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Erfindungsgebiet
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Die Erfindung betrifft eine variable Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten. Die von den Schallwandlern der Anordnung erzeugten Elementarwellen werden nach Huygens Prinzip zu einer geschlossenen Wellenfront zusammengesetzt, der durch eine variable mechanische Anordnung der einzelnen Schallwandler zueinander, die mit einer elektronischen Zeitverzögerung einzelner Signale gekoppelt sein kann, eine der jeweiligen Anwendung angepasste Form und Ausrichtung gegeben wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Punktförmige Schallquellen strahlen gleichmäßig in alle Richtungen ab. Oft ist es aber unabdingbar, die Abstrahlung von Schallwandlern in eine bestimmte Richtung zu lenken. Dazu bedarf es einer räumlichen Ausdehnung des emittierenden Systems, die wenigstens die halbe Länge der abgestrahlten Wellenfront hat. Eine weit verbreitete Lösung zur Ausrichtung der Abstrahlung ist es, mehrere Schallwandler in einer Reihe als sogenannte Schallzeilen einzubauen. Senkrecht aufgestellt haben diese in der Azimut Ebene die Abstrahlcharakteristik des einzelnen Schallwandlers, in der Elevationsebene bildet sich aber eine deutliche Richtwirkung aus.
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Sie entsteht deshalb, weil nur in der Achse der Schallzeile alle Signale der einzelnen Schallwandler nahezu zur gleichen Zeit in einem Punkt eintreffen. Nur dort addiert sich ihr Schalldruck im gesamten Übertragungsbereich. Außerhalb dieser Achse kommt es zuerst bei kurzen Wellenlängen, also im oberen Übertragungsbereich, zu Auslöschungen der Signale weil sie in bestimmten Winkeln mit annähernd gleicher Amplitude aber entgegengesetzter Phasenlage eintreffen. Neben diesen Nullstellen bilden sich sogenannte Nebenzipfel aus, die durch die endliche Zahl der Elementarwellen, aus denen sich die Wellenfront zusammensetzt, bedingt sind.
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Durch die mechanische Anordnung kann die Abstrahlcharakteristik einer solchen Gruppe von kohärent angesteuerten Schallwandlern auch den gegebenen Erfordernissen angepasst werden. Ein Beispiel dafür sind die Line-Arrays, meist als „Banane” übereinander aufgehängte Einzellautsprecher, die in die weit entfernten Publikumsbereiche von Großveranstaltungen durch ihre Richtwirkung mehr Schallenergie abstrahlen als in den Publikumsbereich unmittelbar vor der Bühne. In der Azimut Ebene haben auch die Line Arrays die breite Abstrahlcharakteristik der einzelnen Lautsprecherboxen.
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In der Elevationsebene ist es auch möglich, die Richtcharakteristik solcher Schallzeilen oder Line-Arrays elektronisch zu beeinflussen. Dann werden die einzelnen Schallwandler nicht mehr kohärent angesteuert, sondern die Signale für jeden einzelnen Schallwandler werden elektronisch gegeneinander verzögert. Sie treffen dann nicht mehr gleichzeitig in der Hauptachse ein, sondern in einer neuen, durch die Verzögerungszeiten der Einzelstrahler gegeneinander bestimmten Achse. So wird die mechanische Krümmung des Systems durch die elektronische Verzögerung der Einzelsignale emuliert.
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Oft ist es aber notwendig, den Schall nicht nur in einer Ebene auszurichten. Wenn nur ein bestimmter Bereich oder nur ein bestimmter Raumpunkt mit Schall versorgt werden soll, so muss die Abstrahlung einer Strahler Gruppe in zwei Raumachsen ausgerichtet werden.
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Eine elektronisch steuerbare Möglichkeit dazu ist eine zweidimensional aufgebaute Wandler Anordnung, die nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese [1] aufgebaut ist. Jedoch ist der Aufwand dafür enorm hoch, so dass er wirtschaftlich meist nicht zu vertreten ist.
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Eine andere Lösung ist der Einsatz von gekrümmten Reflektoren [2]. Eine Punktschallquelle im Brennpunkt eines Parabolspiegels kann so eine parallele Wellenfront erzeugen, die den Schall mit annähernd gleichem Pegel über große Distanzen trägt. Solche Reflektoren können auch so gekrümmt werden, dass sich der Schall in einem Focus Punkt bündelt [3].
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Ein interessanter Ansatz um den Schall sehr gezielt auf einen engen Bereich zu begrenzen findet ist in [4] beschrieben. Die 192 Schallwandler im „Sonic Chandillier” bündeln den Schall extrem scharf in einer Richtung.
