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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren sowie eine zugehörige Vorrichtung zur räumlichen Erfassung eines Schallfeldes sowie auf ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur räumlichen Erzeugung eines Schallfeldes. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind für den Bereich der Schallaufnahme und Schallerzeugung unter Verwendung von Strahlenquellen, wie z. B. einem Laser, konzipiert.
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Es gibt seit vielen Jahren Anordnungen und Methoden zur Aufnahme und Wiedergabe von Schall. Vor allem die Wiedergabe findet bis heute ausschließlich nach dem Prinzip der Umwandlung der akustischen Daten in mechanische Bewegungen, z. B. unter Zuhilfenahme von Membranen oder anderen beweglichen Elementen bzw. Festkörpern statt. Ein klassisches Beispiel hierfür ist ein Lautsprecher mit beispielsweise einem oder mehreren elektromechanischen Wandlern. Durch die mechanische Bewegung wird in einem entsprechenden Medium (wie z. B. Luft, Wasser, biologisches Gewebe oder auch einem Festkörper) eine Schallwelle induziert. Hier wird eine Schallwelle im Wesentlichen eine mechanische Energie, die das jeweilige Medium zu einer entsprechenden Schwingung anregt. Um bei Beispiel Luft zu bleiben, wird durch das Einbringen der mechanischen Energie lokal die Dichte der Luft variiert.
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Für spezielle Anwendungen kann auch Ultraschall verwendet werden, um hörbaren Schall zu erzeugen. Hierbei wird der Ultraschall derart erzeugt, dass er mit hörbarem Schall moduliert wird, wobei es durch nicht Nichtlinearitäten bei der Ausbreitung in Luft zu einer Demodulation des Ultraschalls kommt und so wieder hörbarer Schall entsteht.
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Nachteilig bei den bisherigen Verfahren ist, dass das im Raum aus den gespeicherten Daten rekonstruierte Schallfeld dem Original nicht entspricht. Im Laufe der Entwicklung der Wiedergabetechnik (Stereofonie, Quadrofonie, Surround 5.1 bis 7.1) wurden zwar partielle Verbesserungen erreicht, die sich in der Praxis auch etabliert haben. Das grundsätzliche Problem blieb allerdings bei allen Verfahren bestehen:
Eine realitätsnahe Wahrnehmung des entsprechenden Schalls ist auf einen sehr engen Raum beschränkt. Im Kino ist es für wenige Besucher der sog. „sweet spot”, im Wohnzimmer für einen oder zwei Zuhörer eine optimale Position. Ein Durchbruch erreichte die Technologie der Wellenfeldsynthese (WFS), die das reproduzierte Schallfeld sehr nah an das Original heranführt. Allerdings sind sowohl das Verfahren als auch die Technik derart aufwendig, dass es bisher nur bei vereinzelten Anmeldungen geblieben ist. Der Aufwand entsteht dadurch, dass kein Bedarf an einer sehr hohen Anzahl von Lautsprechern (eine Größenordnung von 50 bis 500 Lautsprechern), die einzeln angesteuert werden müssen, gibt. Deshalb ist eine breite Anmeldung im Konsumbereich derzeit unwahrscheinlich. Folglich besteht der Bedarf nach verbesserten Konzepten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen verbesserten Kompromiss aus originalgetreuer Schallfeldreproduktion und technisch bedingter Aufwand zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft ein Verfahren zur räumlichen Erfassung von Schallfeld mit den zwei Basisschritten, kontaktloses Erfassen eines physikalischen Parameters und Bestimmen eines Schalldrucks über die Zeit anhand des erfassten Parameters. Das kontaktlose Erfassen wird für zumindest einen ersten lokalen Bereich im Raum über die Zeit durchgeführt. Der Schalldruck wird dann ebenfalls über die Zeit in dem ersten lokalen Bereich im Raum erfasst, um das Schallfeld im Raum zu erfassen.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen umfasst eine Vorrichtung zur räumlichen Erfassung eines Schallfeldes Mittel zum kontaktlosen Erfassen des physikalischen Parameters und eine Berechnungseinheit zum Bestimmen des Schalldrucks über die Zeit in dem ersten lokalen Bereich.
