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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Aktiv-Richtlautsprecher mit
einem Gehäuse,
mindestens einem im Gehäuse
angeordneten Lautsprecherchassis, einem Leistungsverstärker und
einem durchschnittlichen Bündelungsgrad γ von mindestens
3,5 im Frequenzbereich von 300 bis 5000 Hz und mindestens einem
Mikrofon, sowie ein Verfahren zum automatischen Anpassen der Wiedergabelautstärke eines
einer Hörzone
zugeordneten Richtlautsprechers.
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Ein
solcher Aktiv-Richtlautsprecher ist aus der
US 6650758 B1 bekannt. Der
Aktiv-Richtlautsprecher
weist eine Nullpunkt-Verstellung auf. Die Einstellung erfolgt für einen
Bereich außerhalb
der Hörzone,
so dass Personen, die nicht beschallt werden sollen, von dieser
Regelung profitieren. Eine relative Bewegung des entfernt vom Richtlautsprecher angeordneten
Mikrofons dient zu einem Nachführen des
Nullpunkts.
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Aktiv-Richtlautsprecher
werden zumeist zur Beschallung begrenzter Hörzonen verwendet, um zwar einerseits
eine gute Beschallung begrenzter Hörzonen zu gewährleisten
und andererseits jedoch außerhalb
der Hörzone
möglichst
eine geringe Beeinträchtigung
von sich nicht in der Hörzone
aufhaltenden Personen zu erreichen. Bekannt sind insbesondere Richtlautsprecher
mit Supernieren-Abstrahlcharakter oder horizontal stark bündelnde
Lautsprecherzeilen zur Bildung eines Schallkorridors (siehe z. B.
Abstrahldiagramme der 3 und 5). Solche
Aktiv-Richtlautsprecher werden z. B. für die Tonwiedergabe zu Bildschirmen
oder Beamern oder in Verbindung mit Computerterminals verwendet. Hier
kann das Tonsignal dieser Geräte
unmittelbar in den Aktiv-Richtlautsprecher eingespeist werden. Im Gegensatz
zu üblicherweise
verwendeten Lautsprechern, die im Wesentlichen kugelförmig abstrahlen, weisen
derartige Richtlautsprecher ein stark ausgeprägtes Abstrahlmaximum (Hauptabstrahlachse)
und ein stark ausgeprägtes
Abstrahlminimum (Minimalabstrahlachse) auf. Dies drückt sich
durch den Bündelungsgrad γ von mindestens
3,5 im Frequenzbereich von 300 bis 5000 Hz. aus, wodurch eine eindeutige
Abgrenzung zu solchen im Wesentlichen kugelförmig abstrahlenden Lautsprechern
gegeben ist.
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Für ein gute
Verständlichkeit
ist ein Wiedergabepegel wichtig, der deutlich über dem Grund geräusch liegt.
Andererseits sollen, wie oben bereits erwähnt, Personen, die sich nicht
in der Hörzone
befinden, möglichst
wenig beeinträchtigt
werden. Zwar bieten Aktiv-Richtlautsprecher
hinsichtlich dieses Problems schon einen guten Fortschritt, dennoch
besteht auch hier für
bestimmte Anwendungszwecke Verbesserungsbedarf.
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Aus
der
US 5771297 ist ein
Lautsprechersystem bekannt, bei dem eine akustische Kopplung des
Mikrofons mit dem Lautsprecherchassis herbeigeführt wird. Damit dieses Mikrofon
Hintergrundgeräusche
in der unmittelbaren Nähe
des Lautsprecherchassis ermitteln kann, wird elektronisch das Nutzsignal
des Lautsprecherchassis ausgeblendet (z. B. mittels eines Schalters
abgeschaltet) und der Anteil des Nutzsignals für das Mikrofon erhöht. Unbeeinflusst
von dem Schall der Lautsprechermembran können dann die Umgebungsgeräusche ermittelt werden.
