DE102013013379A1

DE102013013379A1 - Increase the feedback threshold for live sound reinforcement

Info

Publication number: DE102013013379A1
Application number: DE201310013379
Authority: DE
Inventors: Helmut Oellers; Frank Stefan Schmidt
Original assignee: Advanced Acoustic SF GmbH
Current assignee: Advanced Acoustic SF GmbH
Priority date: 2013-08-10
Filing date: 2013-08-10
Publication date: 2015-02-12
Also published as: WO2015022578A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine zweidimensionale Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese, die auch hinter dem Bühnenbereich einer Live-Veranstaltung aufgebaut werden kann. Sie wird als skalierbares System so groß dimensioniert, dass der Schalldruck in unmittelbarer Nähe der einzelnen Schallwandler im Vergleich zum Schalldruck auf der Bühne nur unwesentlich ansteigt. Damit ist die Gefahr einer akustischen Rückkoppelung des Signals in die Mikrofone gegenüber der Abstrahlung aus Einzelnen Schallwandlern deutlich reduziert. Auf Grund ihrer Größe kann sie zudem ausreichend scharf bündeln, um auch in größerer Entfernung fokussierte Schallquellen zu erzeugen. Mit Hilfe spezieller Reflektoren in diesen Fokuspunkten kann auch im Freien eine räumliche Wahrnehmung des Schallfeldes gewährleistet werden, wobei die zusätzlich erzeugten schallstarken Reflexionen die subjektiv empfundene Lautstärke im Zuhörerbereich erhöhen und für eine gleichmäßigere Verteilung des Schalls sorgen.The present invention relates to a two-dimensional arrangement of sound transducers according to the principle of wave field synthesis, which can also be constructed behind the stage area of a live event. As a scalable system, it is dimensioned so large that the sound pressure in the immediate vicinity of the individual sound transducers only rises insignificantly compared to the sound pressure on the stage. Thus, the risk of acoustic feedback of the signal in the microphones compared to the radiation from individual transducers is significantly reduced. Due to its size, it can also focus sufficiently sharply to produce focused sound sources even at greater distances. With the help of special reflectors in these focus points, a spatial perception of the sound field can be ensured even outdoors, with the additionally generated high-sound reflections increase the subjectively perceived volume in the audience area and ensure a more even distribution of sound.

Description

ErfindungsgebietTHE iNVENTION field

Die vorliegende Erfindung betrifft die Live – Wiedergabe von Audiosignalen, besonders im Open-Air Bereich. Eine Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese [1] wird so gestaltet das, selbst wenn sie direkt hinter dem Bühnenbereich einer Live-Veranstaltung positioniert ist, kaum die Gefahr einer akustischen Rückkoppelung besteht. Der Schall kommt dann direkt aus der Richtung der Künstler. Bühnen Monitoring und Front Fill Lautsprecher können weitgehend entfallen. Es ist auch möglich mit speziell auf diese Anordnung aus Schallwandlern und den Publikumsbereich angepassten Reflektoren im gesamten Wiedergabebereich eine räumliche Wahrnehmung entstehen lassen.The present invention relates to the live reproduction of audio signals, especially in the open air sector. An arrangement of transducers based on the principle of wave field synthesis [1] is designed so that even if it is positioned directly behind the stage area of a live event, there is little risk of acoustic feedback. The sound then comes directly from the direction of the artist. Stage monitoring and front fill loudspeakers can be largely eliminated. It is also possible with specially adapted to this arrangement of transducers and the audience area reflectors in the entire playback area a spatial perception arise.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Open-Air Veranstaltungen und Konzerte sind in den letzten Jahrzehnten weltweit zu einem Wachstumsmarkt geworden. Künstler und Veranstalter nutzen gern die Gelegenheit, ihre Darbietung vor zehntausenden, manchmal sogar mehr als hunderttausend Besuchern aufzuführen.Open-air events and concerts have become a growth market worldwide in recent decades. Artists and organizers like to use the opportunity to perform in front of tens of thousands, sometimes even more than a hundred thousand, visitors.

Mit der Entwicklung moderner Beschallungstechnik konnte das Problem gelöst werden, dass in großer Entfernung von der Bühne im Freien keine ausreichende Lautstärke mehr erzielt werden konnte. Mit den leistungsstarken Schallwandlern und den effektiven digitalen Verstärkern der neuen Generation steht heute ein anderes Problem im Vordergrund. Der Schalldruck wird in Bühne Nähe gesundheitsgefährdend hoch, wenn für die letzten Reihen ein ausreichender Pegel eingestellt wird.With the development of modern sound technology, the problem could be solved that at a great distance from the stage outdoors no sufficient volume could be achieved. With the powerful sound transducers and the effective digital amplifiers of the new generation today, another problem is in the foreground. The sound pressure in the vicinity of the stage becomes hazardous to health if a sufficient level is set for the last rows.

In einem Raum gewährleistet der von den Wänden reflektierte Schallanteil, dass die wahrgenommene Lautstärke nicht nach den gleichen physikalischen Gesetzen mit der Distanz zur Schallquelle abnimmt, wie im Freien. Der Diffus Feld Schallpegel ist in einem Raum an jeder Stelle annähernd gleich, nur der Pegel der direkten Welle ist stark von der Entfernung zur Schallquelle abhängig. So wird mit der Entfernung zwar die Qualität des Signals schlechter, aber es ist immer noch in ausreichender Lautstärke zu hören. Im Freien hingegen gibt es praktisch kein Diffus Feld, mit dem Pegel der direkten Wellenfront sinkt hier in gleichem Maße die wahrgenommene Lautstärke.In a room, the amount of sound reflected from the walls ensures that the perceived loudness does not decrease according to the same physical laws as the distance to the sound source, such as outdoors. The diffuse field sound level in a room is approximately the same everywhere, only the level of the direct wave is strongly dependent on the distance to the sound source. The quality of the signal will be worse with the distance, but it can still be heard in sufficient volume. In the open air, on the other hand, there is practically no diffuse field; with the level of the direct wavefront, the perceived volume decreases to the same extent.

