wenig abfallende Pegel im diffusen Schallfeld auch bei hohen Frequenzen vorhanden ist, muss eine ziemlich teure Lautsprecher kombination, die aus vielen, in verschiedenen Rich tungen strahlenden Einzelsystemen und einem elek trischen Entzerrer besteht, neben einem grösseren Kraftverstärker vorhanden sein.
3. Die Nachhallzeit ist nur mit ziemlichem Auf wand und nicht in kurzer Zeit herabzusetzen, so dass man normalerweise von dieser Möglichkeit keinen Gebrauch macht. Die Folge davon ist, dass man bei kleiner gewünschter Nachhallzeit den im Hallraum aufgenommenen Nachhall (mit grosser Nachhallzeit) mit grossem Pegelunterschied zum direkten Schall zusetzt, wobei man bekanntlich unerfreulich geknickte Nachhallkurven erhält.
4. Die meisten Hauräume haben bei tiefen Fre quenzen (bis etwa 150 Hz) zu wenig Eigenfrequenzen. Die zweite Methode ist die, den Nachhall künst lich zu erzeugen, das heisst, zu diesem Zweck gibt es viele vorgeschlagene oder in geringem Umfang auch verwirklichte Methoden. Man kann sie systematisch in folgende Gruppen aufteilen: 1. Die Zahl der Wiederholungen (Reflexionen) eines impulsartigen Primärschalls in einer bestimmten Zeiteinheit ist konstant.
Zu dieser Gruppe gehören die eindimensionalen, akustischen Schallverzögerungs- verfahren mittels eines schalleitenden Rohres (Luft schall, Flüssigkeitsschall oder Körperschall) oder eines Stabes (Körperschall), und die eindimensionale Aus breitung von Biegewellen auf Wendelfedern aus Metall (USA-Patentschrift 2 230 836), zu deren Nachteilen ausser den später angeführten auch die geringe Frequenzbandbreite, .die ungeeignete Fre- quenzkurve der Nachhallzeit und die geringe Zahl von Eigenfrequenzen gehören.
Zu diesen Einrichtun gen kann man auch die quasi eindimensionale Schall ausbreitung in einem grösseren Raum zwischen einem reflektierenden parallelen Wandpaar zählen, wobei die anderen beiden Wandpaare gedämpft sind. Die einfachen Schallverzögerungseinrichtungen mittels Magnetton fallen ebenfalls in diese Gruppe. Den geschilderten bekannten Verfahren ist gemeinsam, dass die einzelnen Reflexionen zeitlich äquidistant oder fast äquidistant sind, wodurch bei impulshaltigem Schall die bekannten Flatterechos bzw. ein rattern der Nachhall, das heisst kein echter kontinuierlicher entsteht.
Diese bekannten Verfahren liefern erst dann einen Nachhall, der auch bei impulshaltigem Schall hohen Ansprüchen genügt, wenn die Lücken zwischen den Reflexionen durch inzwischen bekannte Zusatz einrichtungen ausgefüllt werden, und zwar durch mit der Zeit immer dichter werdende Reflexionen oder durch einen echten Nachhall mit kleiner Nach hallzeit.
2. Die Zahl der Reflexionen in der Zeiteinheit steigt proportional der Zeit. Wie praktische Versuche gezeigt haben, ist der subjektive Klangeindruck in diesem Fall gleichwertig dem Fall des dreidimen sionalen Raumes, in dem der Anstieg proportional dem Quadrat der Zeit erfolgt. Zur Nachbildung eines wirklichen Raumes genügt also der lineare Anstieg. Zu dieser Gruppe gehören die vorgeschlagenen, aber nicht verwirklichten Verfahren mit Ausbreitung von Dichte-Schallwellen in einem Raum (Flachraum), der in zwei Dimensionen gross, in der dritten klein gegen alle vorkommenden Wellenlängen ist, damit die Schallgeschwindigkeit in dem Raum frequenz- unabhängig ist.
Bei Einhaltung der letzten Bedingung ist sowohl bei Luftfüllung als auch bei Flüssigkeits füllung die Absorption durch Wandreibung so gross, dass eine ausreichende Nachhallzeit nicht zu erzielen ist. Ein flacher Raum aus einem festen Material, also eine Platte, die zu Longitudinalwellen angeregt wird, kann eine ausreichend kleine Dämpfung haben.