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Derart gerichtete Wellenfronten haben ganz entscheidende Vorteile gegenüber der relativ wenig gerichteten Abstrahlung einzelner Schallwandler. Sie regen nur wenig unerwünschte Reflexionen des Wiedergaberaumes an. Seine Akustik wird deshalb für die Wiedergabe weniger bedeutsam. Gerade unter ungünstigen akustischen Bedingungen ist das ein entscheidender Vorteil. Die Sprachverständlichkeit wird signifikant erhöht weil der Direktschallanteil größer wird. Das Schallfeld kann auf einen dedizierten Bereich eingegrenzt werden um angrenzende Bereiche weniger zu stören.
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Die Oberfläche einer gerichteten Wellenfront wächst langsamer mit der Entfernung von der Schallquelle als dies bei der sphärischen Abstrahlung einer Punktschallquelle der Fall ist. Mit einer ausreichenden Anzahl von Schallwandlern kann auch eine parallele Wellenfront gebildet werden, deren Pegel theoretisch, abgesehen von Beugungsverlusten und Luftschalldämmung, nicht mit der Entfernung abnimmt. Bei konkaven Wellenfronten ist der Pegel des Signals im Focus Punkt sogar viel höher als an den Schallwandlern selbst.
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Leider ist die in [4] beschriebene Anordnung aus Schallwandlern nicht variabel. Sie kann nicht an wechselnde Anforderungen an die Abstrahlcharakteristik angepasst werden. Die Anforderungen an die Ausrichtung der Wellenfront variieren aber sehr stark mit der Anwendung.
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Ziel der Erfindung
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Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine variable Vorrichtung aus Schallwandlern aufzubauen, die den jeweiligen Anforderungen an die Form der zu erzeugenden Wellenfront angepasst werden kann. Dabei soll der hohe Aufwand vermieden werden, den eine rein elektronische Ausrichtung einer Wellenfront erfordert.
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Eine gerichtete Wellenfront, die aus der Überlagerung der Elementarwellen entsteht, soll durch die mechanische Formgebung einer variablen Vorrichtung aus Schallwandlern auf den Bereich der Zuhörer ausgerichtet werden. Die einzelnen Elemente der Vorrichtung sollen zu einer skalierbaren Gesamtgröße der Vorrichtung zusammengesetzt werden können und wiederverwendbar sein. Dabei sollen die akustischen Elementarwellen der einzelnen Elemente so zusammengesetzt werden können, dass sie konvexe oder konkave Wellenfronten erzeugen.
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Mit den so erzeugten konvexen Wellenfronten soll ein ausgewählter Versorgungsbereich vor der Anordnung aus Schallwandlern mit deutlich mehr akustischer Energie versorgt werden können, als die Gebiete außerhalb dieses zu Versorgenden Bereiches. Bei einer konkaven Oberfläche der Anordnung soll die Schalleistung der Anordnung aus Schallwandlern in einem oder mehreren Punkten fokussierbar sein.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Die vorstehenden Aufgaben sowie weitere der Beschreibung zu entnehmende Aufgaben werden von einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine variable Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten aufgebaut, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung aus mehr als zwei einzelnen Gehäusen mit Schallwandlern besteht, die sich mittels einer formschlüssigen Verbindung zwischen den einzelnen Gehäusen so gegeneinander verschieben lassen, dass die akustischen Zentren der einzelnen Schallwandler in zwei Raumachsen an der Form der zu erzeugenden Wellenfront so ausgerichtet werden können, so das durch die Verschiebung der Gehäuse gegeneinander sowohl Konkave als auch Konvexe Schallwellenfronten auch dann erzeugt werden können, wenn alle Schallwandler aus einer gemeinsamen Quelle mit dem gleichen Audiosignal versorgt werden. So lässt sich die Abstrahlung der Anordnung aus Schallwandlern auf den gewünschten Bereich ausrichten.
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Dabei ist es nicht notwendig, die einzelnen Schallwandler auf den Zuhörer auszurichten. Solange der Durchmesser der Schallwandler klein bleibt in Bezug auf die Wellenlänge des abgestrahlten Audiosignals, strahlt jeder einzelne Schallwandler relativ gleichmäßig in alle Richtungen. Erst die Überlagerung der Wellenfronten gibt der gemeinsamen Wellenfront ihre Ausbreitungsrichtung. Deshalb ist es möglich, die einzelnen Gehäuse der Schallwandler einfach parallel gegeneinander zu versetzen.