In der Praxis haben sich heute zwei Verfahren durchgesetzt, diesen starken Lautstärkeabfall zu mindern. Zum einen ist das der Einsatz von Line Arrays, die meist oberhalb des vorderen Bühnenbereiches aufgehängt werden. Sie strahlen nicht, wie eine Punktschallquelle, gleichmäßig in alle Richtungen ab. Die Oberfläche der von ihnen erzeugten Zylinderwellen nimmt nicht quadratisch, wie die Oberfläche einer Kugel, sondern nur linear mit der Entfernung zu. Entsprechend langsamer nimmt der Schalldruck, wieder verglichen mit einer Punktschallquelle, mit der Entfernung ab. Auch die Line Arrays müssen aber stets vor dem Bühnenbereich angeordnet werden, weil ihr Schall sonst die Mikrofone direkt treffen würde und es zu akustischen Rückkoppelungen käme. Das gilt für alle Bühnenlautsprecher, die das Signal eines Mikrofones auf der Bühne abstrahlen sollen. Weil sich die Künstler üblicherweise dem Publikum zuwenden, würde jeder Lautsprecher im hinteren Bühnenbereich direkt in das nach hinten gerichtete Mikrofon einstrahlen. Wegen der geringen Entfernung des Mikrofones zum Lautsprecher besteht dann schon bei relativ geringem Schallpegel akute Gefahr einer akustischen Rückkoppelung.In practice, two methods have been adopted today to reduce this heavy volume drop. On the one hand, this is the use of line arrays, which are usually suspended above the front stage area. They do not radiate, like a point sound source, evenly in all directions. The surface of the cylinder waves generated by them does not increase quadratically, like the surface of a sphere, but only linearly with the distance. Correspondingly slower, the sound pressure, compared with a point sound source, decreases with the distance. But the line arrays must always be placed in front of the stage area, because otherwise their sound would hit the microphones directly and acoustic feedback would occur. This applies to all stage loudspeakers that are intended to emit the signal of a microphone on the stage. Because the artists usually turn to the audience, each speaker in the backstage area would shine directly into the rear-facing microphone. Because of the small distance of the microphone to the speaker then there is an acute risk of acoustic feedback even at a relatively low sound level.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass Schall der Musiker selbst im Freien kaum von Reflexionsflächen rückgeworfen wird. Sie hören sich aber auch über die Lautsprecher nicht, wenn die vor der Bühne in Richtung Publikum abstrahlen. Aufwendiges Bühnen Monitoring mit einer separaten Mischung, Monitorboxen auf der Bühne oder In Ear Monitoring wird dann unerlässlich. Zudem entsteht unmittelbar vor der Bühne ein unversorgter Bereich, der mit Frontfill-Lautsprechern beschallt werden muss.Another problem is that even in the open air the sound of the musician is hardly thrown back by reflection surfaces. But they also do not hear each other over the loudspeakers when they radiate in the direction of the audience in front of the stage. Elaborate stage monitoring with a separate mix, monitor boxes on stage or in-ear monitoring will then be essential. In addition, immediately before the stage, an unsupplied area is created, which must be sonicated with front fill speakers.

Dazu kommt, dass die Line Arrays im vorderen Bühnenbereich optisch meist sehr stören, weshalb sie meist hoch darüber aufgehängt werden müssen. Gerade an den vorderen Plätzen bedingt das dann wieder, das die akustische Wahrnehmung völlig von der Optischen abweicht, was zumindest unbewusst die Qualität der Darbietung stark mindert.In addition, the line arrays in the front stage area visually usually very disturbing, which is why they usually have to be hung high above. Especially at the front seats, this again causes the acoustic perception to deviate completely from the visual, which at least unconsciously greatly reduces the quality of the performance.

Trotz allem ist auch mit den Line Arrays das Problem nicht beseitigt, das der Schalldruck der Zylinderwelle, die von ihnen ausgeht, mit der Entfernung deutlich abnimmt. Der Pegelverlust ist nur nicht mehr so stark wie bei Punktschallquellen. Im Bassbereich werden sie zudem meist durch Subwoofer unterstützt, die neben dem Bühnenbereich aufgestellt werden und als Punktschallquelle arbeiten. Die Räumliche Trennung ist oft größer als die Wellenlänge im Übergangsbereich, was zwangsläufig zu ortsabhängigen Phasenfehlern führen muss.Despite all this, the problem with the line arrays is that the sound pressure from the cylinder shaft, which emanates from them, decreases significantly with distance. The level loss is just not as strong as with point sound sources. In the bass range, they are usually supported by subwoofers, which are placed next to the stage area and work as a point sound source. The spatial separation is often greater than the wavelength in the transition region, which inevitably leads to location-dependent phase errors.

Wenn wirklich große Publikumsbereiche mit mehr als etwa 100 Meter Tiefe versorgt werden sollen, kommt man auch mit den Line Arrays nicht umhin die zweite Möglichkeit, den Schalldruck vor der Bühne in Grenzen zu halten, anzuwenden. In den entfernten Bereichen werden dann zusätzliche Lautsprecher aufgestellt und als „Delay Line” angesteuert. Die Verzögerung gleicht die Schalllaufzeit von der Bühne bis zu der betreffenden Delay Line aus, zusätzlich wird noch um weitere fünf bis zehn Millisekunden verzögert damit die erste Wellenfront beim Zuhörer aus dem Bühnenbereich eintrifft. Solange der Pegel der nahen Delay Line Box nicht das direkte Signal überdeckt, wird dann entsprechend dem Haas Effekt [2] die Schallquelle dort wahrgenommen.If really large audience areas are to be supplied with more than about 100 meters depth, you can not help but with the line arrays the second way to limit the sound pressure in front of the stage to apply. In the remote areas then additional speakers are set up and controlled as a "delay line". The delay compensates for the sound propagation time from the stage to the Delay Line in question, in addition delayed by another five to ten milliseconds so that the first wave front arrives at the audience from the stage area. As long as the level of the nearby delay line box does not cover the direct signal, then the sound source is perceived there according to the Haas effect [2].