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Diesen Ausführungsbeispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass erkannt wurde, das anhand von bestimmten physikalischen Parametern, wie z. B. einem kontaktlos bestimmbaren Brechungsindex an einem Punkt im Raum ein Rückschluss auf den Schalldruck gezogen werden kann. Jetzt wird beispielsweise mittels eines Lasers oder beispielsweise mittels einer Strahlungsquelle der Brechungsindex an einem bestimmten Punkt (lokaler Bereich) über die Zeit beobachtet, um so von diesem Punkt aus das Schallfeld derart zu erfassen und synthetisieren, als wäre an dem Punkt ein Mikrofon aufgestellt. So kann man vorteilhafterweise an einem beliebigen räumlichen Punkt den in dieser Position vorliegenden Schalldruck zeitlich aufgelöst und v. a. kontaktlos erfassen.
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Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der physikalische Parameter, wie bereits angedeutet ein lokaler Brechungsindex oder allgemein ein lokaler Schalldruck, eine lokale Dichte, eine lokale Temperatur oder ein lokales optisches Spektrum sein. Für den Fall des Brechungsindex kann entsprechend Ausführungsbeispielen vorteilhafterweise ein Laserscanner eingesetzt werden, der es ermöglicht, an einem Punkt im Raum den entsprechenden Brechungsindex bzw. die Veränderung desselben über die Zeit zu erfassen. Ein derartiger Laserscanner umfasst typischerweise eine Strahlungsquelle, die einen gerichteten Strahl bzw. einen Laserstrahl aussendet und einen optischen oder einen Strahlungsdetektor, der die Veränderung (Reflexion, Absorption, Beugung) des Laserstrahls oder der Strahlung sensorisch erfasst.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wird das kontaktlose Erfassen für einen zweiten lokalen Bereich im Raum wiederholt, um das Schallfeld in Bezug auf seine Ortsauflösung, in Bezug auf seine Verschiebung im Raum und/oder in Bezug auf seine Ausbreitungsrichtung zu bestimmen. Das Bestimmen des Schalldrucks an mehreren Punkten im Raum kann das Schallfeld über eine Fläche oder ein Volumen abgescannt werden. Die Anzahl der lokalen Bereiche und der Abstand derselben voneinander bestimmen die akustische Auflösung zur Ermittlung des Schallfeldes. An dieser Stelle sei jedoch angemerkt, dass bei einer Erhöhung der Auflösung auch die Datenmenge erheblich zunimmt. So fallen beispielsweise für einen Raum von 1 Kubikmeter bis zu 300 GB pro Sekunde an.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zur räumlichen Erzeugung eines Schallfeldes geschaffen, das den Basisschritt des Einbringens von Energie in zumindest einen ersten lokalen Bereich im Raum umfasst. Durch das Einbringen bzw. typische Einbringen der Energie in diesen ersten lokalen Bereich im Raum wird so eine erste Sekundärschallquelle erzeugt, ausgehend von welcher das Schallfeld aufgespannt wird.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wird eine entsprechende Vorrichtung geschaffen, die Mittel zum kontaktlosen Einbringen von Energie in zumindest einen ersten lokalen Bereich im Raum umfasst, wobei das Einbringen von Energie zur Erzeugung der Schallquelle bzw. zum Aufspannen des Schallfeldes dient.
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Diesen Ausführungsbeispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es entsprechend dem oben erläuterten Prinzip bei der Schallaufnahme umgekehrt auch möglich ist, mit der Umkehrung den Schall zu erzeugen, indem Energie, zum Beispiel mittels einer Strahlenquelle oder einem Laser, in den Raum bzw. in einen begrenzten Bereich des Raums eingebracht wird, um so hier zu einer Dichtenänderung an einem beliebigen lokalen Punkt im Raum zu gelangen. Ausgehend von diesem Bereich, in welchem eine Dichtenänderung erfolgt ist, kann eine Schallwelle erzeugt werden. So ist es möglich, mittels gespeicherten und ggf. auch vorverarbeiteten Daten Schall ortsgenau und folglich auch originalgetreu zu rekonstruieren. Für den Bereich der räumlichen Akustik in der Luft bedeutet das, dass unabhängig von der räumlichen Position eines Zuhörers diese eine auditorische Wahrnehmung wie im Schallfeld des Originals erlebt. Die Schallquelle wird entsprechend dem Original im räumlich richtigen Ort rekonstruiert. Dies ist ein bedeutender Vorteil im Vergleich z. B. zur Wellenfeldsynthese, die Wellenfronten, aber nicht Quellen nachbildet.
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Analog zum obigen Vorgehen kann auch hier das Verfahren derart ausgelegt sein, dass der Schritt des Einbringens von Energie für einen zweiten lokalen Bereich wiederholt wird, um so eine zweite Sekundärschallquelle zu erzeugen, mittels welcher das Schallfeld weiter aufgespannt wird. Je nach Implementierung kann dieser Schritt auch für weitere Punkte wiederholt werden.