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Die flächige Ausdehnung der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten bringt einen Vorteil mit sich. Die Anpassung der Schallwandler an den Lastwiderstand der Luft verbessert sich signifikant. Den Bewegungen einer einzelnen Membran kann die Luft wegen ihrer geringen Viskosität leicht zur Seite ausweichen, der Schallwandler arbeitet bei niedrigen Signalfrequenzen praktisch fast ins Leere. Diese Fehlanpassung führt zu dem sehr niedrigen Wirkungsgrad, den einzelne Schallwandler mit geringen Membrandurchmessern im Bass- und Grundtonbereich haben. Die nahe beieinander angeordneten Schallwandler der variablen Vorrichtung zur Überlagerung von akustischen Elementarwellen lassen ein ausweichen der Luft nicht zu, weil benachbarte Schallwandler im gleichen Moment denselben Schalldruck erzeugen. Der Wirkungsgrad steigt und die Eigenresonanz des Schallwandlers sinkt durch die Masse der vorgelagerten Luftsäule. Entsprechend muss der Frequenzgang der variablen Vorrichtung zur Überlagerung von akustischen Elementarwellen abhängig von Ihrer Gesamtgröße entzerrt werden.
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Durch diese Entzerrung wird es möglich, mit dem verbesserten Wirkungsgrad der Schallwandler im Bassbereich und ihrer zu tieferen Frequenzen hin verschobenen Eigenresonanz auch mit Schallwandlern geringen Durchmessers und relativ hoher Freifeldresonanz bis in tief den Grundtonbereich hinein ausreichenden Schalldruck zu erzeugen. Dabei bleiben die Membranauslenkungen der einzelnen Schallwandler gering, weil die resultierende Gesamtmembran sehr groß wird.
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Andererseits sind Schallwandler geringen Durchmessers in der Lage, im gesamten Übertragungsbereich schnell auf Signaländerungen zu reagieren. Dabei treten die deutlich hörbaren Einbrüche in der Frequenzgangkurve durch Reflexionen von der Membraneinspannung und die Biegewellen auf der Membran selbst, die bei Lautsprechern großen Durchmessers nicht zu vermeiden sind, kaum auf. Die variable Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten kann deshalb, abhängig von ihrer Gesamtgröße, vom tiefen Grundtonbereich bis hin zur oberen Übertragungsgrenze der einzelnen, kleinen Schallwandler das gesamte Audiospektrum aus einem einzigen Ausgangspunkt im Zentrum des Krümmungsradius erzeugen.
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Das vermeidet die Phasenprobleme, die bei einer Aufteilung des Audiospektrums auf mehrere räumlich getrennte Schallwandler zwangsläufig auftreten. Die Entfernung zweier Raumpunkte kann nur zu einem einzigen Punkt In der horizontalen Ebene gleich sein. Bei allen anderen Zuhörern treffen die einzelnen Komponenten des Signals zu unterschiedlichen Zeiten ein.
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Zudem gewährleistet die kurze Reaktionszeit der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten über den gesamten Übertragungsbereich ein sehr gutes Impulsverhalten, eine der wichtigsten Voraussetzungen eine hochwertige Audiowiedergabe.
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Ein weiterer, wesentlicher Vorteil der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten ist es, das die Krümmung ihrer Oberfläche durch die Lage des virtuellen Ausgangspunktes der Schallwellenfront bestimmt werden kann. Je weiter das Zentrum der Krümmung hinter die Strahler Fläche gelegt wird, desto enger wird der Abstrahlwinkel. Die direkte Welle, die scheinbar von der virtuellen Schallquelle ausgeht, ist prinzipiell nur in dem Bereich zu hören, in dem sie von der Zuhörerposition aus nach zu sehen wäre. Dieser Umstand lässt sich nutzen, um die Abstrahlung der Wellenfront auf einen gewünschten Bereich zu begrenzen.
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So lässt sich die Form der Wellenfront an den gewünschten Versorgungsbereich anpassen. Prinzipiell ist die virtuelle Schallquelle, die im Zentrum des Krümmungsradius der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten entsteht, abgesehen von den Beugungs- und Aliasingeffekten die wegen ihrer endlichen Größe entstehen, nur dort zu hören wo sie vom Zuhörer aus im Bereich der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten angeordnet ist.