Trotz all dieser Probleme ziehen viele Veranstalter das Open Air Event einer Aufführung in einer großen Halle vor. Bei vergleichbaren Zuschauerzahlen müssten die Hallen so groß sein, das die ersten Schallstarken Reflexionen weit mehr als 50 Millisekunden nach dem Direktschall beim Zuhörer eintreffen. Dann stören sie die Wahrnehmung erheblich, oft sind in solch großen Hallen selbst die Ansagen der Moderatoren kaum zu verstehen.Despite all these problems, many organizers prefer the open air event to a performance in a large hall. With comparable numbers of spectators, the halls would have to be so large that the first strong sound reflections arrive more than 50 milliseconds after the direct sound at the listener. Then they disturb the perception considerably, often even in such large halls even the announcements of the moderators are hard to understand.

Deshalb nimmt man die fehlende Räumlichkeit, die ein Schallereignis im Freien wegen des fehlenden Raumes zwangsläufig hat, in Kauf. Entscheidender Nachteil gegenüber einer Halle ist nur, dass der Schall nicht auf den Aufführungsraum bleibt. Lärmschutzvorschriften zwingen die Veranstalter oft, die Open-Air Aufführung frühzeitig zu beenden.Therefore, one takes the lack of space, the sound event in the open due to the lack of space inevitably, in purchasing. Decisive disadvantage compared to a hall is only that the sound does not remain on the performance space. Noise protection regulations often force the organizers to end the open-air performance at an early stage.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung, um die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen darin, zu vermieden das eine akustische Rückkoppelung dadurch entsteht, das auf die Lautsprecher gerichtete Mikrofone so nahe an die Schallquelle heran kommen können, das die Schleifenverstärkung nach dem Barkhausenschen Stabilitätskriterium [3] größer als eins wird, so dass der Einsatzpunkt der akustischen Rückkoppelung überschritten ist. Das ist allgemein der Fall, wenn der Lautsprecherschall am Mikrofon lauter ist als der Originalschall. Wegen des exponentiell steigenden Schalldruckes in der Nähe der Schallquelle ist diese Gefahr bei den geringen räumlichen Abständen zwischen Mikrofon und Lautsprecher auf der Bühne mit konventionellen Lautsprecheranordnungen immer akut, wenn sie im hinteren Bühnenbereich aufgestellt werden.Therefore, it is an object of the invention to overcome the disadvantages of the prior art is to avoid the acoustic feedback is created by the fact that the microphones directed to the loudspeakers can come so close to the sound source that the loop gain according to the Barkhausen stability criterion [3] becomes greater than one so that the point of application of the acoustic feedback is exceeded. This is generally the case when the speaker sound on the microphone is louder than the original sound. Because of the exponentially increasing sound pressure in the vicinity of the sound source, this danger is always acute with the small spatial distances between microphone and loudspeaker on the stage with conventional loudspeaker arrangements when they are placed in the rear stage area.

Eine weitere Aufgabenstellung besteht darin, dass der Schalldruck weniger schnell mit der Entfernung zum Schallwandler abnehmen soll als es bei der gängigen Praxis die physikalische Ausbreitung einer Schallwelle in einem nicht reflektierenden Umfeld vorgibt.Another task is that the sound pressure should decrease less quickly with the distance to the transducer as it dictates the physical propagation of a sound wave in a non-reflective environment in current practice.

Dritte Zielstellung ist es, die Richtung der Schallquelle weitgehend mit der Richtung des Künstlers auf der Bühne in Übereinstimmung zu bringen.Third objective is to bring the direction of the sound source largely in line with the direction of the artist on the stage.

Zudem soll die Notwendigkeit, umfangreiches Bühnen Monitoring aufbauen zu müssen damit sich die Künstler gegenseitig hören weitgehend entfallen. Der Störschallpegel außerhalb des Publikumsbereiches soll gesenkt werden.In addition, the need to build up extensive stage monitoring so that the artists listen to each other largely eliminated. The background noise level outside the audience area should be lowered.

Optional soll auch die subjektive Verbesserung der Wahrnehmung, zu der frühe schallstarke Reflexionen in einem geeigneten Raum stark beitragen, auch im Freien möglich werden.Optionally, the subjective improvement of perception, to which early high-intensity reflections in a suitable room contribute greatly, should also be possible outdoors.

Lösung der oben stehenden AufgabenSolution of the above tasks

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.The above objects and other objects to be taken from the description are achieved by a device and a method according to the features of claim 1. Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Die komplexe Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese weit hinter einer zweidimensionalen Anordnung aus Schallwandlern virtuelle Lautsprecher so weit hinter dem Bühnenbereich erzeugt werden, das mit den Mikrofonen auf der Bühne selbst dann nicht die für eine akustische Rückkoppelung notwendige Schleifenverstärkung erreicht wird, wenn diese unmittelbar vor der Anordnung aus Schallwandlern auf die virtuellen Lautsprecher ausgerichtet werden.The complex task is inventively achieved in that far behind a two-dimensional array of transducers virtual loudspeakers are generated so far behind the stage area on the principle of wave field synthesis that is not achieved with the microphones on the stage even for a necessary acoustic feedback loop gain if they are aligned with the virtual speakers immediately before the transducer assembly.

Die Mikrofone im Bühnenbereich bleiben immer weit entfernt von dem exponentiell steigenden Schalldruck im Nahbereich einer Punktschallquelle. Die Schleifenverstärkung bleibt deshalb um Größenordnungen niedriger, so dass eine akustische Rückkoppelung ausgeschlossen ist.The microphones in the stage area always remain far away from the exponentially increasing sound pressure in the vicinity of a point sound source. The loop gain therefore remains orders of magnitude lower, so that an acoustic feedback is excluded.