Wenn man aber verlangt, dass die Eigenschwingungen so dicht sind, drass zum Beispiel schon bei 100 Hz auf jedem musikalischen Viertelton, also auf je 3 Hz, eine Eigenschwingung entfällt, müsste eine Stahl- oder Aluminiumplatte eine Fläche von etwa 30 000 m2 haben. Eine solche Einrichtung ist demnach, auch bei geringeren Ansprüchen, nicht ausführbar.
Die lineare Zunahme der Reflexionen mit der Zeit lässt sich in komplizierter Weise und mit teuren Einrichtungen auch erreichen, wenn man zwei Nach hallvergrösserungseinrichtungen der ersten Gruppe, z. B. Einrichtungen nach dem Magnettonverfahren, mit verschiedenen Nachhallverzögerungszeiten in Kas kade hintereinanderschaltet. Da die erfindungs gemässe, einfache und viel billigere Einrichtung aber das gleiche und mehr leistet, wird man von den komplizierten Verfahren praktisch keinen Gebrauch machen.
3. Die Zahl der Reflexionen in der Zeiteinheit steigt proportional dem Quadrat der Zeit. Zu dieser Gruppe gehören alle Verfahren mit dreidimensionaler akustischer Wellenausbreitung in einem Raum, bei Luftschall also der bekannte Hauraum, dessen Nach teile oben aufgezählt sind. Das Arbeiten mit Flüssig- keits- und Körperschall ist wegen der vielfach grösse ren Schallgeschwindigkeit praktisch mit ausführbaren Dimensionen nur möglich, wenn man Iden Schall aus dem Hörschaligebiet in das Ultraschallgebiet trans poniert, was schon mehrfach vorgeschlagen und auch ausgeführt wurde.
Um die oben angegebene Dichte der Eigenfrequenzen zu erzielen, müsste ,man bei Stahl oder Aluminium bei einer Trägerfrequenz von 100 kHz ein Volumen von i/3 m-' wählen (Gewicht bei Stahl 3 to). Bei einer so hohen Frequenz ist aber eine Nachhallzeit von 3 s, die man als obere Grenze wohl mindestens fordern müsste, in kleinsten, beson ders behandelten Stücken nicht zu erreichen, ge schweige denn in einem so grossen Block, der im übrigen lunkerfrei und mit glatter Oberfläche nicht herstellbar ist.
Bei 30 kHz wäre diese Nachhallzeit möglich, der Stahlblock hätte aber ein Gewicht von 30 t. Dieses Verfahren mit Transponierung ist also nur mit Flüssigkeitsschall durchführbar, also zum Beispiel in einem wassergefüllten, dämpfungsfreien Metallbecken, sowohl hinsichtlich der nötigen Zahl von Eigenfrequenzen als auch der Nachhallzeit. Das letztere Verfahren hat folgende Nachteile: a) Die Flüssigkeit verdunstet mit der Zeit, oder das Becken muss allseitig luftdicht geschlossen werden.
b) Die Flüssigkeit muss vor dem Einfüllen eva kuiert werden, damit keine Gasblasen ausfallen, die die Dämpfung um Grössenordnungen erhöhen würden. c) Wenn die Flüssigkeit beim Fehlen eines luft dichten Verschlusses auf die Dauer wieder mit Luft gesättigt ist, kann wieder Gas in Blasen ausfallen, wenn die Temperatur steigt.
d) Eine zweimalige Transponierung des .mit Nach hall zu versehenden Schalls ist erforderlich. Ausserdem darf der Träger bzw. der Träger und das zweite Seitenband nicht in dem Becken abgestrahlt werden, wozu weitere elektrische Einrichtungen, evtl. mit Quarzfilter, erforderlich sind.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf eine Einrichtung, mit der die Nachteile der angeführ ten bekannten Einrichtungen vermieden werden. Sie arbeitet mit einem nur in zwei Dimensionen weit ausgedehnten, in der dritten sehr dünnen festen Kör per, also einer festen Platte. Die Platte wird im Gegensatz zu den bisher bekanntgewordenen aku stischen Verfahren nicht zu Dichte- oder Longitudi- nalwellen, sondern zu Biegewellen angeregt.
Während die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Dichte- oder Longitudinalwellen nur von den Materialeigenschaften Dichte und Elastizität und nicht von der Frequenz abhängt, ist die Biegewellengeschwindigkeit überdies von der Plattendicke und von der Frequenz abhängig.
Mit sehr hohen Frequenzen nähert sie sich asympto- tisch dem Wert der Dichtewellengeschwindigkeit. In dem interessierenden Frequenzbereich kann man schreiben
EMI0002.0053
cI, = Longitudinal- wellengeschwindigkeit, <I>d =</I> Plattendicke, <I>f</I> - Fre quenz.
