DE19537401A1 - Vorrichtung und Verfahren zum lokalen und gerichteten Abstrahlen von Schallwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum lokalen und gerichteten Abstrahlen von Schallwellen.

Vorrichtungen zum Abstrahlen von Schallwellen sind in Form von Lautsprechern bekannt. Dabei gibt es zur Erzielung verschiedener Effekte verschiedene Bauformen von Laut­ sprechern. Bei der Bauform von dynamischen Lautsprechern ist eine Schwingspule in einem Dauermagneten gelagert. Mit der Schwingspule ist üblicherweise eine Konus- Membran verbunden. Aufgrund der elektrischen Schwingungen wird die Spule in be­ stimmten zeitlichen Abständen (Frequenzen, Impulse) von dem Dauermagneten angezo­ gen und abgestoßen. Dadurch wird die Konus-Membran zu Schwingungen angeregt, die hörbar sind. Die elektrischen Schwingungsimpulse in der Spule werden also in mechanische umgewandelt. Dies stellt sich als stochastisches Modell dar, wobei ein Im­ pulswandler und eine Ausbreitung der ausgesandten Wellen im Impulsvektor-Raum vor­ gesehen ist. Die Konus-Membran überträgt die mechanischen Schwingungen auf die Luft. Die Schallwellen breiten sich dann als mechanische Longitudinalwellen im Raum aus. Die Ausbreitung der vom Schwingungswandler ausgesandten Wellen im Raum ist als kontinuierliches Modell zu verstehen. Die Phasengeschwindigkeit dieser Wellen wird auch als Schallgeschwindigkeit bezeichnet. Ihr größter Wert heißt Geschwindigkeitsamplitude oder Schallschnelle und ist durch folgende Gleichung defi­ niert:

u₀=2πνξ₀ (1).

Die Bewegung eines Volumenelementes in einer longitudinalen Schallwelle wird durch das Druckgefälle längs ihrer Ausbreitungsrichtung bewirkt. Bei fehlender Welle ist ξ₀ = o und der Druck p₀ eine Konstante. Die Druckamplitude Δp₀ bestimmt sich aus der Schall­ schnelle zu

Δp₀ = c·ρ·u₀ (2)

mit c = ν·λ. Werden Druckamplitude und Geschwindigkeitsamplitude (Schallschnelle) für eine ebene Welle in einem homogenen Medium ins Verhältnis gesetzt, ergibt sich:

Darin ist Z der akustische oder Schallwellen-Widerstand und c die Phasengeschwindig­ keit der Welle.

Durch Befestigung eines bekannten Lautsprechers auf einer Schallwand läßt sich die Tieftonwiedergabe verbessern. Die Schallwand kann entweder eben oder ein offenes oder mit Hilfsöffnungen versehenes, speziell ausgebildetes, geschlossenes Gehäuse sein. Anstelle einer Schallwand wird bei höheren Leistungen, wie beispielsweise Kinolaut­ sprechern, auch ein Trichter (Kegel-, Exponential- oder Kugelwellentrichter) verwendet.