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Aus
der
DE 10107385 A1 ist
ebenfalls eine Vorrichtung zum geräuschabhängigen Einstellen von Lautstärken bekannt.
Bei dieser Vorrichtung werden Geräusche möglichst nahe an ihrem Entstehungsort und
außerhalb
des von dem Lautsprecher beschallten Bereichs aufgenommen und die
derart gewonnenen Signale zur Regelung der Lautstärke verwendet. Als
Beispiel sind Mikrofone im Motorraum, in den Radkästen, im
Kofferraum oder im Zuluftkanal bei einem Kraftfahrzeug angegeben,
um eine Lautstärkeregelung
im Fahrgastraum herbeizuführen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aktiv-Richtlautsprecher
der eingangs genannten Art hinsichtlich seiner Lautstärkeregelung
sowie ein Verfahren zum automatischen Anpassen der Wiedergabelautstärke eines
einer Hörzone
zugeordneten Richtlautsprechers zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird mittels eines Aktiv-Richtlautsprechers gemäß den Ansprüchen 1 oder
2 gelöst.
Demnach weist der Aktiv-Richtlautsprecher als Baueinheit noch zusätzlich mindestens
ein Mikrofon auf. Die Auswertungseinheit ist bevorzugt ebenfalls als
Baueinheit in dem Gehäuse
integriert. Das Mikrofon wird an einer Stelle in oder am Gehäuse platziert, wo
möglichst
ein geringer Einfluss hinsichtlich der Wiedergabe des Aktiv-Richtlautsprechers
vorliegt. Das Mikrofon oder die Mikrofone sind zwar relativ nahe
an der eigentlichen Schallquelle (Lautsprecherchassis) angeordnet;
von dieser aber möglichst
weitgehend schalltechnisch entkoppelt. Das Minimum des abgestrahlten
Schalldrucks hängt
von der Bauform des jeweils verwendeten Aktiv-Richtlautsprechers
ab und muss nicht zwingend eine einzige ausgeprägte Stelle im Gehäuse oder
an der Gehäuseoberfläche sein.
Bei einem Zylinderlautsprecher mit Supernieren-Charakteristik z.
B. handelt es sich um einen zur Gehäusehauptachse symmetrisch umlaufenden
ringförmigen
Bereich. Bei Lautsprecherzeilen liegt dieses Minimum zumeist an
den beiden Stirnseiten. Konstruktionsbedingt ist es nicht immer
möglich, das
Mikrofon oder die Mikrofone exakt an der Stelle des Minimums anzuordnen,
so dass eine in gewissen Grenzen zulässige Abweichung hiervon möglich ist. Allerdings
soll diese etwas lautere Anordnungsstelle nicht dazu führen, dass
der abgestrahlte Schalldruck an dieser Kompromissstelle mehr als
10 dB von diesem Minimum abweicht.
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In
Situationen mit schwankendem Grundgeräusch (Umgebungsgeräusch) in
einer Hörzone,
z. B. in Abhängigkeit
vom Besucheraufkommen und durch andere, z. B. tageszeitlich bedingte
Faktoren, ergibt sich oft die Schwierigkeit, dass die Lautstärke so hoch
eingestellt werden muss, dass bei hohem Grundgeräusch bei normalen Richtlautsprechern zwar
eine gute Verständlichkeit
gewährleistet
ist, wodurch aber andererseits bei sehr geringem Grundgeräusch die
Bereiche außerhalb
der Hörzone
stark beeinträchtigt
werden. Die vorliegende Erfindung schafft hier Abhilfe, indem das
Mikrofonsignal sowie das Nutzsignal einer Auswertungseinheit zugeführt und
von dieser verglichen werden und aus diesem Vergleich eine Regelgröße zur Lautstärkeregelung abgeleitet
wird. Nachdem der von dem integrierten Mikrofon aufgenommene Nutzsignalanteil
im Wesentlichen ein Minimum darstellt, ist die erfindungsgemäße Anordnung
in der Lage, auch auf kleine Schwankungen des Umgebungsgeräusches zu
reagieren und insbesondere bei geringen Lautstärken des Umgebungsgeräusches ein
gutes Regelergebnis zu liefern. Bevorzugt soll die Regelung im Nutzfrequenzbereich
von 300 Hz bis 5000 Hz, also insbesondere im Sprachbereich, erfolgen.