Auch im Publikumsbereich verläuft die Abnahme des Schalldruckes im flacheren Teil der exponentiellen Kurve der 1/r Funktion. Bei gleichem Schalldruck bei den Zuhörern in größerer Entfernung von der Bühne ist unmittelbar vor dem Bühnenbereich der Schalldruck der entfernten virtuellen Lautsprecher hinter der Bühne viel geringer als der von realen Lautsprechern, die direkt in diesem Bereich aufgestellt sind.Also in the public sector, the decrease of the sound pressure is in the flatter part of the exponential curve of the 1 / r function. At the same sound pressure in the audience at a greater distance from the stage, the sound pressure of the remote virtual loudspeakers behind the stage is much lower than that of real loudspeakers, which are placed directly in this area immediately before the stage area.

Im gesamten Publikumsbereich ist die Schallquelle dann hinter der Bühne zu hören. Jedoch sind wir – anders als bei den Augen – nicht in der Lage aus dem Signalunterschied zwischen unseren Ohren die Entfernung zur Schallquelle zu bestimmen. Sie kann nur aus erlernten Reizmustern wie dem Direktschallpegel, der Anfangszeitlücke und Zeit und Richtung der ersten schallstarken Reflexionen bestimmt werden. Wenn nur wenige Reflexionen entstehen orten wir die Quelle deshalb im gesamten Publikumsbereich annähernd beim Künstler auf der Bühne.Throughout the audience the sound source can be heard behind the stage. However, unlike the eyes, we are unable to determine the distance to the sound source from the signal difference between our ears. It can only be determined from learned stimulus patterns such as the direct sound level, the initial time gap and the time and direction of the first high-sound reflections. If there are only a few reflections, we locate the source almost on the stage throughout the audience area.

Die Front-Fill Lautsprecher können entfallen und auch die Akteure hören das Signal aus den entfernten virtuellen Lautsprechern hinter der Bühne viel besser als das von realen Lautsprechern vor dem Bühnenbereich. So können sie sich auch ohne spezielles Monitoring im Gesamtsignal gegenseitig hören. Dabei kann die große Entfernung der virtuellen Schallquellen allerdings dazu führen, dass sich die Musiker gegenseitig zu spät hören oder dass der Vortrag des Moderators durch das zu spät eintreffende Signal behindert wird.The front-fill speakers can be omitted and the actors hear the signal from the virtual speakers behind the stage much better than that of real speakers in front of the stage area. So they can hear each other without special monitoring in the overall signal. However, the large distance of the virtual sound sources can cause the musicians to hear each other too late or that the lecture of the moderator is hampered by the late arriving signal.

Dieses Problem lässt sich leicht lösen, wenn die Wellenfeldsynthese nicht auf dem Datenbasierenden Ansatz mit Faltung der Signale in die Impulsantworten, sondern im modellbasierenden Ansatz mit Berechnung der Laufzeiten von der jeweiligen virtuellen Schallquelle zum jeweiligen Schallwandler beruht. Dann ergibt im Gesamtsystem aus der geringsten Entfernung einer virtuellen Schallquelle zu einem Schallwandler die geringste Anzahl von Frames Verzögerung im Gesamtsystem. Wenn diese Zahl von allen anderen Berechnungsergebnissen subtrahiert wird, so ist die unnötige Latenz beseitigt ohne dass sich an den Formen der Wellenfronten oder ihren zeitlichen Staffelungen zueinander etwas geändert hat.This problem can be easily solved if the wave field synthesis is based not on the data-based approach with convolution of the signals in the impulse responses, but in the model-based approach with calculation of the transit times from the respective virtual sound source to the respective sound transducer. Then in the overall system, the smallest number of frames results in a delay in the overall system from the smallest distance of a virtual sound source to a sound transducer. If this number is subtracted from all other calculation results, the unnecessary latency is eliminated without any change in the shapes of the wavefronts or their time gradings.

Die Größe der zweidimensionalen Anordnung aus Schallwandlern wird so bemessen, dass in ihrem Versorgungsbereich die Oberfläche der von ihr abgestrahlten Wellenfronten mit der Entfernung nur langsam ansteigt. Nach Huygens Prinzip kann eine Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese gekrümmte Wellenfronten erzeugen. Jedoch entsteht die gewünschte Krümmung nur in der Azimut Ebene, wenn das Verfahren auf eine horizontale Reihe aus Schallwandlern beschränkt bleibt. In der Elevationsebene werden dann Zylinderwellen erzeugt, mit denen die erfindungsgemäße Aufgabenstellung nicht zu lösen ist.The size of the two-dimensional arrangement of sound transducers is dimensioned such that in their coverage area, the surface of the wavefronts emitted by it increases only slowly with the distance. According to Huygens principle, an arrangement of sound transducers according to the principle of wave field synthesis can produce curved wavefronts. However, the desired curvature arises only in the azimuth plane when the method is limited to a horizontal series of transducers. In the elevation plane then cylinder waves are generated with which the task according to the invention can not be solved.

Deshalb ist zur Lösung der anstehenden Aufgaben eine zweidimensionale Anordnungen aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese aufzubauen. Solche Wandler Flächen mit einer großen Zahl einzeln angesteuerter Schallwandler werden bisher im Bereich der Beschallung nicht praktisch angewendet. [4].Therefore, to solve the upcoming tasks, a two-dimensional arrangements of acoustic transducers based on the principle of wave field synthesis to build. Such transducer surfaces with a large number of individually controlled sound transducers are not practically applied in the field of sound. [4].