Für hohe Töne ab etwa 5 kHz wird oftmals ein getrennter Hochtonlautsprecher verwen­ det. Entweder wird dieser in der Mitte der Tieftonmembran angeordnet. Oder er wird zur besseren Verteilung der hohen Töne im Raum (Raumtonwirkung) auch als seitlich ab­ strahlender Hochtonlautsprecher angeordnet. Die hohen Töne werden nach allen Rich­ tungen abgestrahlt, beispielsweise, wenn mehrere, auf einer Kugel verteilt angeordnete Hochtonlautsprecher (Kugellautsprecher) verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum loka­ len und gerichteten Abstrahlen von Schallwellen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert. Dadurch wird eine Vorrichtung zum Abstrahlen von Schallwellen geschaffen, die der Biauris des Menschen, also dem Hören mit zwei voneinander mit Abstand angeordneten Ohren, Rechnung trägt. Es erfolgt eine zielgerichtete Abstrahlung von Schallwellen in Form eines exakten Richtungsstrahls. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung können akustische Illusionen bei Musik- und Theaterveranstaltungen erzeugt werden, die bei kommerziellem oder privatem Kino er­ lebnisinteressante Gestaltungen ermöglichen. Ein solcher virtueller Aufbau kann auch im Freien erfolgen. Aufgrund der Verwendung eines kleinen Chassis geringen Gewichts und niedriger Betriebskosten erweist sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zudem als besonders wirtschaftlich.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß elektro-akustische Wandler ohrverein­ bar Schallwellen, Geräusche, Klänge, Musik und Sprache übertragen sollten. Unabhän­ gig von allen technischen Meßmöglichkeiten und Meßverfahren sollte hierfür ein hohes Maß an Reinheit und Originaltreue erreicht werden können. Der Erfindung liegt außerdem die Erkenntnis zugrunde, daß das menschliche Ohr Druckgradienten-Analysator ist oder unter Berücksichtigung der Reisner′schen Membran als Piezometer aufzufassen ist. Ein Piezometer dient dem Messen von Kompressibilität. Ein mit Flüssigkeit gefülltes Gefäß weist eine Kapillare auf. Das Gefäß ist mit der Kapillare in einem Druckgefäß, das mit Wasser oder Luft gefüllt ist, vorgesehen. Bei einer Drucksteigerung im Druckgefäß ver­ schiebt sich infolge der Volumenabnahme der Flüssigkeit in dem Kapillarengefäß der Flüssigkeitsfaden der Kapillaren. Dies Phänomen wird mit dem Satz der allseitigen Gleichheit des Druckes erklärt. Danach kann das Ohr nur die mit der Kompressibilität verbundene Volumenänderung erfassen und mit der Matrix des Cortischen Organs ana­ lysieren.

Nach dem 1. Axiom der Rheologie reagiert in einem isotropen Raum jede einge­ schlossene Flüssigkeit, ob tropfbar oder nicht tropfbar, auf eine plötzliche Druckänderung primär elastisch. Nach dem 2. Axiom der Rheologie haben alle Körper gleichzeitig als Antwort auf eine äußere schnelle Krafteinwirkung drei Eigenschaften: 1. sie fließen, 2. sie verformen sich elastisch, 3. sie verformen sich plastisch. Danach sind Gase und Flüssig­ keiten primär elastisch in ihrer Reaktionsantwort auf äußere Krafteinwirkungen. Im Ohr - Paukenhöhle - nutzt die Natur die Elastizität der Luft zur Schallübertragung auf das Runde Fenster und die Kompressibilität beim Transport des Schalls über die Gehör­ knöchelchen und das Ovale Fenster in die Vorhoftreppe. Auf die Frequenz wird also über die Laufzeit des Druckanstieges längs des Weges geschlossen. Die Intensität des Druckanstieges wird über die Breite des Hörrasens erfaßt. Beim menschlichen Ohr wird für die Darstellung von Frequenz und Schalldruck eine Zuordnungsmatrix mit z. B. 7000-8000 Einzelschritten verwendet.

Für den Bau von Vorrichtungen zur Abstrahlung von Schallwellen ist die darstellbare Richtgröße daher nicht die Wellenform der Schallwellen in Abhängigkeit von der Fre­ quenz, sondern die Frequenz der Änderung des Druckanstieges. Die Datenmenge, die vom Ohr in Richtung Gehirn transportiert wird, weist eine Schwankungsbreite von 50 000-9 Mrd.

Einzelinformationen pro Sekunde auf, wobei eine Hörschnecke von 35 mm Länge und eine Taktfrequenz für tiefe Töne von 400 000 Hz und für hohe Töne von 16 Mrd. Hz angenommen wird. Um also optimales Hören zu ermöglichen, sollte die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung zum Abstrahlen von Schallwellen lokal und gerichtet abstrah­ len. Dadurch kann durch das menschliche Ohr eine erheblich größere Menge an Einzelin­ formationen besser aufgenommen werden. Es treten nämlich keine Gemische von ge­ streuten, ungeordnet aus der Vorrichtung austretenden Schallwellen auf, die die Wahr­ nehmung am Ohr behindern könnten, vor allem, wenn die in einem geschlossenen Raum mehrfach ungeordnet reflektiert werden, bevor sie das Ohr erreichen.