Hierzu ist anzumerken, dass sich die Abstrahlcharakteristik in Lautsprechern
außerhalb
dieses Frequenzbereichs stark ändern
kann, weshalb die hier getroffenen Annahmen sich auf diesen Bereich
beziehen sollen.
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Des
Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch
8 zum automatischen Anpassen der Wiedergabelautstärke eines
einer Hörzone
zugeordneten Richtlautsprechers mit einem Bündelungsgrad γ von mindestens
3,5 im Frequenzbereich von 300 bis 5000 Hz an die Umgebungsgeräusche in
der Hörzone
mit folgenden Schritten gelöst:
Zuführen eines
verstärkten
Nutzsignals zu mindestens einem Lautsprecherchassis;
Erfassen
eines Mikrofonsignals, das den Gesamtschall an einer Stelle in oder
am Lautspre chergehäuse
widerspiegelt, wo der vom Lautsprecher abgestrahlte Schalldruck
ein Minimum aufweist oder maximal 10 dB von diesem Minimum abweicht,
Vergleichen
des Nutzsignal mit dem Mikrofonsignal in einer Auswertungseinheit,
Ableiten
einer Regelgröße aus dem
vorangegangenen Vergleich, die im Wesentlichen von dem Umgebungsgeräusch der
Hörzone
abhängt,
um die Wiedergabelautstärke
an die Umgebungsgeräusche
anzupassen.
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Demnach
entspricht die Regelgröße zur Lautstärkeregelung
im Wesentlichen dem Umgebungsgeräusch,
wodurch eine optimale Anpassung hieran in der Hörzone erfolgt. Sobald die Umgebungsgeräusche in
der Hörzone
sich verringern, erfolgt eine automatische Anpassung, so dass auch Personen,
die sich außerhalb
der Hörzone
befinden, weniger beeinträchtigt
werden.
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Eine
möglichst
gute Verarbeitung und Auswertung der Signale ist insbesondere dann
gegeben, wenn der Energieverlauf pro Zeit des Schalldrucks ermittelt
wird. Hierzu ist bei einer Ausführungsform vorgesehen,
dass die Auswertungseinheit sowohl das Verarbeiten des Nutzsignals
als auch des Mikrofonsignals jeweils eine Filterschaltung, einen
Gleichrichter und einen Integrator umfasst. Bevorzugt ist die Filterschaltung
so ausgelegt, dass sie das Nutzsignal und das Mikrofonsignal jeweils
im Frequenzgang der Charakteristik des menschlichen Gehörs anpasst.
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Bei
einer weiteren Variante umfasst die Auswertungseinheit weiter einen
Differenzverstärker, dem
das verarbeitete Nutzsignal und das verarbeitete Mikrofonsignal
als Eingangsgrößen zugeleitet
sind und der als Ausgangsgröße zumindest
eine Regelvorgröße ableitet.
Aufgrund der Differenzbildung lässt
sich das verarbeitete Nutzsignal im Wesentlichen vollständig aus
dem verarbeiteten Mikrofonsignal entfernen, so dass im Wesentlichen
nur noch der Umgebungsgeräuschanteil
des Mikrofonsignals übrigbleibt
(mit nur noch sehr geringen Anteilen des vom Richtlautsprechers
selbst abgestrahlten Signals).