Für sehr tiefe Frequenzen ist die Geschwindig keit der Biegewellen grössenordnungsmässig 1000mal kleiner als die der Longitudinalwellen. Um daher die entsprechenden Eigenschwingungen der Platte bei Erregung zu Biegeschwingungen zu bekommen, wie bei longitudinaler Anregung, muss die Platte auch 1000mal kleinere Abmessungen haben. Auf Grund der Tatsache der kleinen Geschwindigkeit der Biege wellen .ist es überhaupt erst möglich, eine Nachhall einrichtung zu schaffen, deren aktives Element eine zu Biegeschwingungen angeregte Platte ist, ohne dass eine Transponierung -des Schalls in einen hohen Fre quenzbereich notwendig wäre.
Der Abstand der Eigenfrequenzen der zu Biegeschwingungen angereb ten Platte ist nahezu konstant und beträgt grössen ordnungsmässig einige Hz. Einer der Vorteile der erfindungsgemässen Einrichtung ist also die Tatsache, dass man die Forderung, dass mehrere Eigenfrequen zen auf einen Halbton entfallen, leicht bis herab zu den tiefsten Frequenzen realisieren kann. Grössen ordnungsmässig betragen die Dicke der Platte 1 mm, die Länge und Breite lm. Länge und Breite sind tun lichst verschieden lang zu wählen, damit nicht wieder holt Eigenschwingungen verschiedener Ordnungs zahlen auf die gleichen Frequenzen fallen.
Wenn man die Platte aus dämpfungsfreiem Metall macht und die Aufhängung geeignet wählt, kann man die Grösse und den Frequenzgang der Nachhallzeit der grössten und am längsten hallenden leeren Bau werke erreichen oder überschreiten. Geeignete Arten der Aufhängung sind zum Beispiel Drähte, die durch Löcher am Plattenrand und in einem möglichst starren Rahmen gezogen und gespannt werden, oder schmale Streifen aus dem gleichen Stück wie die Platte. Drähte oder Blechstreifen, die nicht aus einem Stück mit der Platte bestehen, können fester und damit dämpfungs- freier durch Schweissen oder Löten an der Platte befestigt werden. Weniger gut ist eine Befestigung durch Schrauben.
Damit ungedämpfte Eigenschwin gungen der Haltedrähte oder Streifen beim Nachhall nicht stören, müssen sie unter Umständen gedämpft werden, und zwar so, dass sich die Dämpfung nicht oder nur wenig auf die Platte selbst auswirkt. Eine günstige Entkoppelung der Drähte oder Streifen von der Platte ist möglich, indem man an den Verbin dungsstellen zusätzlich grosse Massen anbringt, die starr mit der Platte einerseits und den Drähten oder Streifen anderseits verbunden sind. Man kann auch die Platte längs des ganzen Randes oder an einzelnen Punkten, die aus der Plattenebene etwas heraus gewölbt sind, anlöten oder anschweissen.
Die Spannung der Aufhängung stellt eine zweite Rückstellkraft neben der Biegesteifigkeit der Platte dar und darf daher im Interesse einer tiefen Abstim mung der Platte ein gewisses Mass nicht überschreiten.
Die Biegewellengeschwindigkeit (unabhängig von der Spannung) sollte jedenfalls schon im unteren Teil des Hörfrequenzbereiches grösser als die Mem- branwellengeschwindigkeit (unabhängig von der Span nung) sein.
Es kann wegen der dämpfungsfreie.n Befestigung, der Vermeidung störender Eigenfrequenzen der Auf hängung und wegen der schallzerstreuenden Refle xionen am Rand zweckmässig sein, den Rand bogen förmig statt gerade zu machen.
Die Anregung der Platte zu Schwingungen kann nach den verschiedensten Methoden geschehen, näm lich mittels eines oder mehrerer Luftschallsender über eine koppelnde Luftschicht oder direkt, mittels eines oder mehreren, nach den bekannten elektro akustischen Wandlerprinzipien arbeitenden Körper schallsendern. Am besten haben sich, wie bei den Laut sprechern für Luftschall, dynamische Systeme be währt, vor allem wegen des günstigen Frequenzganges. Für die Abtastung des mit Nachhall versehenen Schalls von der Platte gilt das gleiche. Auch sie isst mittelsLuftschall-und'Körperschallmkrophonen,:inöb lieh.
