DE10140646A1

DE10140646A1 - Verfahren und System zur gerichteten Audio-Beschallung

Info

Publication number: DE10140646A1
Application number: DE10140646A
Authority: DE
Inventors: Guido Kolano; Klaus Linhard
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-08-18
Filing date: 2001-08-18
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2021-08-19
Also published as: DE10140646C2; DE50206061D1; EP1284586B1; EP1284586A2; EP1284586A3; US20030035552A1; JP2003163986A

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines gerichteten Audio-Schalls (3) auf der Basis eines amplitudenmodulierten Ultraschall-Trägersignals (2) hoher Intensität. Dabei wird erfindungsgemäß der von einem Ultraschallsender (1) abgestrahlte Schall an einem Reflektor (5) in eine neue Richtung abgelenkt. Durch entsprechende Formgebung der Reflektor-Oberfläche wird dabei der Audio-Schall (3) fokussiert. Der Pegel des Ultraschall-Trägersignals (2) kann durch entsprechend absorbierende Beschichtung des Reflektors (5) gedämpft werden, so dass im Idealfall den Hörer (4) nur das akustische Audio-Signal (3) erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft Systeme, mit denen akustische Signale (wie z. B. Sprache, Musik) erzeugt werden können. Insbesondere betrifft die Erfindung Systeme, bei denen die akustischen Signale im wesentlichen in eine Richtung gebündelt abgestrahlt werden.

Herkömmliche Systeme, bei denen das Audio-Signal als Luftschwingung direkt über Einzellautsprecher oder auch einem Lautsprecherarray abgestrahlt wird, können nur eine relativ begrenzte Bündelung der Schallabstrahlung erreichen. Bei einem neuen Verfahren wird demgegenüber das Audio-Signal nicht direkt abgegeben, sondern als Veränderung der Amplitude (Amplitudenmodulation, AM) einer Trägerschwingung sehr hoher Frequenz (Ultraschall). Das zugrundeliegende physikalische Phänomen der akustischen Wahrnehmung von Summen- und Differenztönen als Folge nichtlinearer Eigenschaften der Luft wurde bereits von dem Physiker Helmholtz im 19. Jahrhundert erkannt und untersucht. Die Anwendung der physikalischen Prinzipien zum Bau eines Ultraschall/Audio-Lautsprechers werden beschrieben von Yoneyama, Fujimoto, Kawamo und Sasabe in 'The audio spotlight: An application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of loudspeaker design', in Journal of the Acustic Society of America, 1983, Seite 1532-1536.

Ein Ultraschall/Audio-Lautprecher erzeugt zunächst ein Trägersignal mit einer Frequenz, die über der oberen Hörgrenze des Menschen liegt, also im Ultraschallbereich. Zur Erzeugung hörbarer Schallschwingungen wird das Trägersignal mit dem zu übertragenden Audio-Signal amplitudenmoduliert. Da das Ultraschall-Trägersignal selbst nicht hörbar ist, kann es mit hohem Schalldruck abgestrahlt werden. Bei diesen hohen Schalldrucken verhält sich die Luft nichtlinear und wirkt daher wie ein Demodulator, der das AM-Signal demoduliert und somit das Audio-Signal als Luftschwingung im hörbaren Bereich wieder erzeugt. Da das hörbare Audio-Signal in dem Medium Luft selbst erst entsteht, nimmt dessen Lautstärke mit dem Abstand vom Sender (Ultraschall-Lautsprecher) zunächst ständig zu und wird dann infolge der Absorption der Luft in größerer Entfernung wieder abnehmen. Dabei ist die zur Abstrahlungsrichtung seitliche räumliche Ausdehnung bzw. Bündelung des generierten Audio-Signals abhängig von der Bündelung des Ultraschall-Trägersignals (Öffnungswinkel des abgestrahlten Ultrachall-Kegels) und i. a. etwas größer als der Ultraschallbereich. Dies kann insbesondere bei beengten Raumverhältnissen (Fahrzeug- Innenraum) zu unerwünschten Reflexionen an Gegenständen führen. Auch die akustische Beschränkung auf nur einen spezifischen Hörer (z. B. Wahl individueller Hörprogramme verschiedener Insassen im Fahrzeug) ist wegen der lateralen Verbreiterung des Audio-Signals kaum erreichbar.

Wesentlich ist bei solchen Systemen mit moduliertem Ultraschallsignal, dass ein gewisser Abstand zum Sender erforderlich ist, um hörbare Signale zu erzeugen. Der Abstand kann bei praktischen Systemen bei ca. 20 cm bis ca. 1 m liegen, so dass bei Einsatz unter beengten Raumverhältnissen (z. B. in Fahrzeugen) besondere technische Probleme (Einhaltung des Mindestabstands zwischen Ultraschall- Lautsprecher und Hörer, gute Justierung des Audio-Schalls auf den jeweiligen Hörer usw.) auftreten können.