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Vorteilhafterweise
kann die Auswertungseinheit weiter einen Integrator umfassen, dem
die Ausgangsgröße des Differenzverstärkers zugeleitet
ist und dessen Ausgangsgröße einem
spannungsgesteuerten Verstärker
zugeleitet ist, der mit dem Leistungsverstärker verbunden ist. Bevorzugt
handelt es sich um einen einstellbaren Integrator, der aus dem Differenzsignal
(Ausgangsgröße des Differenzverstärkers) eine
Stellgröße mit variabler
Trägheit
gewinnt.
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Diese
Stellgröße wird
dem spannungsgesteuerten Verstärker
(VCA) zugeführt
und bestimmt dessen Verstärkungsfaktor.
Hierdurch ist weiter gewährleistet,
dass die Wiedergabelautstärke
des Aktiv-Richtlautsprechers proportional mit der Lautstärke des
Umgebungsgeräusches
zu- oder abnimmt, wobei darüber
hinaus die Regelgeschwindigkeit einstellbar sein kann.
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Bei
einer günstigen
Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Auswertungseinheit zum Erfassen des
Nutzsignals die Ausgangsgröße des spannungsgesteuerten
Verstärkers
zugeleitet ist. Die Auswertungseinheit regelt demnach den spannungsgesteuerten
Verstärker
und greift gleichzeitig dessen Ausgangssignal zur weiteren Regelung
ab.
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Bevorzugt
kann der Aktiv-Richtlautsprecher ein Zylinderlautsprecher mit Supernieren-Charakteristik sein
und das mindestens eine Mikrofon an einer Rückseite des Gehäuses seitlich
zur Gehäusemittelachse
um mindestens 25% des Gehäusedurchmessers
versetzt angeordnet sein. Das Abstrahldiagramm eines solchen Zylinderlautsprechers
mit Supernieren-Charakteristik (sieh 3) zeigt,
dass bei 0°,
also frontal vor dem Lautsprecher ein Abstrahlmaximum und ca. bei
135° ein
Abstrahlminimum vorliegt. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass es sich
hierbei um eine Fernbetrachtung handelt, bei der der gesamte Lautsprecher
als Punktschallquelle angesehen wird. Dennoch liefert dieses Abstrahldiagramm
dem Fachmann bereits einen guten Anhaltspunkt, wo nach dem Abstrahlminimum
zu suchen ist. Die eigentliche Vermessung muss dann im Gehäusenahbereich
erfolgen, da es gegenüber
dem Abstrahldiagramm aufgrund der Konstruktion des Gehäuses und
der Anordnung des mindestens einen Lautsprecherchassis hierzu, wenn
auch meistens nur zu kleineren, Abweichungen kommen kann. Der Fachmann findet
demnach aufgrund von Schallmessungen am oder im Aktiv-Richtlautsprecher
das Schalldruckminimum.
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Gleiches
gilt auch bei einer weiteren Ausführungsform, bei der der Aktiv-Richtlautsprecher
eine Lautsprecherzeile ist und das mindestens eine Mikrofon an einer
Stirnseite des Lautsprechergehäuses angeordnet
ist. Aus dem zugehörigen
Abstrahldiagramm (5) ergibt sich ein Abstrahlmaximum
bei 0° und
ein Abstrahlminimum bei 90°.
Aus diesem Grund wird das Mikrofon bei einer solchen Lautsprecherzeile
an der Stirnseite, und hier bevorzugt in deren Zentrum, angeordnet.
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Ergänzend sei
hier erwähnt,
dass es sich bei den verwendeten Mikrofonen bevorzugt nicht um Richtmikrofone,
sondern um Mikrofone mit möglichst geringem
Bündelungsgrad γ han delt,
so dass insbesondere die Geräusche
aus der Hörzone
Berücksichtigung
finden.