Bei letzteren sind piezoelektrische am günstig sten. Bei der Abtastung über den Luftschall muss man berücksichtigen, dass die Platte unterhalb der soge nannten Grenzfrequenz, die hier am oberen Ende des Hörfrequenzbereiches liegt, keine Schallwellen abstrahlt, sondern nur ein stationäres Schallfeld vor der Platte vorhanden ist, das gleichphasig exponen- tiell mit der Entfernung abklingt, weshalb man das oder die Mikrophone nahe anordnen muss.
Einer der grössten Vorteile der erfindungsgemässen akustischen Nachhalleinrichtung ist die Möglichkeit, die Nachhallzeit nach verschiedenen Methoden mit einem Griff zu variieren. Die Dämpfung der Platte kann mittels fester Körper, Flüssigkeiten oder durch Schluckstoff für Luftschall erfolgen. Man kann zum Beispiel eine oder mehrere dünne Gummiplatten oder -folien, die im ungedämpften Zustand die Nachhall platte nicht berühren, zuerst an einer Stelle des Ran des auflegen, die Länge der Berührungsstelle steigern, bis die Folie auf der ganzen Länge des Randes unter leichter Spannung aufliegt.
Die Nachhallzeit geht da bei kontinuierlich von der der ungedämpften Platte auf ziemlich kleine Werte über. Die Dämpfung ist bei tiefen Frequenzen stärker als bei hohen. Auch jede andere stufenweise oder kontinuierlich gesteigerte Berührung der Platte mit festen dämpfenden Stoffen stellt eine Herabsetzung der Nachhallzeit im Sinne der Erfindung dar.
Die Platte kann auch, z. B. an einer Ecke begin nend, mit einem immer grösseren Teil eines Randes in eine dämpfende Flüssigkeit getaucht werden, wo bei die Nachhallzeit sinkt. Um die Länge der ge dämpften Kante zu vergrössern und eine langsam beginnende Dämpfung auch bei einer Lage der Kante parallel zur Flüssigkeitsoberfläche zu ermöglichen, kann die Platte unten mit tiefen Zacken versehen bzw. kammähnlich ausgeführt werden. Durch Wahl der Viskosität der Flüssigkeit beeinflusst man die maximale Dämpfung.
Die günstigste Form der Dämpfung, sowohl hin- sichtlich des Ausmasses als auch des Frequenzganges, ist die durch die Annäherung poröser, luftschall schluckender Platten an die Nachhallplatte ohne direkten mechanischen Kontakt. Die Nachhallzeit kann bei tiefen Frequenzen, bei denen die grösste Variation erforderlich ist, bis zum Verhältnis 30:1 und mehr variiert werden. Eine dünne Schicht von grössen ordnungsmässig 1 mm Dicke, deren Strömungswider stand von der Grössenordnung des Schallkennwider- standes der Luft ist, liefert günstige Resultate.
Die Nachhallzeit kann so von tiefen bis zu mittleren Frequenzen frequenzunabhängng wie die eines guten Konzertsaals oder Studios gemacht werden. Erst bei höheren Frequenzen fällt sie auf einen kleinen, bei der Variation kaum beennflussbaren Wert ab. Durch dickere Schluckstoffschichten mit geringerem spe zifischem Strömungswiderstand kann man die Dämp fung vor allem bei tiefen Frequenzen erhöhen, des gleichen, wenn man den porösen Stoff durch Platten- oder Lochresonatoren ergänzt.
Den Schluckgrad der porösen Stoffe kann man durch vorgeschaltete Loch- oder Schlitzplatten mit grossem Perforationsgrad oder durch eine äusserst dünne luftundurchlässige Folie bei hohen Frequenzen herabsetzen, um den Abfall der .Nachhallzeit erst bei höheren Frequenzen beginnen zu lassen.
Zur Variation der Nachhallzeit wird die poröse Platte oder werden andere Schluckanordnungen zweckmässig mittels eine mechanischen Vorrichtung parallel zur Nachhallplatte bewegt oder um eine Achse in der Nähe einer Plattenkante geklappt. Die Bewe gung kann von Hand geschehen oder durch Fern steuerung, z. B. von einem Regieraum aus. Dasselbe gilt von den oben erwähnten anderen Variations möglichkeiten.
Die beschriebene Nachhalleinrichtung ist dadurch, dass keine eigentliche Schallwellenabstrahlurng statt findet, nicht empfindlich gegen die Aufnahme von Störschall. Dennoch muss man sie, wenn der umge bende Raum nicht sehr ruhig ist, mit einer schall dichten Ummantelung versehen. Gegen die über- tragung störenden Körperschalles von aussen und von der Mechanik der Dämpfungsvariation her ist sie durch einfache oder mehrfache federnde Lagerung zu schützen.