Ein weiterer Nachteil besteht in der Notwendigkeit, das Ultraschall-Trägersignal mit hoher Intensität abzustrahlen, da erst bei entsprechend hohem Schalldruck nichtlineare Eigenschaften der Luft auftreten, die für die Demodulation der Audio-Signale erforderlich sind. Bei praktischen Systemen ist zur Erzeugung von Audio-Schall geringer bis mittlerer Lautstärke bereits ein Ultraschallpegel von ca. 130 dB (A) erforderlich. Der übliche Pegel für hörbaren Schall (Musik, Sprache) liegt demgegenüber im Bereich von ca. 30 bis 90 dB (A). Gesundheitliche Auswirkungen durch sehr hohe Ultraschallpegel auf den Menschen sind noch nicht abschließend erforscht. Gerade bei Einsatz in Fahrzeugen (wo u. U. auch mehrere Ultraschallsender gleichzeitig aktiv sein können um für verschiedene Insassen verschiedene Audio Signale zu erzeugen) könnten die hohen Ultraschallpegel evtl. zu unerwünschten Nebeneffekten führen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und System zur gerichteten Abstrahlung von Audio- Schall auf der Basis modulierten Ultraschalls zu entwickeln, das die genannten Nachteile bezüglich Audio- Schallbündelung, notwendigem Abstand zwischen Sender und Hörer und hohem Ultraschallpegel weitgehend überwindet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Die Merkmale einer entsprechenden Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind in Anspruch 7 aufgeführt. Weitere Einzelheiten der Erfindung und Vorzüge verschiedener Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die Abbildungen und darin aufgeführten Bezugsziffern.
Es zeigt:
Abb. 1 ein übliches System zur gerichteten Audio- Beschallung durch Modulation von Ultraschall mit hohem Pegel.
Abb. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Bündelung der Schallabstrahlung in Abhängigkeit von der Frequenz.
Abb. 3 ein System nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Reflektor zwischen Schallquelle und Hörer.
Abb. 4 ein Beipiel für einen Einsatz des erfindungsgemäßen Systems in einem PKW.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst mit einem üblichen System ein amplitudenmoduliertes Ultraschall-Signal von einem Utraschallsender abgestrahlt, wobei sich der Ultraschall in Form eines gebündelten Schallkegels ausbreitet. Abb. 1 zeigt schematisch eine derartige Anordnung. Der Ultraschallsender (1) erzeugt das amplitudenmodulierte Trägersignal, das sich in Form eines gebündelten Ultraschallkegels (2) ausbreitet. Durch den hohen Schalldruck innerhalb des Ultraschallkegels wird der Audio-Schall erzeugt (3), ebenfalls in einem kegelförmigen Bereich. Beide Schall-Kegel erreichen den Hörer (4), der sich in einem Abstand zum Sender befindet, der für die Demodulation des Audiosignals erforderlich ist.
In der Regel ist das Trägersignal stärker gebündelt, d. h. der Ultraschall-Kegel hat, wie in Abb. 2 dargestellt, einen kleineren Öffnungswinkel gegenüber dem Bereich des Audio-Schalls. Dabei sind verschiedene Frequenzen des hörbaren Audio-Schalls im allgemeinen räumlich unterschiedlich stark gebündelt. Abb. 2 zeigt diese räumliche Verteilung der Schallabstrahlung in Abhängigkeit von der Schallfrequenz. Dargestellt sind Messergebnisse an einem Ultraschallsender mit einer Frequenz des Trägersignals von 127 kHz und zwei verschiedenen Frequenzen des in der Luft demodulierten Audio-Signals. In Y-Richtung ist der gemessene dB-Wert der Leistung und in X-Richtung der Abstrahlwinkel in Grad angegeben. Der Winkel von 90 Grad entspricht in dieser Darstellung der Hauptrichtung der Schallabstrahlung (Achse des Schallkegels).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun verhindert, dass das intensive Ultraschall-Trägersignal das Ohr des Hörers direkt erreicht. Hierzu wird ein Reflektor (5) in einem Abstand vom Ultraschallsender (1) in den Ultraschall-Kegel (2) so eingebracht, dass der Schall in eine neue Richtung umlenkt wird. Abb. 3 zeigt eine entsprechende Anordnung, wobei der Schallkegel des Ultraschall-Trägersignals (2) und der Schallkegel des Audio-Signals (3) dargestellt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass das vom Reflektor (5) weitergeleitete Audiosignal (3) auf den Hörer (4) gebündelt werden kann. Dies geschieht vorzugsweise durch entsprechende Formgebung des Reflektors (5), der beispielsweise als konkave Fläche (Kalotte) ausgebildet ist. Damit kann auch bei beengten Raumverhältnissen (Fahrzeug) eine gute Bündelung des reflektierten Schalls (3) auf ein eng begrenztes Raumgebiet (Kopfbereich eines einzelnen Hörers) erreicht werden. Im Idealfall wird nur das Ohr des jeweiligen Hörers erreicht, um weitere Reflexionen am Kopf des Hörers möglichst zu vermeiden.
Durch die Reflexion ist zusätzlich der erforderliche Minimalabstand zur Erzeugung des demodulierten Audio-Signals (3) nicht als direkte, linear freie Distanz zwischen Ultraschallsender (1) und Hörer (4) notwendig, sondern kann durch entsprechende Schrägstellung des Reflektors (5) auch so abgewinkelt werden, dass ein evtl. nur geringer verfügbarer Einbauplatz ausreicht. In einer anderen Ausführungsform können auch mehrere Reflektoren (5) nacheinander gestellt sein und aufeinanderfolgend den Schall weiterleiten, so dass die erforderliche Wegstrecke durch Mehrfachreflexion erreicht wird (nicht abgebildet).