Hinter einer solchen zweidimensionalen Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese ist der Ausgangspunkt der Wellenfronten in allen Raumachsen eine virtuelle Punktschallquelle. In der Nähe einer Punktschallquelle steigt der Schalldruck entsprechend der 1/r Funktion exponentiell an, weil der Divisor gegen Null geht. Jedoch kann sich, anders als bei einem realen Lautsprecher, der Künstler nicht wirklich an diese virtuelle Schallquelle annähern, wenn ihr Ausgangspunkt weit hinter der Bühne liegt.Behind such a two-dimensional arrangement of sound transducers according to the principle of wave field synthesis, the starting point of the wavefronts in all spatial axes is a virtual point sound source. In the vicinity of a point sound source, the sound pressure increases exponentially according to the 1 / r function because the divisor approaches zero. However, unlike a real loudspeaker, the artist can not really approach this virtual sound source if its starting point is far behind the stage.

Je größer der Krümmungsradius der Wellenfront ist, desto weiter ist die virtuelle Schallquelle hinter der Anordnung aus Schallwandlern positioniert. Je weiter aber diese Punktschallquelle vom Mikrofon entfernt ist, umso geringer wird die Gefahr einer akustischen Rückkoppelung. Andererseits wird der versorgte Zuschauerbereich mit dem Abstand der virtuellen Schallquelle zu der Anordnung aus Schallwandlern kleiner. Im Extremfall der unendlich weit entfernten virtuellen Schallquelle wird nur noch der Bereich der parallelen Wellenfront in der Größe der Anordnung selbst versorgt. Dann nimmt aber der Schalldruck, abgesehen von Luftschalldämmung und Streuverlusten, theoretisch nicht mehr mit der Entfernung ab. Ein Mikrofon im Bühnenbereich ist dann selbst unmittelbar an den Schallwandlern nur noch dem gleichen Schalldruck ausgesetzt wie der weit entfernte Zuhörer.The greater the radius of curvature of the wavefront, the further the virtual sound source is positioned behind the array of transducers. However, the further away this point sound source is from the microphone, the lower the risk of acoustic feedback. On the other hand, the supplied audience area becomes smaller with the distance of the virtual sound source to the array of sound transducers. In the extreme case of the infinitely distant virtual sound source, only the area of the parallel wavefront in the size of the arrangement itself is supplied. But then the sound pressure, apart from airborne sound insulation and scattering losses, theoretically no longer decreases with distance. A microphone in the stage area is then exposed even at the sound transducers only the same sound pressure as the distant listener.

Das Barkhausensche Stabilitätskriterium, das den Einsatzpunkt der akustischen Rückkoppelung bestimmt, wird dann nur noch bei sehr hohen Schallpegel an den Zuschauerplätzen überschritten. Selbst bei nicht allzu weit hinter der Anordnung aus Schallwandlern positionierten virtuellen Schallquellen mit entsprechend weiterem Öffnungswinkel der Abstrahlung bleibt die Rückkoppelungsschwelle so hoch, das eine zweidimensionale Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese direkt hinter dem Bühnenbereich aufgestellt werden kann. Bei engen Öffnungswinkeln bleibt sie um eine ganze Größenordnung unter dem Wert, bei dem mit einem konventionellen Lautsprecher im hinteren Bühnenbereich nahe dem Mikrofon das gefürchtete Pfeifgeräusch einsetzen würde.The Barkhausen stability criterion, which determines the starting point of the acoustic feedback, is then exceeded only at very high sound levels at the spectator seats. Even with not too far behind the arrangement of sound transducers positioned virtual sound sources with a correspondingly wider aperture angle of the radiation, the feedback threshold remains so high that a two-dimensional array of transducers can be placed directly behind the stage area according to the principle of wave field synthesis. With narrow opening angles, it remains a whole order of magnitude below the value at which the dreaded whistling sound would be used with a conventional loudspeaker in the rear stage area near the microphone.

Dabei spielt nicht nur die Entfernung des Mikrofons zu der virtuellen Schallquelle eine Rolle. Auch vor der Bühne ist der entfernungsabhängige Abfall der Lautstärke geringer als bei Punktstrahlern oder Line Arrays. Die Wellenfronten einer großen Strahler Fläche haben Prinzip bedingt auch vor der Bühne einen größeren Krümmungsradius als die Wellenfronten solcher konventioneller Lautsprecher. Entsprechend verteilt sich der Schalldruck auf eine nur langsam mit der Entfernung wachsende Oberfläche. Selbst große Entfernungen können dann mit einer entsprechend dimensionierten Anordnung aus Schallwandlern mit relativ geringen Pegelunterschied zu den nahe gelegenen Bereichen beschallt werden. Entsprechend gering muss der für den Einsatzpunkt der Rückkoppelung entscheidende Verstärkungsfaktor ausgelegt sein. Auf zusätzliche Delay-Lines kann verzichtet werden.Not only the distance of the microphone to the virtual sound source plays a role. Even before the stage, the distance-dependent drop in volume is lower than with spotlights or line arrays. The wavefronts of a large radiator surface have principle conditioned also in front of the stage a larger radius of curvature than the wavefronts of such conventional speakers. Accordingly, the sound pressure is distributed to a surface that grows only slowly with the distance. Even large distances can then be sonicated with a suitably sized array of transducers with relatively low level difference to the nearby areas. Correspondingly low must be designed for the point of application of the feedback decisive gain factor. Additional delay lines can be omitted.