Die zur Schwingungsanregung -der Platte benötigte elektrische Leistung beträgt nur einen geringen Bruch teil der in einem üblichen Hauraum benötigten Lei stung. Das ist auch einer der Vorteile der erfindungs gemässen Einrichtung, ausserdem die bei dynamischer Anregung und piezoelektrischer Abtastung ohne oder mit "nur geringer Entzerrung auf der Sende- oder Empfangsseite zu erzielende ausgezeichnete Frequenz kurve über alles.
Es ist zweckmässig, auf der einen oder anderen Seite oder auf beiden eine einstellbare Höhen- und Tiefenanhebung und -absenkung einzurichten, um Klangfarbeneffekte zu erzielen und in gewissem Umfang eine scheinbare Änderung des Frequenz ganges der Nachhallzeit und des Halligkeitseindruckes zu ermöglichen.
Einige Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
In Fig. 1 ist die Nachhallplatte 1 aus Metall an dem Rahmen 2 mittels Stahldrähten 3 befestigt, die mit Hilfe von zusätzlichen Spannvorrichtungen, z. B. Schrauben, gespannt werden können.
In Fig. 2 ist die Platte 1 am Rand bogenförmig gestaltet. Sie ist an den Stellen 4 so auf dem Rahmen 2 punktweise geschweisst, dass sie ihn nur an diesen Stellen berührt.
Die Fig. 3 stellt einen Schnitt -durch die Einrich- tung nach Fig. 2 dar. Die Platte 1 .ist an den Schweiss stellen 5 mit dem Rahmen 2 verbunden.
Sie wird über eine Schwingspule 6, -die fest, zum Beispiel durch Kitten, mit der Platte verbunden ist und sich frei .im Luftspalt des Permanentmagneten 7 bewegen kann, zum Schwingen angeregt.
Ein Kristallbiegeschwinger 8 ist über ein Distanzstück 9 starr auf der Platte befestigt und dient als Körperschallmikrophon. Die Fig. 4 bis 6 zeigen schematisch die Haupt möglichkeiten der zusätzlichen Dämpfung und damit der Variation der Nachhallzeit. In Fig. 4 hängt eine Gummifolie 12 an einem Rahmen 13. Im oberen Zustand berührt sie die Platte nicht.
Beim Senken des Rahmens 13, der zweckmässig nicht parallel zu der Plattenkante angeordnet ist, berührt die Folie zuerst an einem Ende den oberen Plattenrand, dann nimmt die Länge der Berührungslinie zu bis zur Gesamtlänge der Platte bzw. der Folie, wobei die kleinste Nach hallzeit erreicht ist. An dem zuerst berührenden Ende ist die Folie dann gespannt.
Fig. 5 zeigt eine Flüssigkeitsdämpfung der Platte. Die Platte 1 taucht bei ihrem Senken oder beim Heben des Gefässes 14 zuerst mit den Spitzen 16 in die Flüssigkeit 15 ein. Beim weiteren Eintauchen wächst die Länge des gezackten Plattenrandes, der mit der Flüssigkeit in Berührung kommt, wobei die Nach hallzeit kontinuierlich sinkt, bis die Zacken ganz ein getaucht sind.
Fig.6 zeigt schematisch die Dämpfung der an Drähten 3 am Rahmen 2 aufgehängten Platte 1 durch eine poröse, luftschallschluckende Schicht 17, die auf einem Rahmen 18 befestigt ist. Beim Nähern des Schluckstoffs sinkt die Nachhallzeit der Platte. Die dämpfende Wirkung wird verdoppelt durch eine zweite poröse Schicht in jeweils gleichem Abstand auf der anderen Seite der Platte.
Acoustic reverberation equipment For sound recordings on radio and television, for films and records and for electronic music, missing reverberation is often mixed in. existing reverberation increased. For this purpose, in most cases the electroacoustically recorded primary sound process is emitted after amplification in a reverberation room with a long reverberation time, provided with the reverberation again and added to the primary sound process, i.e. the direct sound, or instead passed on with the desired level difference. The well-known reverberation room has the following disadvantages: 1.
With a required volume of 60 to 150 m3, it is quite expensive, especially if it is double-shelled on all sides with structure-borne sound insulation in the interests of the high level of sound insulation that is usually required.