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Ein großer Abstand des Mittelpunktes des Krümmungsradius zur variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten bietet einen deutlichen Vorteil gegenüber konventionellen Schallwandlern. Ihre Oberfläche ist dann nur wenig gekrümmt. Entsprechend langsam wächst dann auch die Oberfläche der von ihr abgestrahlten Wellenfront mit der Entfernung. Bei einer entsprechend großen Gesamtanordnung ist dann der Schalldruck unmittelbar vor der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten kaum höher als in vielen Metern Abstand. Deshalb können die Probleme, die wegen des gesundheitsgefährdend hohen Schalldruckes in der Nähe der Schallwandler konventioneller Beschallungsanlagen auftreten, deutlich reduziert werden.
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Zudem steigt die Rückkopplungsgrenze bei einer großen, wenig gekrümmten variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten im Vergleich zu konventionellen Beschallungsanlagen sehr weit an, wenn ein Künstler mit seinem Mikrofon im Bereich vor den Schallwandlern auftritt. Hier ist der Schalldruck unmittelbar vor den Schallwandlern nicht viel höher als im Publikumsbereich, während er bei Punktschallquellen entsprechend einer 1/r Funktion unmittelbar vor den Schallwandlern sehr stark ansteigt. Die Differenz der beiden, entfernungsabhängigen Werte ist auch die Differenz in der gesamten Schleifenverstärkung, welche den Einsatzpunkt der akustischen Rückkoppelung bestimmt.
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Ein weiterer Vorteil solch einer weit hinter der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten angeordneten virtuellen Schallquelle ist es, das die scheinbar weit entfernten Ausgangspunkte der Wellenfronten kaum ihre Richtung ändern wenn der Zuhörer seine Position im Wiedergabebereich ändert. Das vergrößert den sweet spot einer Stereo- oder Sourround-Wiedergabe, wenn die Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten so breit ausgeführt wird, das der Zuhörer im Versorgungsbereich bleibt.
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Die Ausrichtung der einzelnen Schallwandler zueinander kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann in entsprechenden 3D CAD-Programmen eine Anordnung bestimmt werden, in der die akustischen Zentren der einzelnen Schallwandler den gleichen Abstand zu einer virtuellen Schallquelle oder zu dem gewünschten Fokuspunkt haben. Daraus können Schablonen angefertigt werden, an denen die einzelnen Gehäuse vor ihrer Arretierung in Zeilen und Spalten ausgerichtet werden.
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Eine weitere Möglichkeit, die Schallwandler auszurichten bietet eine geometrische Berechnung ihrer Position in einem Koordinatensystem. Nach der berechneten Tabelle können dann die Distanzen der Frontplatte jedes einzelnen Gehäuses zu einer Ebene vor der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten oder zu einem Bezugspunkt im Koordinatensystem gemessen und eingestellt werden.
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Für Focus Punkte ergibt sich darüber hinaus die Möglichkeit, im Focus Punkt ein Mikrofon aufzustellen und einen Bezugslautsprecher in der Mitte der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten mit einem sich wiederholenden kurzen Impuls zu versorgen. Das gleiche Signal wird dann nacheinander auf jeden der auszurichtenden Schallwandler geroutet und er wird dann so weit verschoben, bis die Impulsflanken im Oszillogramm übereinstimmen.
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Wenn die eingestellte Oberflächenform der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten an anderen Einsatzorten in der gleichen Konfiguration wieder verwendet werden soll, so ist es nicht notwendig die ganze Vorrichtung in jedes Einzelne Gehäuse zu zerlegen. Der Versatz kann an den Schnittstellen transportabler Einheiten markiert werden. Dann wird die Formschlüssige Verbindung nur an diesen Stellen gelöst und der entstehende Block wird fertig montiert zum nächsten Einsatzort transportiert.
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Ein wesentlicher Vorteil der mechanischen Ausrichtung der Schallwandler gegenüber den elektronischen Lösungen zur Steuerung der Richtwirkung von Lautsprechergruppen ist es, dass nicht jeder Schallwandler seinen eigenen Verstärker und aufwendiges Signalprozessing zur Ansteuerung benötigt. Die einzelnen Schallwandler können durch geeignete Kombinationen aus Reihen- und Parallelschaltungen so miteinander verbunden werden, dass sie sich an einen gemeinsamen handelsüblichen Endverstärker anschließen lassen.
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Das schließt nicht aus, dass die einzelnen Gehäuse mit einer kleinen, eigenen Endstufe bestückt werden können. Die Verkabelung der Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten ließe sich damit einfacher gestalten, zumal die Versorgungsspannung für die Endstufen aus einem gemeinsamen Netzteil bereitgestellt werden könnte.
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Bevorzugte Ausführungsformen
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Einige bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung dargestellt, sollen aber die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzen.