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An dieser Stelle sei auch angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen das Einbringen von Energie zyklisch erfolgt, um so die entsprechend gewünschte Frequenz erzeugt.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen erfolgt das Einbringen von Energie unter Zuhilfenahme eines Lasers oder allgemein einer Strahlenquelle, die ausgebildet ist, das Medium an dem jeweiligen lokalen Bereich zu erhitzen oder zyklisch zu erhitzen.
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Um auf das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zurückzukommen, sei angemerkt, dass die Vorrichtung auch ausgebildet sein kann, z. B. mittels mehrerer Laser oder mehrerer Strahlungsquellen, die räumlich im Raum verteilt sind, in die eine oder mehreren lokalen Bereiche Energie einzubringen.
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Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockdiagramm illustriert die Wechselwirkung zwischen Schall- und Energiebestrahlung zur Erläuterung des hinter dem erfinderischen Konzept stehenden Prinzips;
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2a ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur kontaktlosen Erfassung von Schall gemäß Ausführungsbeispielen;
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2b ein schematisches Flussdiagram zur Illustration des zugehörigen Verfahrens bei der kontaktlosen Erfassung von Schall;
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2c ein erweitertes Ausführungsbeispiel dieses Konzepts;
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3a ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur kontaktlosen Erzeugung von Schall gemäß Ausführungsbeispielen;
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3b ein schematisches Flussdiagramm des zugehörigen Verfahrens bei der kontaktlosen Erzeugung von Schall;
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3c eine schematische Anordnung eines Hohlspiegels in Kombination mit einer Strahlung zur Illustration des Prinzips der Strahlbündelung zur Schallerzeugung; und
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3d ein erweitertes Ausführungsbeispiel bei der kontaktlosen Erzeugung von Schall.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren im Detail erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung der aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
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Bei nachfolgenden Ausführungsbeispielen zur originalen räumlichen Erfassung eines Schallfeldes wird jeweils davon ausgegangen, dass Schall als mechanische Welle, welche sich im Raum ausbreitet unter Zuhilfenahme von Energiestrahlung erzeugt werden kann bzw. eine derartige Energiestrahlung durch den vorhandenen Schall derart verändert wird, dass der vorhandene Schall wiederum erfasst werden kann. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen ist unter dieser Strahlung Licht, wie z. B. Licht im sichtbaren Bereich oder auch im Infrarotbereich oder auch im Ultraviolettbereich zu verstehen, dass beispielsweise mittels einer Strahlungsquelle, wie z. B. einem Laser erzeugt werden kann und mittels eines Strahlungsdetektors, z. B. einem Fotoelement, wiederum erfasst werden kann.
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1 zeigt eine Schallwelle 10 eines Schallfeldes. Schall stellt der Definition nach die Ausbreitung bzw. die hörbare Schwingung (Schallwelle) von kleinesten Druck- und Dichtenschwankungen in einem elastischen Medium, wie z. B. Luft (oder Gase, Flüssigkeiten bzw. Festkörper) dar. Diese Schallwelle 10 breitet sich als Wellenfront 10a in eine Richtung aus. In diesem Zusammenhang kann auch von einem Schalldruck 10a gesprochen werden. Durch den Schalldruck 10a kommt es in der Wellenfront 10a zu einer lokalen Verdichtung der Luft (vgl. Bezugszeichen 12), die einige physikalischen Effekte nach sich zieht. Da je nach Position und Zeitpunkt im Raum die Verdichtung unterschiedlich ist wird für die nachfolgende Diskussion von einem lokalen Bereich 14, welche mit der Vergrößerungsdarstellung übereinstimmt, zu einem Zeitpunkt T1 ausgegangen.
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Wie bereits gesagt, ist zu diesem Zeitpunkt T1 die Luft im Bereich 12 verdichtet, was für einen lokalen Brechungsindex Änderungen im verdichten Bereich 12 führt. Dieser veränderte Brechungsindex in dem Bereich 14 zum Zeitpunkt T1 kann mittels dem Konzept, welches Bezug nehmend auf 2a–2c erläutert wird gemessen werden, um so einen Rückschluss auf die Wellenfront 10a zum Zeitpunkt T1 in dem lokalen Bereich 14 zu ziehen.