2. So that the constant or only slightly decreasing level required for high-quality recordings is available in the diffuse sound field even at high frequencies, a rather expensive loudspeaker combination consisting of many individual systems radiating in different directions and an electrical equalizer must be installed alongside a larger booster.
3. The reverberation time can only be reduced with considerable effort and not in a short time, so that this option is normally not used. The consequence of this is that if the desired reverberation time is short, the reverberation recorded in the reverberation room (with a long reverberation time) is added with a large level difference to the direct sound, whereby, as is well known, unpleasant kinked reverberation curves are obtained.
4. Most rooms have too few natural frequencies at low frequencies (up to about 150 Hz). The second method is to create the reverberation artificially, that is, there are many proposed or, to a lesser extent, implemented methods for this purpose. It can be systematically divided into the following groups: 1. The number of repetitions (reflections) of a pulse-like primary sound in a certain time unit is constant.
This group includes the one-dimensional, acoustic sound delay method by means of a sound-conducting pipe (air-borne sound, liquid-borne sound or structure-borne sound) or a rod (structure-borne sound), and the one-dimensional propagation of flexural waves on helical springs made of metal (USA patent 2 230 836), Their disadvantages, in addition to those mentioned later, also include the narrow frequency bandwidth, the unsuitable frequency curve of the reverberation time and the small number of natural frequencies.
These facilities can also include the quasi one-dimensional propagation of sound in a larger space between a reflective parallel pair of walls, with the other two pairs of walls being attenuated. The simple sound delay devices using magnetic sound also fall into this group. The known methods described have in common that the individual reflections are equidistant or almost equidistant in time, which means that the known flutter echoes or a rattling of the reverberation, i.e. no real continuous echo, occurs in the case of impulsive sound.
These known methods only provide a reverberation that meets high demands even with impulsive sound, if the gaps between the reflections are filled by additional devices that are now known, through reflections that become increasingly dense over time or through real reverberation with a small aftertaste reverberation time.
2. The number of reflections in the unit of time increases proportionally with time. As practical tests have shown, the subjective sound impression in this case is equivalent to the case of three-dimensional space, in which the increase is proportional to the square of the time. The linear rise is sufficient to simulate a real room. This group includes the proposed but not implemented methods with the propagation of density sound waves in a room (flat space) that is large in two dimensions and small in the third compared to all wavelengths occurring, so that the speed of sound in the room is frequency-independent .
If the last condition is observed, both with air filling and with liquid filling, the absorption through wall friction is so great that a sufficient reverberation time cannot be achieved. A flat space made of a solid material, i.e. a plate that is excited to produce longitudinal waves, can have sufficiently small attenuation.
But if one demands that the natural vibrations are so dense that, for example, at 100 Hz on every musical quarter tone, i.e. every 3 Hz, one natural vibration is absent, a steel or aluminum plate would have to have an area of around 30,000 m2. Such a device is therefore not feasible, even with lower demands.
The linear increase in reflections over time can also be achieved in a complicated manner and with expensive facilities if you have two reverberation facilities of the first group, e.g. B. devices according to the magnetic sound process, with different reverberation delay times in cascade cascade. Since the inventive, simple and much cheaper device does the same and more, you will make practically no use of the complicated process.
3. The number of reflections in the unit of time increases proportionally to the square of the time. This group includes all methods with three-dimensional acoustic wave propagation in a room, in the case of airborne sound, so the well-known room, whose parts are listed above. Working with liquid and structure-borne sound is practically only possible with feasible dimensions because of the often greater speed of sound, if the sound is transposed from the auditory shell area into the ultrasound area, which has already been proposed and carried out several times.
In order to achieve the density of the natural frequencies given above, one would have to choose a volume of 1/3 m- 'for steel or aluminum with a carrier frequency of 100 kHz (weight for steel 3 to). With such a high frequency, however, a reverberation time of 3 s, which one would at least have to demand as the upper limit, cannot be achieved in the smallest, specially treated pieces, let alone in such a large block, which is otherwise void-free and smooth Surface cannot be produced.
This reverberation time would be possible at 30 kHz, but the steel block would have a weight of 30 t. This method with transposition can only be carried out with liquid-borne sound, for example in a water-filled, damping-free metal basin, both with regard to the required number of natural frequencies and the reverberation time. The latter method has the following disadvantages: a) The liquid evaporates over time, or the basin must be closed airtight on all sides.
b) The liquid must be evacuated before filling so that no gas bubbles fall out, which would increase the damping by orders of magnitude. c) If, in the absence of an airtight seal, the liquid is again saturated with air in the long term, gas can again fall out in bubbles when the temperature rises.
d) It is necessary to transpose the sound to be reverberated twice. In addition, the carrier or the carrier and the second side band must not be emitted in the basin, for which additional electrical equipment, possibly with a quartz filter, is required.