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Mit den gegeneinander verschieben der Einzelgehäusen mit den Schallwandlern kann die gewünschte Form einer Wellenfront ausgebildet werden. Sie kann konvex aufgebaut eine gerichtete Abstrahlung auf den gewünschten Bereich oder konkav zusammengesetzt einen Focus Punkt ausbilden, in dem sich die gesamte Schallenergie der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten sammelt.
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Eine formschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Gehäusen lässt sich vorteilhaft ausführen, wenn sie aus Profilmaterial mit entsprechender Ausgestaltung der Außenwände ausgeführt werden. Aber auch jede andere Art der formschlüssigen Verbindung ist möglich.
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Auch für die Arretierung der einzelnen Gehäuse nach erfolgter Ausrichtung gibt es viele Möglichkeiten. Sinnvoll wäre zum Beispiel eine exzentrische Verriegelung der Gehäuse an ihrer Rückwand, die gegen die Seitenwand des benachbarten Einzelgehäuses drückt und so eine weitere Verschiebung der Gehäuse gegeneinander verhindert.
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Dabei kann es notwendig werden, die Front der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten stark zu krümmen. Wenn die einzelnen Gehäuse der variablen Vorrichtung nicht tief genug sind, um eine formschlüssige Verbindung der Einzelgehäuse zu gewährleisten. Dann kann es notwendig werden, stabilisierende Elemente zwischen ihnen einzufügen. Das können zum Beispiel kurze Rahmen aus dem Gehäuseprofil sein, aus denen auch die Einzelgehäuse gefertigt werden.
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In einer bevorzugten Anwendung der variablen Vorrichtung zur Überlagerung von akustischen Elementarwellen lassen sich auch zwei verschiedene Krümmungen der Strahler Fläche ineinander verschachteln. Entsprechend werden die einzelnen Schallwandler in ihren Gehäusen alternierend den verschiedenen Ebenen zugeordnet und dem der jeweiligen Krümmung zugeordneten Signal versorgt.
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Laufen die Ebenen von ineinander verschachtelten variablen Vorrichtungen zur Ausrichtung von Schallwellenfronten weit auseinander, so können sie mit entsprechend langen Verbindungselementen zusammengehalten werden. In jedem Fall ist dabei aber zu gewährleisten, dass die Gesamtfläche jeder Ebene geschlossen bleibt. Schalldurchgänge zwischen Front- und Rückseite im Bereich der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten würden den Vorzug der besseren Anpassung der Schallstrahler an den Lastwiderstand der Luft in der Gesamtfläche zu Nichte machen.
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Eine andere Möglichkeit, die in einem solchen Fall entstehenden Lücken zu schließen ist es, Gruppen von Schallwandlern innerhalb der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten zeitversetzt anzusteuern. Der Teil der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten, in dem der mechanische Versatz der einzelnen Gehäuse gegeneinander die mechanische Stabilität der Gesamtvorrichtung nicht gefährdet, wird dann mechanisch versetzt. Dort, wo der Krümmungsradius der Wellenfront gering wird und es schwierig wird, eine geschlossene mechanische Struktur aufrecht zu erhalten, ist es auch möglich den mechanischen Versatz der Einzelstrahler mit einem elektronischen Versatz zu kombinieren.
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Sind die Teilflächen ausreichend groß, so erlaubt die Fokussierung der Signale es sogar, beiden Ohren eines Zuhörers an einem vorgegebenen Punkt unterschiedliche Signale zuzusenden. Der so entstandene virtuelle Kopfhörer ermöglicht eine gute räumliche Wiedergabe von individuellem Content zum Beispiel auch dort, wo wegen den damit verbundenen hygienischen Problemen das Tragen von konventionellen Kopfhörern ausgeschlossen ist, eine Wiedergabe des Signals außerhalb des gewünschten Spots aber störend ist.
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Werden die Focus Punkte der Teilflächen räumlich weiter voneinander getrennt, so können sich auch verschiedene Zuhörer in den Brennpunkten aufhalten. Dann kann ihnen auch unterschiedliche Content zugeordnet werden. Zum Beispiel könnten vor dem Bildschirm einer Präsentation auf Messen und Ausstellungen Punkte markiert werden, in denen verschiedene Sprachen zu hören sind. Auch hier nimmt der Schalldruckpegel außerhalb der Focus Punkte schnell ab.