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Im
Folgenden wir die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Zylinderlautsprecher mit Supernieren-Charakteristik in einer perspektivischen
Darstellung,
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2 den
Zylinderlautsprecher aus 2 im Vollschnitt,
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3 das
Abstrahldiagramm des Zylinderlautsprechers aus 1,
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4 eine
Lautsprecherzeile mit Richtcharakteristik im Vollschnitt,
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5 ein
Abstrahldiagramm der Lautsprecherzeile aus 4,
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6 ein
schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Aktiv-Richtlautsprechers
und
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7 ein
detailliertes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Aktiv-Richtlautsprechers.
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Der
in den 1 und 2 dargestellte Zylinderlautsprecher
umfasst ein rohrförmiges
Gehäuse 1,
ein koaxial in diesem angeordnetes Lautsprecherchassis 2,
mehrere am Umfang gleichmäßig verteilte
Schallöffnungen 3,
ein an der Rückseite
angeordnetes Mikrofon 7 und eine Auswertungseinheit 8. Die
Vorderseite des Aktiv-Richtlautsprechers ist von einem Frontgitter 4 abgedeckt, über das
der Hauptschall 5 abgestrahlt wird. Das Lautsprecherchassis 2 sitzt
in einem Haltering im Abstand zum Frontgitter 4 etwas ins
Innere des Gehäuses 1 zurückversetzt. Das
Lautsprecherchassis 2 umfasst im Wesentlichen eine Antriebseinheit,
eine von der Antriebseinheit angetriebene Membran und den Haltekorb.
Das Gehäuse 1 ist
ausgehend vom Haltering auf einer Innenfläche mit einem Dämmmaterial
versehen. Über
die seitlich angeordneten Schallöffnungen 3 im
Gehäuse 1 tritt
gegenphasig der rückwärtige Schall 6 des
eingebauten Lautsprecherchassis 2 aus. Hierdurch findet
eine teilweise gegenseitige Auslöschung
der beiden Schallanteile (Hauptschall 5 und rückwärtiger Schall 6)
statt, wodurch die Supernieren-Abstrahlcharakteristik (siehe 3)
entsteht. Dieser Aktiv-Richtlautsprecher weist einen durchschnittlichen
Bündelungsgrad γ von mindes tens
3,5 im Frequenzbereich von 300 bis 5000 Hz auf.
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Das
Mikrofon 7 ist an der Rückseite
des Gehäuses 1 angeordnet,
und zwar seitlich versetzt zur Hauptachse des Gehäuses 1.
Hierbei ist eine Position gewählt,
die möglichst
nahe an der Außenwand des
Gehäuses 1 liegt.
Hauptkriterium für
diese Position ist die Abstrahlcharakteristik des Aktiv-Richtlautsprechers
im Nahbereich. Das Mikrofon 7 soll nämlich am günstigsten im Bereich des Minimums
des vom Aktiv-Lautsprechers abgestrahlten Schalldrucks (in oder
am Gehäuse 1)
angeordnet sein oder an einer Stelle (im oder am Gehäuse 1),
wo der Schalldruck, maximal 10 dB von diesem Minimum abweichen.
Das Mikrofon 7 ist mit einer Steuerelektronik verbunden,
die eine Auswertungseinheit 8 und einen Leistungsverstärker 9 zum
Ansteuern des Lautsprecherchassis 2 umfasst.
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Unter
Zuhilfenahme der 6 und 7 wird nunmehr
die Funktionsweise dieses Zylinderlautsprechers näher erläutert.
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Das
Mikrofon 7 ist mit der Auswertungseinheit 8 verbunden,
die wiederum Einfluss auf den Leistungsverstärker 9 zur Ansteuerung
des Lautsprecherchassis 2 nimmt. Im Detail und insbesondere
in 7 ist zu erkennen, dass die Auswertungseinheit 8 zur
Verarbeitung des Mikrofonsignals eine Filterschaltung 12,
einen Gleichrichter 14 und einen Integrator 16 umfasst.