The present invention now relates to a device with which the disadvantages of the listed known devices are avoided. It works with a solid body that is only two-dimensional and very thin in the third, i.e. a solid plate. In contrast to the previously known acoustic processes, the plate is not excited to density or longitudinal waves, but to flexural waves.
While the speed of propagation of the density or longitudinal waves depends only on the material properties of density and elasticity and not on the frequency, the bending wave speed is also dependent on the plate thickness and the frequency.
At very high frequencies it asymptotically approaches the value of the density wave velocity. You can write in the frequency range of interest
EMI0002.0053
cI, = longitudinal wave speed, <I> d = </I> plate thickness, <I> f </I> - frequency.
For very low frequencies, the speed of the bending waves is in the order of magnitude 1000 times smaller than that of the longitudinal waves. In order to get the corresponding natural vibrations of the plate when excited to flexural vibrations, as in the case of longitudinal excitation, the plate must also have dimensions 1000 times smaller. Because of the low speed of the bending waves, it is only possible to create a reverberation device whose active element is a plate excited to flexural vibrations without the need to transpose the sound into a high frequency range.
The spacing of the natural frequencies of the plate to be subjected to bending vibrations is almost constant and is normally a few Hz. One of the advantages of the device according to the invention is therefore the fact that the requirement that several natural frequencies fall on a semitone is slightly down to the can realize the lowest frequencies. The correct dimensions are the thickness of the plate 1 mm, the length and width 1 m. Length and width should be chosen to be of different lengths as far as possible so that natural vibrations of different ordinal numbers do not repeatedly fall on the same frequencies.
If the plate is made of dampening-free metal and the suspension is chosen appropriately, the size and frequency response of the reverberation time of the largest and longest reverberant empty buildings can be reached or exceeded. Suitable types of suspension are, for example, wires that are pulled and tensioned through holes in the edge of the plate and in a frame that is as rigid as possible, or narrow strips of the same piece as the plate. Wires or sheet metal strips that do not consist of one piece with the plate can be attached to the plate more firmly and thus less attenuation by welding or soldering. Fastening with screws is less effective.
In order that undamped natural oscillations of the retaining wires or strips do not interfere with the reverberation, they may have to be damped in such a way that the damping has little or no effect on the plate itself. A favorable decoupling of the wires or strips from the plate is possible by adding large masses to the connec tion points that are rigidly connected to the plate on the one hand and the wires or strips on the other. The plate can also be soldered or welded along the entire edge or at individual points that are slightly curved out of the plane of the plate.
The tension of the suspension represents a second restoring force in addition to the bending stiffness of the plate and must therefore not exceed a certain level in the interests of deep tuning of the plate.
The bending wave speed (independent of the voltage) should in any case be greater than the membrane wave speed (independent of the voltage) in the lower part of the audio frequency range.
Because of the damping-free fastening, the avoidance of disturbing natural frequencies of the suspension and because of the sound-scattering reflections at the edge, it can be useful to make the edge curved instead of straight.
The excitation of the plate to vibrate can be done by a variety of methods, namely using one or more airborne sound transmitters via a coupling air layer or directly, by means of one or more, working according to the known electro-acoustic transducer principles body sound transmitters. As with loudspeakers for airborne sound, dynamic systems have proven to be the best, especially because of their favorable frequency response. The same applies to the sampling of the reverberated sound from the plate. She also eats using airborne sound and structure-borne sound microphones: inöb borrowed.
For the latter, piezoelectric ones are most favorable. When scanning via the airborne sound, one must consider that the plate does not emit any sound waves below the so-called cut-off frequency, which is here at the upper end of the audio frequency range, but only a stationary sound field in front of the plate, which is exponential in phase with the Distance subsides, which is why you have to arrange the microphone (s) close.
One of the greatest advantages of the acoustic reverberation device according to the invention is the possibility of varying the reverberation time using different methods with one hand. The damping of the plate can be done by means of solid bodies, liquids or by absorbing material for airborne sound. For example, one or more thin rubber sheets or sheets that do not touch the reverberation sheet in the undamped state can first be placed at one point on the edge, increasing the length of the contact point until the sheet is under slight tension along the entire length of the edge rests.