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Soll zum Beispiel eine gekrümmte Form der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten in ihrem Brennpunkt eine fokussierte Schallquelle erzeugen, so kann der innere Bereich leicht aus nur wenig gegeneinander versetzten Schallwandlern realisiert werden. Wenn die Gesamtfläche der Vorrichtung dabei groß ist und der Brennpunkt nicht weit von ihr entfernt ist, so werden die Verschiebungen der einzelnen Schallwandler zueinander im Außenbereich der Anordnung sehr groß. Es entsteht zwangsläufig auch eine große Bau Tiefe der Anordnung, die sich möglicherweise am Aufstellungsort nicht mechanisch unterbringen lässt.
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Dann bietet eine Kombination aus der mechanischen Krümmung der Fläche mit einer partiellen elektronischen Verzögerung von Schallwandler Gruppen eine Lösung. Dabei werden die äußeren Schallwandler in senkrechten Spalten zusammengeschaltet und zuerst mit dem Audiosignal versorgt. Die weiter innen liegenden Spalten erhalten ihr Signal so weit verzögert, das es gleichzeitig mit dem Signal der äußeren Spalte, das einen längeren Schallweg zum Zuhörer hat, bei ihm eintrifft. Zuletzt wird der innere, in zwei Achsen gekrümmte Bereich der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten mit dem Audiosignal versorgt.
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Eine solche Kombination aus mechanischer und elektronischer Verzögerung ganzer Gruppen von Elementarwellen hat eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten. Sie lässt sich auch einsetzen, wenn die variable Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten als Rahmen rings um eine Fläche zur Bildwiedergabe angeordnet wird. Solange die Fläche zur Bilddarstellung schallhart ausgeführt und zu der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten hin abgedichtet ist, profitieren die Strahler wegen der Halbraumabstrahlung zumindest mit +6 dB höherem Pegel im Bass- und Grundtonbereich.
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Wie bei den anderen fokussierten Schallquellen kann es bei dieser Anwendung nötig werden, die Wellenfronten nicht auf einen einzelnen Punkt, sondern auf einen vertikal begrenzt ausgedehnten Bereich auszurichten. Das ist sehr einfach möglich, indem für die Krümmung der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten in der vertikalen Ebene ein größerer Radius gewählt wird als für die Krümmung in der horizontalen Ebene.
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Dann entstehen zum Beispiel vor der Bildwiedergabe nicht zwei Focus Punkte, sondern zwei Bereiche mit einer definierbaren vertikalen Ausdehnung, in denen auch Zuschauer verschiedener Größe den Stereoeindruck der virtuellen Kopfhörer haben. Der Abfall des Schallpegels seitlich von diesem Bereich bleibt dann unverändert, jedoch wird sich das Signal hinter dem Zuhörer weiter ausbreiten als bei den engen Focus Punkten.
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Ein solcher Rahmen um eine Bildwiedergabe, der mit seiner Ausrichtung an die Verhältnisse im Wiedergaberaum angepasst werden kann, bietet auch im Heimkinobereich eine Lösung, den Direktschallanteil des Centerkanals am Zuhörerplatz zu erhöhen. Das erhöht den Direktschallanteil am Zuhörerplatz. Die Sprachverständlichkeit wird deshalb besser und die störenden Reflexionen eines akustisch ungünstig gestalteten Wiedergaberaumes verlieren an Einfluss.
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Werden die variablen Vorrichtungen zur Ausrichtung von Schallwellenfronten breit genug gestaltet, kann zudem auch der Heimbereich wegen des hohen Direktschallanteils, gepaart mit dem guten Impulsverhalten der Vorrichtung und dem erweiterten sweet spot wegen der weit entfernten virtuellen Schallquellen einer mäßig gekrümmten Anordnung zu einem interessanten Anwendungsgebiet der Erfindung werden.
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Der hohe Direktschallanteil in einem engen fokussieren Bereich lässt viele Anwendungen der variablen Vorrichtungen zur Ausrichtung von Schallwellenfronten zu. An Büroarbeitsplätzen ist es oft sehr störend, wenn sich der Schall ungewollt im ganzen Raum ausbreitet. Aus einer Vielzahl solcher Einzelsignale entsteht oft ein hoher Diffusfeld-Schallpegel, der sich an jeder Stelle des Raumes verteilt. Abhilfe bietet dann nur die Arbeit unter Kopfhörern. Abschirmwände, wie sie auch zwischen den Arbeitsplätzen in Call-Center aufgebaut werden, könnten das Problem lösen wenn sie mit einer variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten kombiniert aufgebaut würden. In den Focus Punkten wäre es nicht nur möglich, die Signale ohne Störung der anderen Mitarbeiter zu hören.