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Weiterhin wäre es auch denkbar, dass die verdichtete Luft 12 sich in einer lokalen Erhöhung der Temperatur des Mediums äußert. Ebenso wäre es umgekehrt möglich, die Luft durch eine lokale Temperaturänderung in dem lokalen Bereich 14 zu verdichten, um so die Wellenfront 10a zu erzeugen. Dies stellt also die Umkehrung dar. Die lokale Verdichtung 12 wäre beispielsweise durch eine Strahlenquelle, wie z. B. einen Laser bewerkstellbar, der auf den lokalen Bereich 14 ausgerichtet ist. Wenn man zu einem Zeitpunkt T1 dann den Laser aktiviert kommt es zu einer Dichtenänderung und zur Erzeugung der Wellenfront 10a. Dieses Konzept wird Bezug nehmend auf 3a–3d erläutert.
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2a zeigt eine Vorrichtung zur räumlichen Erfassung eines Schallfeldes 10 (z. B. Sinfonieorchester in einem Konzertsaal, welches aufgenommen werden soll). Aus dem Schallfeld 10 geht die Wellenfront 10a hervor. In dem Bereich vor der Wellenfront 10a kommt es zu der oben erläuterten Verdichtung 12, die beispielsweise zu einer Brechungsindexänderung der Luft in dem lokalen Bereich 14 führt.
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Mittels der Vorrichtung 20 zur Erfassung eines Brechungsindex an einem beliebigen Punkt im Raum, kann der Brechungsindex in dem lokalen Bereich 14 bestimmt werden. Die Vorrichtung 20 umfasst beispielsweise eine Strahlenquelle 20l, wie z. B. ein Laserstrahl und einen optischen Sensor 20s, wie z. B. eine Kamera. Die Vorrichtung 20 ist mit einer zusätzlichen Berechnungseinheit 22 verbunden, die ausgehend von der mittels der Vorrichtung 20 erfassten physikalischen Parametern für den zumindest ersten lokalen Bereich 14 im Raum den ursächlichen Schalldruck 12 an dem ersten lokalen Bereich 14 zurückberechnet, um das Schallfeld 10 zu erfassen. Diese Berechnungseinheit 22 dient zum einen zur Ansteuerung der Vorrichtung 20 bzw. des Lasers 20l und zur Verarbeitung der optischen Signale, welche mittels der Kamera 20s empfangen sind.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 2b das Verfahren bei der räumlichen Erfassung des Schallfeldes 10 erläutert.
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2b zeigt ein Verfahren 100 zur räumlichen Erfassung eines Schallfeldes 10 mit den zwei Basisschritten 110 und 120. In dem Schritt 110 wird es eine kontaktlose Erfassung des physikalischen Parameters an dem ersten lokalen Bereich 14 über die Zeit, d. h. also für eine Mehrzahl von Zeitpunkten T1 bis T10 durchgeführt, während in dem zweiten Schritt 120 der Schalldruck über die Zeit rechnerisch ausgehend von den Signalen der Vorrichtung 20 berechnet wird.
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Zur Erfassung des Schallfeldes 10 fokussieren die Strahlungsquellen 20c beliebige räumliche Punkte, in den mittels der im Raum angebrachten Strahlungssensoren 20s optische Dichte oder Temperatur zeitlich aufgelöst gemessen werden. Auf diese Weise wird der Schall 10a orts- und zeitaufgelöst durch seine primäre Einwirkung auf die Dichte des Mediums oder durch seine sekundäre Einwirkung auf die lokale Temperatur des Mediums kontaktlos erfasst.
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Durch die Kombination aus gerichteter Strahlung und der sensorisch basierten Messung der Mediumsdichte sowie Mediumstemperatur wird der Schall räumlich und zeitlich aufgelöst erfasst.
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Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich mit Hilfe der Ultraschall-Methoden (US) veranschaulichen: Man schickt in einen Körper (z. B. Bauch einer schwangeren Frau) räumlich und zeitlich aufgelöste US-Signale und erfasst das Echo. Aus dem Echo wird der zeitliche und räumliche Verlauf des ungeborenen Kindes berechnet („Baby-Fernsehen”). Man kann räumlich-zeitliche Information dazu nutzen, z. B. Hirntumoren zu therapieren (US-Chirurgie) oder Nierensteine durch Lithotripsie, indem man die betroffenen Bereiche durch Fokussierung von ansonsten unschädlichen Wellen mit komprimierter Energie zertrümmert.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein beliebiger Punkt, z. B. im lokalen Bereich 14 im Raum der Schalldruck durch gerichtete Strahlung und sensorische Messung zeitlich aufgelöst erfasst werden kann, so dass eine originalgetreue spätere Konstruktion (Nachverarbeitung und Synthesierung) möglich ist.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 100 aufgeführt und zur Zuhilfenahme der Vorrichtung 20 bzw. 20 und 22, derart erweitert werden, so dass der Schall nicht nur für den ersten lokalen Bereich 14, sondern auch für den zweiten lokalen Bereich 14' erfasst werden kann. Diese Anordnung ist in 2c dargestellt.