The reverberation time changes continuously from that of the undamped plate to fairly small values. The attenuation is stronger at low frequencies than at high frequencies. Any other step-wise or continuously increased contact of the plate with solid damping substances also represents a reduction in the reverberation time within the meaning of the invention.
The plate can also, for. B. at a corner begin Nend, with an ever larger part of an edge are immersed in a dampening liquid, where the reverberation time decreases. In order to increase the length of the damped edge and to allow a slow beginning damping even with a position of the edge parallel to the surface of the liquid, the plate can be provided with deep spikes or be designed like a comb at the bottom. The maximum damping can be influenced by choosing the viscosity of the liquid.
The most favorable form of damping, both with regard to the extent and the frequency response, is that by approaching porous, airborne sound absorbing panels to the reverberation panel without direct mechanical contact. The reverberation time can be varied up to a ratio of 30: 1 and more at low frequencies where the greatest variation is required. A thin layer about 1 mm thick, the flow resistance of which is of the order of magnitude of the acoustic resistance of air, provides favorable results.
The reverberation time can be made from low to medium frequencies independent of frequency like that of a good concert hall or studio. Only at higher frequencies does it drop to a small value that can hardly be determined with the variation. Thicker absorbent layers with lower specific flow resistance can be used to increase the damping, especially at low frequencies, and the same if the porous material is supplemented by plate or hole resonators.
The degree of swallowing of the porous substances can be reduced at high frequencies by means of perforated or slotted plates with a large degree of perforation or by an extremely thin air-impermeable film, so that the reverberation time only begins to decrease at higher frequencies.
To vary the reverberation time, the porous plate or other swallowing arrangements are expediently moved parallel to the reverberation plate by means of a mechanical device or folded around an axis near a plate edge. The movement can be done by hand or by remote control, eg. B. from a control room. The same applies to the other possible variations mentioned above.
The described reverberation device is not sensitive to the reception of interfering sound because there is no actual sound wave radiation. Nevertheless, if the surrounding room is not very quiet, it must be provided with a soundproof casing. It is to be protected against the transmission of disruptive structure-borne noise from the outside and from the mechanics of the damping variation by single or multiple resilient mounting.
The electrical power required for vibrating the plate is only a small fraction of the power required in a conventional room. This is also one of the advantages of the fiction, according to the device, also the excellent frequency curve to be achieved over everything with dynamic excitation and piezoelectric scanning with or without "only little equalization on the transmitting or receiving side.
It is advisable to set up an adjustable treble and bass boost and cut on one or the other side or both in order to achieve timbre effects and to allow an apparent change in the frequency response of the reverberation time and the reverberation impression to a certain extent.
Some details of the invention will be explained in more detail with reference to the embodiments shown in the figures.
In Fig. 1, the reverberation plate 1 made of metal is attached to the frame 2 by means of steel wires 3, which with the help of additional clamping devices, for. B. screws can be clamped.
In Fig. 2, the plate 1 is designed arcuate at the edge. It is welded at points 4 on the frame 2 in such a way that it only touches it at these points.
3 shows a section through the device according to FIG. 2. The plate 1 is connected to the frame 2 at the welding points 5.
It is excited to vibrate via a voice coil 6, which is firmly connected to the plate, for example by cement, and can move freely in the air gap of the permanent magnet 7.
A crystal flexural oscillator 8 is rigidly attached to the plate via a spacer 9 and serves as a structure-borne sound microphone. 4 to 6 show schematically the main possibilities of the additional damping and thus the variation of the reverberation time. In Fig. 4, a rubber sheet 12 hangs on a frame 13. In the upper state it does not touch the plate.
When lowering the frame 13, which is expediently not arranged parallel to the plate edge, the film first touches the upper edge of the plate at one end, then the length of the line of contact increases up to the total length of the plate or the film, the smallest reverberation time being achieved is. The film is then stretched at the end that touches first.
Fig. 5 shows liquid damping of the plate. When it is lowered or when the vessel 14 is raised, the plate 1 first dips with the tips 16 into the liquid 15. With further immersion, the length of the serrated edge of the plate, which comes into contact with the liquid, increases, with the reverberation time falling continuously until the teeth are completely immersed.
FIG. 6 schematically shows the attenuation of the plate 1 suspended from wires 3 on the frame 2 by a porous, airborne sound-absorbing layer 17 which is fastened to a frame 18. As the absorbent approaches, the reverberation time of the plate decreases. The dampening effect is doubled by a second porous layer at the same distance on the other side of the plate.