Ein besonderer Vorteil besteht in der Möglichkeit, das Audio- Signal (3) vom Ultraschall-Trägersignal (2) zu separieren. Ist der Weg vom Ultraschallsender (1) zum Reflektor (5) genügend lang, um in der Luft das Audio-Signal (3) zu erzeugen, so wird das Ultraschall-Trägersignal (2) nicht mehr benötigt. Damit kann das (intensive) Ultraschall-Trägersignal abgeschwächt werden, so dass den Hörer (4) der Ultraschall nur noch stark reduziert oder überhaupt nicht mehr erreicht. Hierzu kann ein Mittel in den Schallkegel eingebracht werden, das das Ultraschall-Trägersignal (2) selektiv ausblendet bzw. abschwächt.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Reflektor (5) entsprechend so ausgestaltet, dass er selektive Reflexionseigenschaften aufweist: der Ultraschall (2) wird am Reflektor (5) aufgrund seiner hohen Frequenz durch Absorption deutlich in seiner Leistung reduziert, während der niederfrequente Audio-Schall (3) dagegen nahezu ungeschwächt reflektiert wird. Eine solche selektive Dämpfung am Reflektor (5) kann beispielsweise erreicht werden durch eine Ultraschallabsorbierende Beschichtung des Reflektors. Hierfür eignet sich z. B. feinporiges Material. Im einfachsten Fall kann dafür ein dünner Bespannstoff verwendet werden. Die Ultraschallabsorbierende Schicht kann dabei eine kleinere Fläche haben als die gesamte Reflektorfläche, falls der Ultraschall entsprechend eng gebündelt ist und somit nur einen Teil der Reflektorfläche trifft, während der Audio-Schallkegel u. U. etwas ausgedehnter ist.
Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für den Einsatz in kleinen Räumen, z. B. Fahrzeugen. Abb. 4 zeigt schematisch den Einbau des entsprechenden Reflektor-Systems in ein Fahrzeug. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ultraschallsender (1) in das Armaturenbrett (6) eingebaut. Damit ergeben sich gute Gestaltungsmöglichkeiten bzgl. der notwendigen Einbautiefe, die u. U. auch erforderliche Kühlungsvorrichtungen aufnehmen kann. Das in diesem Beispiel schräg nach oben abgestrahlte Ultraschall-Trägersignal (2) trifft auf den Reflektor (5), der hier im oberen Bereich der Windschutzscheibe (9) angebracht ist, beispielsweise im Übergangsbereich zwischen Windschutzscheibe und Dachhimmel (8) des Fahrzeugs oder als integrierter Teil des Dachhimmels (8). Durch die ultraschallabsorbierende Beschichtung des Reflektors (5) wird das Ultraschallträgersignal stark gedämpft, so dass praktisch nur der hörbare Audio-Schall (3) reflektiert wird. Die Oberflächenkrümmung des Reflektors (5) bewirkt zusätzlich eine Fokussierung des Audio-Schalls (3). Die Hauptrichtung der Reflexion ist so eingestellt, dass die reflektierten Audio- Signale (3) das Ohr des Hörers (4) erreichen. Eine entsprechende Justierung (z. B. zur individuellen Anpassung an die Körpergröße des Hörers oder bei Verstellen der Sitzhöhe) kann über Stellvorrichtungen am Reflektor (5) und/oder durch Veränderung der Abstrahlrichtung am Ultraschallsender (1) - hier im Armaturenbrett - erfolgen.
Grundsätzlich bietet das erfindungsgemäße Reflektor-System den Vorteil, dass alle Komponenten des Systems, die ein größeres Gewicht und ein entsprechendes Volumen aufweisen, in Bereichen des Fahrraums untergebracht werden können, die größeren Platz bieten. Der Reflektor selbst kann relativ dünn und aus einem leichten Material (z. B. Aluminium, Kunststoff usw.) gefertigt sein. Dies ist auch unter Sicherheitsaspekten ein Vorteil, da alle schwereren Komponenten (Ultraschallsender) durch entsprechende Integration in stabile und auch tiefer liegende Bereiche des Fahrzeugs im Falle eines Unfalls entsprechend abgeschirmt sind (Verringerung der Gefahr von Verletzungen im Kopfbereich).
In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt)kann das Reflektor-System durch eine Sicherheitsvorrichtung derart erweitert werden, dass für den Fall einer Annäherung eines Gegenstands oder einer Person an den Bereich hoher Ultraschallintensität (Ultraschall-Kegel zwischen Ultraschallsender und Reflektor) eine automatische Abschaltung bzw. Abschwächung des Ultraschallsignals erfolgt. Die Erkennung des Eindringens in den Ultraschall-Kegel kann in üblicher Weise durch Näherungsdetektoren nach dem Stand der Technik erfolgen, z. B. durch Infrarot- oder Ultraschalldetektoren.
Das beschriebene Verfahren zur gerichteten Audio-Abstrahlung basierend auf einem modulierten Ultraschall = Trägersignal zeichnet sich aus durch geringen Platzbedarf, hohe Bündelung des Audio-Schalls und Verringerung der Ultraschalleinstrahlung auf den Hörer. Es ist insbesondere geeignet für den Einsatz in kleinen Räumen, wie z. B. in Fahrzeugen, wobei bei entsprechender Ausgestaltung auf den einzelnen Plätzen unterschiedliche Audio-Signale angeboten werden können, ohne dass sich akustische Überlagerungen ergeben.