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2c zeigt ein Schallfeld 10, welches sich beispielsweise durch Überlagerung zweier Punktschallquellen 10p1 und 10p2 einstellt, die dann jeweils eigene Schallwellen punktförmig abstrahlen, die sich zu der Wellenfront 10a überlagern. Die Wellenfront 10a wird an den zwei lokalen Bereichen 14, 14' abgetastet, d. h. gepunktet räumlich und zeitlich aufgelöst.
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Hierzu werden der erste lokale Bereich 14 und der zweite lokale Bereich 14' unter Zuhilfenahme der Strahlenquelle 20l bzw. dem Strahlensensor 20s kontaktlos abgescannt. Die zwei lokalen Bereiche 14, 14' sind beispielsweise wenige Zentimeter oder auch einige Meter voneinander entfernt.
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Bei der Erfassung wird die Strahlenquelle 20l und der optische Sensor 20s zuerst auf den ersten und dann auf den zweiten lokalen Bereich 14 und 14' ausgerichtet und die Schritte 110, 120 für jeden lokalen Bereich 14, 14' wiederholt. Im Resultat ist es vorteilhafterweise möglich so das Schallfeld 10 von mehreren Seiten zu erfassen, um beispielsweise, wenn man auf das Beispiel des Sinfonieorchesters zurückkommt, an dem Punkt 14 eher die Schallquelle 10p1 (Streiche des Sinfonieorchesters) vordergründig erfasst, während man an dem Punkt 14' vordergründig die Schallquelle 10p2 (Piano des Sinfonieorchesters) erfasst. Hierdurch kann nicht nur die räumliche Ausdehnung, sondern auch entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Ausbreitungsrichtung bzw. allgemein die Ausbreitung des Schallfeldes 10 bestimmt werden. Im Sinfonieorchester sind beispielsweise links die Geiger und rechts das Piano angeordnet, so dass im Resultat, ausgehend vom Schallfeld 10 des Sinfonieorchesters des je nach Punkt im Raum zu einer unterschiedlichen Schallausprägung an den unterschiedlichen lokalen Bereichen 14, 14' kommt.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das, was anhand von zwei lokalen Bereichen erläutert wurde, auch für eine endliche Anzahl an lokalen Bereichen wiederholt werden, um beispielsweise eine komplette Fläche im Raum oder ein Volumen im Raum schalltechnisch abzutasten. So kann mit derselben Anordnung 20l und 20s für jeden beliebigen räumlichen Punkt der Schalldruck räumlich und zeitlich erfasst werden, was, wenn man auf das Beispiel des Sinfonieorchesters zurückkommt, dem gleichkommt, dass im Wesentlichen für jeden Platz im Auditorium des Konzertsaals eine akustische Fassung möglich ist. Auf diese Weise werden nicht die Schallquellen selbst, sondern der örtlichzeitliche Schalldruck direkt vor Ort ermittelt und rekonstruiert.
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Entsprechend Ausführungsbeispielen können also auch mehrere Strahlungsquellen und/oder mehrere Strahlungssensoren in dem Raum vorgesehen sein, um die ein oder bevorzugter Weise mehrere Bereiche 14 und 14' schalltechnisch abzuscannen. Hierbei dienen die mehreren Anordnungen der Strahlungsquellen bzw. Strahlungssensoren entweder dazu parallel zueinander mehrere Punkte im Raum (14 und 14') abzuscannen oder auch mehrere Bereiche (vorderer Raumbereich und hinterer Raumbereich) abzuscannen.
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Die räumliche Anordnung von den einen oder auch mehreren Strahlungsquellen 20l und Strahlungssensoren 20s (vgl. 2a und 2c) entsprechend Ausführungsbeispielen so gewählt, dass die Strahlungsquellen 20l und Strahlungssensoren 20s für die Schallerfassung an beliebigen Stellen im Raum, vgl. 14, 14' in 2c) die lokale und schallabhängige Dichte und/oder die Temperatur des Mediums erfassen können. Dies ist beispielsweise anhand der Ausrichtung des Laserstrahls 20s emittiert durch die Laserquelle 20l deutlich ersichtlich. Um den Laserstrahl 20s im Raum auf beliebige Punkte 14, 14' ausrichten zu können, kann entsprechend Ausführungsbeispielen die Laserquelle 20l bewegt werden oder der Laserstrahl 20s mittels eines Objekts abgelenkt werden. Weiter ist es auch denkbar, dass zusätzliche Strahlungsquellen vorgesehen sind.