Zudem hat eine großflächige Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese den Vorteil der besseren Anpassung an den Wellenwiderstand der Luft. Herkömmliche Lautsprecher haben hier das Problem, das die Luft einfach um die Lautsprechergehäuse herum ausweichen kann. Der erzeugte Schalldruck verteilt sich dann in alle Richtungen, im Bereich der Zuhörer kommt nur ein Bruchteil der erzeugten Energie an. Bei den praktisch realisierbaren Membrandurchmessern, die weit unter der abgestrahlten Wellenlänge des Schalls im Bassbereich liegen, arbeitet der Antrieb deshalb fast ins Leere. Der sich bewegenden Membran setzt sich kaum ein Lastwiderstand entgegen. Wegen dieser Fehlanpassung ist der Wirkungsgrad von einzelnen dynamischen Lautsprechern im Bassbereich sehr niedrig.In addition, a large-scale arrangement of transducers according to the principle of wave field synthesis has the advantage of better adaptation to the characteristic impedance of the air. Conventional speakers here have the problem of simply turning the air around the speaker housing can dodge around. The generated sound pressure is distributed in all directions, in the audience only a fraction of the generated energy arrives. With the practically achievable diaphragm diameters, which are far below the radiated wavelength of the sound in the bass range, the drive therefore almost works in the void. The moving diaphragm hardly opposes a load resistance. Because of this mismatch, the efficiency of individual dynamic speakers in the bass range is very low.

Mit einer ausreichend großen, zweidimensionalen Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese ist dieses Problem weitgehend gelöst. Im Bassbereich arbeiten die einzelnen Schallwandler nahezu synchron, benachbarte Lautsprecher erzeugen zum gleichen Zeitpunkt fast identischen Schalldruck. Insgesamt entsteht im Bassbereich ein großer Kolbenstrahler. Dem kann die Luft kaum noch zur Seite ausweichen, weil der benachbarte Lautsprecher dort zum gleichen Zeitpunkt den gleichen Luftdruck erzeugt. Der Bewegung der Membran stellt sich nun die Masseträgheit einer Luftsäule, die mit wachsender Gesamtfläche der Anordnung aus Schallwandlern immer weiter vor diese reicht, als Arbeitswiderstand entgegen. Das verbessert den Wirkungsgrad der Abstrahlung ganz erheblich. Der Effekt ist vergleichbar mit Hornlautsprechern, bei denen die Schallführung ein Ausweichen der Luftsäule verhindert. Auch hier wird die Eigenresonanz des Schallwandlers durch die zusätzliche Luftmasse vor der Membran deutlich nach unten verschoben, der Wirkungsgrad wird deutlich gesteigert.With a sufficiently large, two-dimensional device of sound transducers according to the principle of wave field synthesis, this problem is largely solved. In the bass range, the individual transducers work almost synchronously, neighboring speakers produce at the same time almost identical sound pressure. Overall, a large piston emitter is created in the bass range. The air can barely dodge to one side, because the neighboring loudspeaker generates the same air pressure there at the same time. The movement of the diaphragm is now the mass inertia of an air column, which with increasing total area of the arrangement of transducers always continues before this, contrary to working resistance. This considerably improves the efficiency of the radiation. The effect is comparable to horn loudspeakers, where the sound guide prevents the air column from dodging. Again, the natural resonance of the transducer is shifted significantly downwards by the additional air mass in front of the membrane, the efficiency is significantly increased.

So kann die hinter dem Bühnenbereich angeordnete zweidimensionale Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese auch mit Lautsprechern, die nur bei geringen Membranhub linear arbeiten bis in den Bassbereich arbeiten. Jeder einzelne Schallwandler ist andererseits klein genug, um schnelle Bewegungen seiner Membran ausführen zu können. So kann der gesamte hörbare Frequenzbereich bei geeigneter Dimensionierung der Einzelkomponenten einer einzigen virtuellen Schallquelle, also einem gemeinsamen Startpunkt entspringen. Das ist ein deutlich hörbarer Vorteil gegenüber der üblichen Aufteilung der Wiedergabe in einen Hoch-Mittel- und Tieftonbereich. Von drei diskreten Raumpunkten kann die Entfernung nur zu einem einzigen Raumpunkt gleich sein. Bestenfalls kann also die Phasenlage der Signalanteile zueinander nur bei einem einzigen Zuhörer perfekt sein.Thus, arranged behind the stage area two-dimensional device of sound transducers according to the principle of wave field synthesis with speakers that work linearly only at low diaphragm stroke to the bass range. On the other hand, each individual transducer is small enough to be able to perform rapid movements of its membrane. Thus, the entire audible frequency range can arise with a suitable dimensioning of the individual components of a single virtual sound source, ie a common starting point. This is a clearly audible advantage over the usual division of playback in a high-mid and low-frequency range. Of three discrete points in space, the distance can only be equal to a single point in space. At best, therefore, the phase of the signal components to each other can be perfect only for a single listener.

Eine weitere Verbesserung der subjektiven Wahrnehmung kann dadurch erzielt werden, dass in freier Umgebung gezielt schallstarke Reflexionen erzeugt werden. Dabei wird die Möglichkeit der großen zweidimensionalen Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese genutzt, fokussierte Schallquellen auch vor der Wandler Fläche erzeugen zu können.A further improvement in the subjective perception can be achieved by deliberately producing high-sound reflections in a free environment. The possibility of the large two-dimensional device of sound transducers according to the principle of wave field synthesis is used to be able to produce focused sound sources in front of the transducer surface.

Die direkten Wellenfronten, die den Künstlern auf der Bühne zugeordnet sind, können vom Zuhörer aus gesehen nur im Bereich der Anordnung aus Schallwandlern erzeugt werden. Auch in einem Konzertsaal kommen die direkten Wellenfronten aus Richtung der Bühne, doch an Wänden und Decke entstehen schallstarke Reflexionen, die der direkten Welle zugeordnet und subjektiv nicht getrennt wahrgenommen werden, aber den räumlichen Eindruck des Schallereignisses signifikant erhöhen.The direct wavefronts, which are assigned to the artists on the stage, can be generated by the listener only in the area of the arrangement of sound transducers. Even in a concert hall, the direct wavefronts come from the direction of the stage, but on the walls and ceiling sound-strong reflections are created, which are associated with the direct wave and subjectively not perceived separately, but significantly increase the spatial impression of the sound event.