Claims

1. Verfahren zur gerichteten Beschallung eines Hörers (4) mit akustisch wahrnehmbarem Audio-Schall (3) durch Modulation der Amplitude eines intensiven Ultraschall-Trägersignals (2), das von einem Ultraschallsender (1) gebündelt abgestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Audio-Schall (3) mittels eines Reflektors (5) auf den Hörer (4) gerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Audio-Schall (3) durch die Reflexion fokussiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Trägersignal (2) vor Erreichen des Hörers (4) gedämpft wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung des Ultraschall-Trägersignals (2) durch Absorption erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Abstrahlrichtung des reflektierten Audio-Signals (3) verändert werden kann durch Verstellen oder Schwenken des Reflektors (5) und/oder des Ultraschallsenders (1).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Annäherung/Eindringen eines Gegenstands oder einer Person in den Bereich zwischen Ultraschallsender (1) und Reflektor (5) das Ultraschall-Trägersignal (2) in der Intensität verringert oder abgeschaltet wird.

7. Vorrichtung zur gerichteten Beschallung eines Hörers (4) mit akustisch wahrnehmbarem Audio-Schall (3), wobei ein Ultraschallsender (1) ein amplitudenmoduliertes Utraschall- Trägersignal (2) mit hoher Intensität gebündelt abstrahlt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektor (5) vorhanden ist, der den Audio-Schall (3) in Richtung auf den Hörer (4) reflektiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Reflektors (5) eine Krümmung aufweist, dergestalt, dass der Audio-Schall (3) in Richtung auf den Hörer (4) fokussiert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ultraschall-Sender (1) und Hörer (4) ein Mittel eingebracht ist, das die Intensität des Ultraschall- Trägersignals (2) vor Erreichen des Hörers (4) stark verringert.

10. Vorrichtung nach der Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel die Intensität des Ultraschall-Trägersignals durch Absorption verringert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel als Schicht auf die reflektierende Oberfläche des Reflektors (5) aufgebracht ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht nur auf einem Teil der reflektierenden Oberfläche des Reflektors (5) angebracht ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel aus einem feinporigen Material, z. B. Stoff, besteht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Stell- bzw. Schwenkvorrichtungen vorhanden sind, mit denen der Ultraschallsender (1) und/oder der Reflektor (5) mechanisch verstellt werden kann, so dass sich die Richtung des Audio-Schalls (3) verändert.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Detektoren vorhanden sind, die ein Eindringen eines Gegenstands oder einer Person in den Bereich zwischen Ultraschallsender (1) und Reflektor (5) erfassen und eine Verringerung der Intensität bzw. ein Abschalten des Ultraschall-Trägersignals (2) bewirken.

16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, zur gerichteten Beschallung von Insassen eines Fahrzeugs mit Audio-Schall.