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Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen immer davon ausgegangen wurde, dass der Brechungsindex (welcher abhängig von der Dichte des Mediums bzw. Temperatur des Mediums (Luft, Wasser oder Festkörper) ist, gemessen wird, kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Messung der Dichte und/oder Temperatur des Mediumanlasses erfolgen. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen muss nicht einmal die Dichte bzw. der Brechungsindex absolut gemessen werden, sondern es reicht auch, dass eine Änderung des Brechungsindexes bzw. der Dichte erfasst wird.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Detektor 20s bezüglich seiner Anordnung im Vergleich zur Strahlungsquelle 20l wesentlich freier ist, so dass von einer beliebigen Position ausgegangen werden kann.
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Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 3a–3d das räumliche Erzeugen eines Schallfeldes mittels des Umkehrungsprinzips zu der Fassung aus den Ausführungsbeispielen aus 3 und 2a–2c erläutert.
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3a zeigt eine Vorrichtung 30 umfassend eine Energiequelle, wie z. B. einen Laser, 30l1 sowie optionaler Weise eine weitere (bevorzugter Weise gleichartige) Energiequelle 30l2. Diese Strahlungsquellen 30l1 und 30l2 sind in dem Raum, in welchem der Schall erzeugt werden soll, räumlich voneinander separiert so angeordnet bzw. ausgerichtet, dass sie für die Schallerzeugung auf einen lokalen Bereich 14 fokussieren können. Dies ist anhand der Laserstrahlen 30s1 und 30s2 illustriert.
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Dadurch, dass die eine oder auch die mehreren Laser 30l1 und 30l2 auf einem Punkt im Raum, z. B. Bereich 14 ausgerichtet sind (vgl. Laserstrahl 30s1 und 30s2). Man kann an diesem Punkt die Temperatur lokal und temporär erhöht werden, so dass ausgehend von dieser Temperaturerhöhung es zu einer Dichtenänderung kommt, wobei durch die Dichtenänderung eine Schalldruckwelle 10a generiert werden kann. Wenn diese Dichtenänderung 14 zyklisch ist, kann die Luft bzw. allgemein das Medium durch die lokale Temperaturänderung zum Schwingen angeregt werden, so dass im Resultat eine sogenannte Sekundärschallquelle 37 an dem ersten lokalen Bereich 14 erzeugt wird. In anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass durch die eine oder mehreren entfernten Strahlungsquellen 30l1 und 30l2 eine lokale, und entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen auch bewegliche, Sekundärschallquelle erzeugt werden kann. Invers kann so der Schalldruck an der Schallquelle (am Ort der zu reproduzierenden Schallquelle) durch die Strahlungsquelle im Original oder verarbeitet rekonstruiert werden.
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Die physikalische Wirkkette bei der Erzeugung der Sekundärschallquelle 37 ist wie folgt: in der Sekundärschallquelle 37 kommt es zu einem Temperaturanstieg bzw. zu einer temporären Temperaturänderung unter lokaler Veränderung des Mediumdrucks, so dass sich das Medium derart ausbreitet, als ob durch einen mechanischen Schallwandler eine mechanisch erzeugte Schallwelle imitiert wird. Insofern dient die Vorrichtung 30 zur kontaktlosen Erzeugung von Schallquellen 37 für die originalgetreue Wiedergabe oder Synthese von Sprache oder Musik oder Ähnlichem im menschlichen Lebensraum (luftgefüllte Räume und Außenbereiche) sowie zur Schallerzeugung in speziellen Bereichen wie Unterwassermusik, ohne dass ein direkter Kontakt des Schallwandlers (wie bisher Lautsprecher, Piezoschallwandler) zum Leben notwendig ist.