Auf die Deckenreflexionen kann verzichtet werden. Sie tragen zwar zur Erhöhung der subjektiv empfundenen Lautstärke bei, reduzieren aber nicht die Interaural Cross Correlation (IACC) der Signale [5]. Deshalb tragen sie kaum zur Verbesserung der räumlichen Wahrnehmung bei. Um eine solche räumliche Wahrnehmung auch bei Open Air Veranstaltungen zu schaffen ist es wichtig, starke Seiten Reflexionen im Zeitbereich unter 50 Millisekunden nach der direkten Wellenfront zu schaffen.On the ceiling reflections can be omitted. Although they contribute to increasing the perceived loudness, they do not reduce the interaural cross correlation (IACC) of the signals [5]. Therefore, they hardly contribute to the improvement of spatial perception. To create such a spatial perception even at open air events, it is important to create strong side reflections in the time range below 50 milliseconds after the direct wavefront.

Sie können erfindungsgemäß dadurch erzeugt werden, dass nahe von Fokuspunkten, welche die hinter dem Bühnenbereich aufgestellte zweidimensionale Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese seitlich vor dem Bühnenbereich erzeugt, spezielle Reflektoren aufgestellt werden. Ihre Größe richtet sich danach, welche untere Grenzfrequenz noch reflektiert werden soll und ihre Form ist so gestaltet, dass die hohe Energie der Schallwellen im Fokuspunkt weitgehend gleichmäßig über den Publikumsbereich gestreut wird.According to the invention, they can be produced by placing special reflectors near focal points, which produce the two-dimensional device of sound transducers set up behind the stage area on the principle of wave-field synthesis laterally in front of the stage area. Their size depends on which lower limit frequency is to be reflected and their shape is designed so that the high energy of the sound waves in the focal point is largely uniformly scattered over the audience area.

Das vermittelt den Zuhörern im Bereich der direkt abgestrahlten Wellenfront tendenziell den Eindruck eines Konzertsaalerlebnisses. Außerhalb des Bereiches, den die direkte Wellenfront mit ausreichendem Pegel trifft, sorgen sie wenigstens dafür dass die Künstler noch gehört werden. So, wie das Diffus Feld in einem Konzertsaal dafür sorgt, dass auf allen Plätzen zwar nicht gleich gut aber doch annähernd gleich laut gehört werden kann, sorgen die zusätzlichen Reflexionen für eine gleichmäßigere Lautstärkeverteilung.This tends to give listeners a sense of a concert hall experience in the area of the directly radiated wave front. Outside the area that the direct wavefront meets with sufficient level, at least they make sure that the artists are still heard. Just as the diffuse field in a concert hall ensures that the same reflections can not be heard equally well in all the seats, the additional reflections ensure a more even volume distribution.

Das Verfahren muss nicht auf die frontalen Seitenreflexionen begrenzt bleiben. Eine größere Zahl sinnvoll bis in den hinteren Zuhörerbereich verteilter Reflektoren kann im Freien eine Wahrnehmung erzeugen, die der in einem Konzertsaal nahe kommt. Eine zeitliche Staffelung dieser Reflexionen, wie sie in [6] beschrieben ist, kann die gewünschte Größe des Konzertsaales simulieren.The procedure does not have to be limited to the frontal side reflections. A larger number of useful reflectors distributed to the rear of the audience may create a perception in the open, similar to that in a concert hall. A time staggering of these reflections, as described in [6], can simulate the desired size of the concert hall.

Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Detailed description of an embodiment

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.A preferred embodiment according to the present invention is illustrated in the following drawings and detailed description, but is not intended to limit the present invention thereto.

Weitere mögliche Ausbildungsformen sind in den folgenden Ansprüchen beschrieben. Insbesondere können auch die verschiedenen Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, soweit sie sich nicht technisch ausschließen.Further possible embodiments are described in the following claims. In particular, the various features of the embodiments described above can be combined with each other, as far as they are not technically exclusive.

1 zeigt eine erfindungsgemäß hinter dem Bühnenbereich einer Live Veranstaltung aufgestellte, zweidimensionale Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese (1). Eine virtuelle Schallquelle (2) ist weit hinter dem Bühnenbereich angeordnet. Es können auch mehrere virtuelle Schallquellen erzeugt werden, jedoch muss eine ausreichende Entfernung zu den Mikrofonen auf der Bühne (4) gewahrt bleiben, um eine Rückkoppelung sicher zu vermeiden. Dabei ist zu beachten, dass die virtuellen Schallquellen im Publikumsbereich (3) nur gehört werden können, wenn sie sich vom Zuhörer aus im Bereich der zweidimensionalen Anordnung aus Schallwandlern befinden. Entsprechend muss das Seitenverhältnis der Anordnung dem zu versorgenden Publikumsbereich angepasst werden können. 1 FIG. 2 shows a two-dimensional arrangement of sound transducers set up behind the stage area of a live event according to the principle of wavefield synthesis (FIG. 1 ). A virtual sound source ( 2 ) is located far behind the stage area. It is also possible to generate several virtual sound sources, but sufficient distance to the microphones on the stage ( 4 ) in order to safely avoid feedback. It should be noted that the virtual sound sources in the audience area ( 3 ) can only be heard if they are in the range of the two-dimensional arrangement of sound transducers from the listener. Accordingly, the aspect ratio of the arrangement must be adapted to the audience area to be supplied.