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Ein anderes Anwendungsfeld für die variable Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten eröffnet sich zum Beispiel in Theatern. Gerade in den großen Häusern besteht dort oft das Problem, das die Akteure auf der Bühne ohne elektroakustische Hilfsmittel nicht laut genug sind. Mit entsprechender Verstärkung lässt sich dieses Problem zwar lösen, aber es entsteht eine neue Schwierigkeit. Die erste Wellenfront der Schallstrahler ist dann im Publikumsbereich meist lauter als der Akteur selbst. Entsprechend nimmt man seine Stimme über der Bühne oder aus der Richtung des rechten oder linken Lautsprechers wahr, was den künstlerischen Eindruck der Aufführung ganz erheblich beeinträchtigt.
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Aus der Sicht der Künstler ist das ein ganz schwerwiegendes Problem, das man heute mit aufwendigen technischen Mitteln versucht abzumildern. Jedoch fehlt dabei bisher ein Vorschlag, wie die Schallwandler unauffällig in der Elevationsebene der Akteure untergebracht werden können.
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In vielen Fällen bietet sich eine Lösung für dieses Problem mit Hilfe der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten an. Sie könnten auch so angeordnet werden, dass sie wechselseitig nach vorn und hinten bzw. links und rechts abstrahlen. Solch eine, nach links und rechts abstrahlende Fläche ließe sich leicht hinter einer Bühnenkulisse aufstellen, ohne dass sie von den Zuschauern gesehen werden kann. Die gerichteten Wellenfronten der seitlichen Abstrahlung könnten dann von entsprechend angeordneten Bühnenelementen in den Zuschauerbereich reflektiert werden. Mit einem Pan Pot führt der Techniker den Ausgangspunkt der im Zuschauerbereich entstehenden Phantomschallquelle der Position des jeweiligen Akteurs auf der Bühne nach. Weil nun die Richtung der Schallwellen von Akteur und elektronischer Unterstützung fast gleich ist, die erste Wellenfront aber auf allen Plätzen vom Akteur selbst ausgeht, werden die Zuschauer den gesamten Schall dem Akteur selbst zuordnen und die elektronische Unterstützung kaum noch wahrnehmen.[]
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Die Form der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten kann dabei den geometrischen Verhältnissen der Spielstätte so angepasst werden das sich die Wellenfronten der Reflexionen ebener Kulissen weitgehend gleichmäßig im Saal verteilen. Andererseits könnte sich auch die Möglichkeit geben, variable Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten eine ebene Welle zu erzeugen, die durch eine entsprechende Formgebung der Reflexionsfläche gleichmäßig über den Publikumsbereich verteilt wird. Auch eine Kombination beider Möglichkeiten ist denkbar.
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Eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in nachfolgenden Zeichnungen und in einer detaillierten Beschreibung dargestellt, soll aber die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzen.
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Beschreibung anhand von Zeichnungen
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1 stellt eine beispielhafte Lösung dar, wie die Schallwandler in einer variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Wellenfronten aufgebaut sei können. Das geschlossene Gehäuse (1) kann zum Beispiel aus Stranggussprofil aufgebaut sein. Wenn eine Bassreflexöffnung vorgesehen wird, so darf die nur in der Frontseite, nicht in der Rückwand enden.
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An der Frontseite ist der Schallwandler eingebaut, der die jeweilige Elementarwelle der Wellenfront erzeugt. Die Profile der Gehäuse können so ausgeführt werden, dass sie sich in einer formschlüssigen Verbindung (2) gegeneinander verschieben lassen.
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2 zeigt eine Gruppe solcher geschlossener Gehäuse (1), die so ausgerichtet wurden, dass ihre Zentren gleich weit von einem Focus Punkt (2) entfernt sind. Deshalb treffen die Wellenfronten ihrer Elementarwellen dort im gesamten hörbaren Frequenzbereich mit gleicher Phasenlage ein. Nur in diesem Punkt addieren sich deshalb die einzelnen Amplituden im gesamten Frequenzbereich des Audiosignals.
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In 3 ist eine mögliche Lösung für ein Problem dargestellt, das bei kleinen Krümmungsradien der zu erzeugenden Wellenfront auftreten kann. Dann werden vor allem im Außenbereich der variablen Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten die Verschiebungen der einzelnen Lautsprechergehäuse (1) gegeneinander so groß, das eine unmittelbare formschlüssige Verbindung nicht mehr möglich ist. Abhilfe schafft ein hinten an das Lautsprechergehäuse angeschraubter Leerrahmen (2) aus dem Profilmaterial, aus dem auch das Lautsprechergehäuse gefertigt ist. Er ist an seinen Stirnseiten offen, so dass die Kabelverbindungen durch ihn zum Schallwandler geführt werden können.