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Im Wesentlichen lässt sich dieses Verfahren des Erzeugens der Schallquelle auf einen lokalen Temperatur-Energieeintrag reduzieren, wie anhand des Verfahrens 300 aus 3b deutlich wird. Das Verfahren 300 umfasst den einzigen Basisschritt 310 des Einbringens von Energie in einen ersten lokalen Bereich, wobei dieser Schritt unter Zuhilfenahme von Mitteln zum kontaktlosen Energieeintrag (wie der oben erläuterte Laser) durchgeführt wird. Da dieser Energieeintrag über die Zeit bevorzugter Weise variieren soll, geht diesem Schritt 310 ein optionaler Schritt 320 voraus, in welchem die Mittel zum kontaktlosen Energieeintrag gesteuert werden und nämlich in Abhängigkeit von einem Signal (digitales Audiosignal, PCM-Signal oder anderes Signal zur Beschreibung des Verhaltens der Sekundärschallquelle 37), das von extern zugespielt wird. Dieser Schritt 320 wird von einer vorgeschalteten Signalverarbeitungseinheit 32, die die Energiequellen 30l1 und 30l2 steuert, übernommen. Das Verfahren 300 sorgt aufbauend auf der Methode der Raum-Zeit-Spektralverarbeitung dafür, dass die von der Strahlungsquelle 30l1 und 30l2 fokussierten räumlichen Sekundärschallquellen 37 in allen Freiheitsgraden (Raum, Zeit, Spektrum, Richtung, Geschwindigkeit) beliebig gesteuert werden können. Hierzu werden bevorzugter Weise mehrere Sekundärschallquellen bzw. bewegliche Strahlenquellen oder veränderlich fokussierbare Strahlenquellen genutzt, um diese Steueraufgabe zu ermöglichen. Diese erweiterten Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf 3d erläutert.
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Bevor auf diese erweiterten Ausführungsbeispiele eingegangen wird, wird Bezug nehmend auf 3c eine bevorzugte Ansteuerungsvariante unter Zuhilfenahme von mehreren Strahlenquellen zur Erzeugung einer Sekundärschallquelle 37 erläutert.
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Strahlen S1 entfernter Quellen lassen sich mit Hilfe eines Hohlspiegels 53 in den Brennpunkt 54 fokussieren. Dieses Prinzip ist bspw. aus der Nutzung der Sonnenenergie zur Erzeugung extremer Temperaturen im Fokus eines Hohlspiegels bekannt: Während die Energiedichte der Strahlen vor dem Spiegel sehr niedrig und daher für den Menschen völlig ungefährlich ist, entsteht im Fokus eine Energiedichte, die für Hochenergieanwendungen (metallurgische Schmelze) gebraucht wird.
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Der Effekt der lokalen Energiebündelung durch die Summation der reflektierten Strahlen 52_1, 52_2 und 52_3 wird ohne den Spiegel 53 durch räumlich und zeitlich verteilte Strahlungsquellen 55_1, 55_2 und 55_3 erzeugt. Dafür sind die Quellen 55_1, 55_2 und 55_3 in der Lage, anhand räumlich-zeitlich-spektral arbeitender Verfahren der Signalverarbeitung den gewünschten Fokus 54 unter definierten Freiheitsgraden zu versorgen.
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Durch die Bündelung der von den Quellen 55_1 bis 55_3 kommenden Strahlen 52_1 bis 52_3 entsteht im Punkt 54 eine sekundäre Energiequelle. Diese erhitzt das im vorgegebenen zeitlichen Regime (Schall) das lokale Medium. Dadurch entsteht eine Druckwelle, die sich in Abhängigkeit von den Mediumseigenschaften und der räumlichen Anordnung im Medium ausbreitet. Durch die auf diese Weise erreichte technologische Freiheit im Raum, Zeit, Spektrum, Geschwindigkeit und Richtung wird das Schallfeld rekonstruiert.
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Nachdem nun bei obigen Ausführungsbeispielen erläutert wurde, warum es Sinn machen kann, mehrere Energiequellen bzw. Strahlungsquellen 30l1 bis 30l2 vorzusehen, wird nachfolgend anhand von 3d erläutert, wie mit ein oder bevorzugter Weise zwei Strahlungsquellen 30l1 und 30l2 zwei Sekundärschallquellen 37 und 38 in so ein Schallfeld, ausgehend von den zwei Sekundärschallquellen 37 und 38 generiert werden können.
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3d zeigt zwei Sekundärschallquellen 37 und 38, die mittels zweier Laserquellen 30l1 und 30l2 im Raum, z. B. im Wohnraum reproduziert wurden. Diese zwei Sekundärschallquellen 37 und 38 spannen ein Schallfeld 10 auf, welches so durch Überlagerung (vgl. gestrichelte Linien der Punktschallquellen 37 und 38) in der Wellenfront 10a resultieren. Zur Erzeugung der zwei Sekundärschallquellen 37 und 38 werden die Laserquellen 30l1 und 30l2 entweder entsprechend ausgerichtet (rotiert) oder mittels einer Optik die Laserstrahlen entsprechend gelenkt.