In 2 ist ein Vergleich der hinter der Bühne aufgestellten Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese (1) mit herkömmlichen Lautsprechern (3) und (4), die m hinteren Bühnenbereich aufgestellt würden, skizziert. Die virtuelle Schallquelle (2) ist in der Skizze zehnmal so weit von dem Mikrofon (5) entfernt wie der linke Lautsprecher. Entsprechend ist der Einsatzpunkt der Rückkoppelung zehnmal höher. Hinzu kommt, dass die Wellenfront der Lautsprecherbox (6) an der Stelle des Mikrofones viel stärker gekrümmt ist als die Wellenfront (7) der Anordnung aus Schallwandlern. Entsprechend nimmt ihr Schalldruck auf dem Weg zum Zuhörer viel schneller ab, weil ihre Oberfläche schneller wächst. Für eine vergleichbare Lautstärke beim Zuhörer muss dieser schnellere Abfall durch einen höheren Verstärkungsfaktor ausgeglichen werden, wodurch die Rückkoppelungsschwelle nochmals signifikant gesenkt wird. Deshalb ist die skizzierte Aufstellung der Lautsprecher (3) und (4) nicht praktikabel.In 2 is a comparison of the arranged behind the stage arrangement of transducers according to the principle of wave field synthesis ( 1 ) with conventional loudspeakers ( 3 ) and ( 4 ) located at the rear stage area, outlined. The virtual sound source ( 2 ) is ten times as far from the microphone in the sketch ( 5 ) removed like the left speaker. Accordingly, the point of application of the feedback is ten times higher. In addition, the wavefront of the loudspeaker box ( 6 ) at the location of the microphone is much more curved than the wavefront ( 7 ) of the arrangement of sound transducers. Accordingly, their sound pressure decreases much faster on the way to the listener because their surface grows faster. For a comparable volume in the listener, this faster drop must be compensated by a higher gain factor, which significantly reduces the feedback threshold again. Therefore, the outline of the speakers ( 3 ) and ( 4 ) not practicable.

3 zeigt eine Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung bei einer Open-Air Veranstaltung. Die zweidimensionale Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese (1) ist hinter der Bühne aufgebaut. Die virtuelle Schallquelle (2) strahlt direkt in den Publikumsbereich (3). Zusätzlich erzeugt die Anordnung aus Schallwandlern (1) mit den Beams (4) links und (5) rechts vom Publikumsbereich fokussierte Schallquellen. In diesen Fokuspunkten sind die Reflektoren (6) und (7) positioniert. Sie sind so geformt, das größere Anteile ihrer gekrümmten Oberfläche den Schall in die von ihnen weiter entfernten und sonst schlecht versorgten Publikumsbereiche (8) und (9) reflektieren. 3 shows an application of the solution according to the invention in an open-air event. The two-dimensional arrangement of sound transducers according to the principle of wave field synthesis ( 1 ) is built behind the stage. The virtual sound source ( 2 ) radiates directly into the audience area ( 3 ). In addition, the arrangement of sound transducers ( 1 ) with the beams ( 4 ) left and ( 5 ) Sound sources focused to the right of the audience area. In these focal points, the reflectors ( 6 ) and ( 7 ). They are shaped so that the greater part of their curved surface transmits the sound to the areas of the audience that are farther away and otherwise poorly served ( 8th ) and ( 9 ) reflect.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

[1] Berkhout, AJ (1988): A holographic approach to acoustic control. Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 12, December 1988, pp. 977-995 ,
[2] Helmut Haas: "On the influence of a single echo on the audibility of language", Acustica 1, 1951, pages 49 to 58 ,
[3] http://web.mit.edu/klund/www/weblatex/node4.html
[4] Start, E. 1997. Direct Sound Enhancement By Wave Field Synthesis. PhD dissertation, Delft University of Technology ,
[5] http://www.diracdelta.co.uk/science/source/i/n/interaural%20crosscorrelation%20coefficient/source.html#.Ue667Y09Jlw
[6] Patent specification DE 10 2005 001 395 A1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005001395 A1 [0043]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Berkhout, AJ (1988): A holographic approach to acoustic control. Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 12, December 1988, pp. 977-995 [0043]
Helmut Haas: "On the Influence of a Single Echo on the Audibility of Speech", Acustica 1, 1951, pages 49 to 58 [0043]
http://web.mit.edu/klund/www/weblatex/node4.html [0043]
Start, E. 1997. Direct Sound Enhancement By Wave Field Synthesis. PhD dissertation, Delft University of Technology [0043]
http://www.diracdelta.co.uk/science/source/i/n/interaural%20crosscorrelation%20coefficient/source.html#.Ue667Y09Jlw [0043]

Claims

Installed in the rear stage area of an event, two-dimensional array of transducers according to the principle of wave field synthesis, characterized in that it is so large that even virtual sound sources far behind the array of transducers have a sufficiently large opening angle of the sound to have the audience area, on the other but the distance of the virtual sound sources to the arrangement of sound transducers is so large that a signal feedback is even then safely avoided when the microphone is positioned near the transducers or directly in front of the transducers in the direction of the transducer, so that an acoustic feedback of the system is reliably avoided ,

Installed in the rear stage area of an event, two-dimensional array of transducers according to the principle of wave field synthesis according to claim 1, characterized in that the actors in the stage area can hear the entire signal that is radiated in the direction of the audience, so largely dispensed with special stage monitoring can be.

Installed in the rear stage area of an event, two-dimensional array of transducers according to the principle of wave field synthesis according to claim 1, characterized in that the audience perceives the sound sources behind the two-dimensional array of transducers largely in the direction of the actors on the stage.

Installed in the rear stage area of an event, two-dimensional array of transducers according to the principle of wave field synthesis according to claim 1, characterized in that the volume decreases in the audience because of the large distance to the virtual sound source or the virtual sound sources slower with the distance than the volume of individual speakers or line arrays in the front stage area.

Installed in the rear stage area of an event, two-dimensional array of transducers according to the principle of wave field synthesis according to claim 1, characterized in that subtracting from the smallest distance of a virtual sound source to a transducer resulting in the smallest number of frames delay in the overall system of all other calculation results In order to eliminate unnecessary latency by the virtual portion of the sound transit time between virtual sound sources and the array of sound transducers without the shape of the wavefronts or their temporal graduations to each other slightly changed.

Installed in the rear stage area of an event, two-dimensional array of transducers according to the principle of wave field synthesis according to claim 1, characterized in that focus points of the wavefronts near special reflectors are generated, which are designed in shape and size that in the audience areas that of the direct wavefronts of the arrangement of sound transducers are insufficiently supplied, the reflections provide sufficient sound level.