Des Weiteren ist eine spannungsgesteuerte Verstärkerstufe 19 vorgesehen,
deren Ausgangssignal von der Auswertungseinheit 8 abgegriffen
wird. Dieses Ausgangssignal entspricht im Wesentlichen dem Nutzsignal.
Zur Verarbeitung dieses Nutzsignals weist die Auswertungseinheit 8 eine Filterschaltung 11,
einen Gleichrichter 13 und einen Integrator 15 auf.
Die Filterschaltung 12 sorgt dafür, dass das zuvor von einem
Vorverstärker 10 im
Pegel angehobene Mikrofonsignal im Frequenzgang der Charakteristik
des menschlichen Gehörs
angepasst wird. Gleichzeitig sorgt die Filterschaltung 11 dafür, dass
der Frequenzgang des Nutzsignals dem des gefilterten Mikrofonsignals
angeglichen wird. Das verarbeitete Mikrofonsignal und das verarbeitete
Nutzsignal werden beide als Eingangsgrößen einem Differenzverstärker 17 zugeführt. Dieser
bildet die Differenz aus aufbereitetem Nutzsignal und aufbereitetem Mikrofonsignal,
wodurch an seinem Ausgang ein Signal entsprechend dem Umgebungsgeräuschanteil des
Mikrofonsignals übrigbleibt,
mit nur noch sehr geringen Anteilen des vom Richtlautsprecher selbst
abgestrahlten Signals. Dieses Signal (Regelvorgröße) wird einem einstellbaren
Integrator zugeführt,
der daraus eine Stellgröße mit variabler
Trägheit
gewinnt. Diese Stellgröße wird
der spannungsgesteuerten Verstärkerstufe 19 zuge führt und
bestimmt deren Verstärkungsfaktor.
Die spannungsgesteuerte Verstärkerstufe 19 gibt
ihr Signal an den Leistungsverstärker 9,
der wiederum das Lautsprecherchassis 2 antreibt, ab. Diese
Schaltung gewährleistet,
dass die Wiedergabelautstärke
des Richtlautsprechers proportional mit der Lautstärke des
Umgebungsgeräusches
zu- oder abnimmt, wobei die Regelgeschwindigkeit einstellbar ist.
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Im
Folgenden wird anhand der 4 und 5 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert.
Gleiche und ähnliche Bauteile
werden mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Es wird im Folgenden
daher nur auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen.
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In
der in 4 dargestellten Lautsprecherzeile sind elf Lautsprecherchassis 2 nebeneinander angeordnet.
Führt man
eine Fernbetrachtung durch, bei der die Lautsprecherzeile als Punktschallquelle angesehen
wird, so ergibt sich das in 5 dargestellte
Abstrahldiagramm. Das Mikrofon 7 ist an einer Stirnseite
des Gehäuses 1 angeordnet,
und zwar im Wesentlichen im Zentrum von dieser. Die Schaltungsanordnung
ist im Wesentlichen identisch, so dass im Zusammenhang mit den 6 und 7 auf
die obige Beschreibung verwiesen wird. Im Nahbereich entsteht selbstverständlich ein
Schallkorridor entsprechend der Breite der Lautsprecherzeile. Der Bündelungsgrad γ beträgt bei diesem
Lautsprechertyp ungefähr
4 bis 6.
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Bei
beiden Ausführungsformen
werden Mikrofone 7 eingesetzt, die einen möglichst
geringen Bündelungsgrad
(keine Richtcharakteristik) aufweisen. Es handelt sich hierbei um
die üblichen,
einfach erhältlichen,
Mikrofone. Es ist auch durchaus denkbar, eine maximale Abweichung
von 10 dB vom Minimum zur Bestimmung der Mikrofonposition zu verwenden.
Mittels der Steuerelektronik soll der Regelbereich des Aktiv-Richtlautsprechers
mindestens 10 dB, bevorzugt mindestens 15 dB oder mehr, betragen.