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Die Sekundärschallquellen 37 und 38 erzeugen mechanische Wellen (vgl. gestrichelte Linien) Raum und in der Summe die Wellenfront 10a. Sie wird im Inversverfahren der Strahlungsquellen direkt oder verarbeitet am identischen Ort mit identischem Zeitverlauf rekonstruiert. Bei diesem Vorgehen gibt es hinsichtlich des Wellenfelds keine Differenzen, auch nicht bei veränderlichen Raumbedingungen bzw. bewegten Objekten (Quelle oder Zuhörer). Dieser Fakt erfolgt aus der Rekonstruktion der Schallquellen, nicht der Wellenfronten wie bei der Wellenfeldsynthese. Daher wird eine komplette Unabhängigkeit von diversen Bewegungen anderer Zuhörer in der Nachbarschaft, die z. B. bei der Wellenfeldsynthese-Rekonstruktion beeinflussen, erreicht.
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Bezug nehmend auf die Ausführungsbeispiele aus den 3a–3d sei angemerkt, dass unabhängig von der räumlichen Position eines Zuhörers dieser eine auditorische Wahrnehmung wie im Schallfeld des Originals hat. Die Schallquelle wird entsprechend dem Original im räumlich richtigen Ort rekonstruiert. Dies ist ein bedeutender Vorteil im Vergleich z. B. mit der WFS, die Wellenfronten, aber nicht Quellen nachbildet.
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Bei Flüssigkeiten (Süßwasser, Meerwasser, spezielle Flüssigkeitsbehälter) liegt der Vorteil darin, dass im Vergleich zu bisherigen Schallquellen und Sensoren (Sonar, Echolot, Unterwasserschall) der Schall bzw. Schallquellen kontaktfrei erzeugt werden können. Bei festen Stoffen liegt der Vorteil darin, dass Schall und Schallquellen kontaktfrei erzeugt werden können, z. B. für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung. Für biologisches Gewebe liegt der Vorteil darin, dass sowohl Strahlungs- als auch Ultraschall-/Schall-basierte Diagnostik und Therapie kontaktfrei möglich sind.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Anwendung der Ausführungsbeispiele aus den 3a–3c, die nicht nur auf die eine Schallerzeugung zu Unterhaltungszwecken begrenzt ist, sondern auch auf weitere schalltechnische Anwendungen.
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Beispielsweise wird durch Lasersound kontaktfreie Erzeugung von Schall zum Zwecke der Abstandsmessung (wie Echolot) oder Ortung (Sonar) sowie sonstigen Zwecken, bei den eine kontaktfreie Schallquellenerzeugung sinnvoll oder notwendig ist (z. B. Geologie, Seismologie) möglich. Man könnte von mehreren Satelliten aus auf einen Punkt an der Oberfläche des Wassers oder der Erde (oder der Luftschichten) gerichtete Strahlen so schicken, dass sie einen definierten Schall erzeugen, der sich dann in dem untersuchten Medium ausbreitet. Auf diese Weise könnte man kontaktlos in dem jeweiligen Medium primären oder sekundären Schallquellen (Reflexschichten, lokale Inhomogenitäten) erfassen.
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Schall in festen Stoffen: Kontaktfreie Erzeugung von Schall in Werkstoffen, z. B. für zerstörungsfreie Prüfung. Bisher müssen Schallwandler direkt auf den Werkstoff angebracht werden. Mit Lasersound ließen sich bspw. die Laufräder der ICE-Züge im Vorbeifahren an einer Laseranlage kontaktfrei prüfen.
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Schall im biologischen Gewebe: Licht sowie Strahlung im Allgemeinen (von Infrarot bis Mikrowelle) als auch Ultraschall sowie akustischer Schall stellen wichtige Träger für die Diagnostik dar. Diese können mit diesem Verfahren komplett kontaktfrei realisiert werden.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
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Ein erfindungsgemäß codiertes Signal, wie beispielsweise ein Audiosignal oder ein Videosignal oder ein Transportstromsignal, kann auf einem digitalen Speichermedium gespeichert sein oder kann auf einem Übertragungsmedium wie beispielsweise einem drahtlosen Übertragungsmedium oder einem verdrahteten Übertragungsmedium, z. B. dem Internet, übertragen werden
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Das erfindungsgemäße kodierte Audiosignal kann auf einem digitalen Speichermedium gespeichert sein, oder kann auf einem Übertragungsmedium, wie beispielsweise einem drahtlosen Übertragungsmedium oder einem drahtgebundenen Übertragungsmedium, wie beispielsweise dem Internet, übertragen werden.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
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Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
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Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
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Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
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Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu überfragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