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4 stellt eine Verbindung aus der mechanischen und einer elektronischen Lösung dar. Der innere Bereich (7) der Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten ist mechanisch an die Form der zu erzeugenden Wellenfront angepasst. Im Außenbereich müssten die einzelnen Schallwandler in dem skizzierten Beispiel sehr weit gegeneinander verschoben werden, um den Krümmungsradius zum Focus Punkt des inneren Bereiches zu realisieren. Neben den mechanischen Problemen hätte das auch eine sehr große Einbautiefe der Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten zur Folge. Abhilfe schafft hier eine zeitlich verzögerte Ansteuerung einzelner Lautsprechergruppen. Die Krümmung der Anordnung wird dann nur noch in einer Achse fortgeführt. In der anderen Achse werden die einzelnen Schallwandler zu Gruppen zusammengeschaltet. Im Beispiel werden alle Schallwandler (1) mit einem gemeinsamen Signal angesteuert. Zeitverzögert erhalten dann die Spalten (2) bis (6) ihr Signal. Die innere Gruppe (7) wird am meisten verzögert. Die einzelnen Verzögerungen werden so gewählt, das alle Signale zur gleichen Zeit im Focus Punkt (8) eintreffen.
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5 zeigt eine verschachtelte Anordnung zweier Krümmungsradien in einer der Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten. Alle mit einem Punkt dargestellten Schallwandler (3) Fokussieren ihre Wellenfront auf den Focus Punkt (1). Die ohne diesen Punkt dargestellten Schallwandler (4) sind auf den rechts daneben liegenden Focus Punkt (2) ausgerichtet. Beide Wandler Gruppen werden mit getrennten Signalen angesteuert. So können in den Focus Punkten zum Beispiel in unterschiedliche Sprachen zu hören sein.
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6 zeigt eine solche verschachtelte Anordnung um einen Bildschirm (1). Die Schallwandler sind wieder in Gruppen (3) und (4) geteilt, jede Gruppe wird gemeinsam mit ihrem Signal versorgt. Die Krümmungsradien der Gruppen sind so gestaltet, das ihre Focus Punkte nahe der Ohren eines Zuhörers (2) liegen. Die Gruppe (3) erzeugt dann das linke und die Gruppe (4) das rechte Signal einer Stereowiedergabe, die nur an dem vorgegebenen Platz deutlich zu hören ist.
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7 stellt eine Konvex gekrümmte Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten dar, die nach zwei Seiten Abstrahlt. Die Schallwandler Gruppen (1) und (2) sind wieder ineinander verschachtelt, aber mit gegensätzlicher Ausrichtung aufgebaut. Jede Gruppe wird mit einem gemeinsamen Signal angesteuert.
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8 stellt beispielhaft eine mögliche Anwendung einer solchen zweiseitig abstrahlenden, konvex gekrümmten Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten (1) auf einer Theaterbühne dar. Die Krümmungen der resultierenden Strahler Flächen sind um die virtuellen Schallquellen (2) und (3) gebogen. Wegen deren relativ großen Entfernung zur Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten ergibt sich ein geringer Öffnungswinkel der Abstrahlung. Deshalb wächst die Oberfläche der abgestrahlten Wellenfront nur langsam mit der Entfernung, weshalb auch der Schalldruck nur langsam mit der Entfernung von den Schallwandlern sinkt. Der Schall wird von den reflektierenden Kulissen (4) und (5) in den Publikumsbereich gelenkt, die Vorrichtung zur Ausrichtung von Schallwellenfronten wird von einer Bühnenkulisse (6) optisch verdeckt. Die Künstler können sich in den Abstrahlbereichen (7) und (8) auch mit ihren Mikrofonen frei bewegen, weil wegen des langen Schallweges zu den virtuellen Schallquellen und der geringen Pegelabnahme zum Publikumsbereich die Rückkopplungsschwelle sehr hoch liegt.
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Literaturverzeichnis
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- [1] Berkhout, A. J.: A Holographic Approach to Acoustic Control, J. Audio Eng. Soc., vol. 36, December 1988, pp. 977–995
- [2] http://nexo-sa.com/en/systems/geos12/technology/
- [3] http://www.soundtube.com/cgi-bin/main.cgi?Speakers=start&series=6
- [4] Prof. Angelo Farina, University of Parma http://pcfarina.eng.unipr.it/CdS/CdS.htm