Im Prinzip wird eine Vorrichtung zum lokalen und gerichteten Abstrahlen von Schallwellen mit einem Gehäuselautsprecher mit einem Chassis geschaffen, bei der die Vorrichtung ein Hohlkörper mit einer oder mehreren elastisch-schwingfähigen Seitenflächen und mit einer oder mehreren schallharten Seitenflächen ist, bei der der Hohlkörper druckdicht vor dem Chassis des Gehäuselautspechers anbringbar und vorgesehen ist und bei der das Chassis als Schwingungsgeber für die elastisch-schwingfähige Seitenfläche des Hohl­ körpers zum Abstrahlen von Schallwellen mit Luft oder einem anderen Gas als elastischem Übertrager dient. Das Chassis eines Gehäuselautsprechers weist beispiels­ weise eine in einem Dauermagneten gelagerte Schwingspule mit Konus-Membran auf. Mit dieser Schwingspule mit Konus-Membran wird druckdicht die erfindungsgemäße Vor­ richtung verbunden. Die Anbringung des Hohlkörpers vor dem Chassis sollte unmittelbar erfolgen. Der Hohlkörper ist beispielsweise würfel- oder quaderförmig mit einer elastisch­ schwingfähigen und vier schallharten Seitenflächen. Aufgrund der Verwendung von nur einer elastisch-schwingfähigen Seitenfläche wirkt der von dem Lautsprecher mit Schwingspule und Konus-Membran oder planer Membran ausgeübte Druck nur auf diese schwingfähige Seitenfläche. Die übrigen, beispielsweise vier Seitenflächen, sind schall­ hart, also nicht schwingfähig. Sie werden durch den von dem Lautsprecher ausgeübten Druck nicht beeinflußt. Die vier schallharten Seitenflächen sind vorteilhaft aus plastisch wirkenden Materialien mit eventl. zusätzlicher Bedämpfung und die elastisch-schwing­ fähige Seitenfläche aus einem Elastomer, Metall oder dergleichen gefertigt. Ist die elastisch-schwingfähige Seitenfläche größer als die Fläche des Druckgebers, also der Lautsprecher-Membran, wird ein positiver linearer Verstärkungseffekt ohne Änderung des Abstrahlverhaltens des Druckgebers erzielt. Dieser Verstärkungseffekt kann beispiels­ weise durch folgende Formel ausgedrückt werden:

wobei K₁, F₁ die Druckgeberseite darstellen und K₂, F₂ die Abstrahlseite. Die Gleichung ist ableitbar nach dem Prinzip der hydraulischen Presse. Hydraulische Pressen arbeiten nach dem hydrostatischen Prinzip. Hohe Druckenergie des Druckmediums wird dabei in Zylindern in mechanische Arbeit umgesetzt. Die Stößelkraft F, entsprechend der Laut­ sprecher-Membran, wird durch-den Druck p sowie die Kolbenfläche A festgelegt

F = p·A (5).

Sie ist daher unabhängig von der Stößelstellung in dem Zylinder. Der Höchstwert von F, also die Nennkraft F_N, kann nicht überschritten werden. Dies gilt übertragen auch für die Lautsprecher-Membran und die durch die von dieser ausgeübten Druckenergie beauf­ schlagte elastisch-schwingfähige Seitenfläche des Hohlkörpers.

Durch die Druckausübung mit Luft als primär elastisch übertragendem Medium auf die elastisch-schwingfähige Seitenfläche des Hohlkörpers wird diese zum Schwingen ange­ regt und erzeugt aus den elektrischen Signalen von Dauermagnet und Spule mit schall­ harter Membran Schallwellen. Durch die besondere Aufstellung der Vorrichtung im Raum kann dieser wahlweise in allen Raumrichtungen gerichtet von der lokal aufgestellten Vor­ richtung mit Schallwellen versorgt werden.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden mehrere Ausführungsbei­ spiele von Vorrichtungen zum lokalen und gerichteten Abstrahlen von Schallwellen an­ hand der Zeichnungen beschrieben.

Diese zeigen in:

Fig. 1 eine seitliche Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung mit Gehäuselautsprecher,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 eine perspektivische Prinzipskizze einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 eine perspektivische Prinzipskizze zur Aufstellung im Raum von zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen und

Fig. 5 eine perspektivische Prinzipskizze einer Aufstellung von zehn erfindungsgemäßen Vorrichtungen im Raum.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Gehäuselautsprechers 1. An dem Gehäuselaut­ sprecher 1 ist eine Vorrichtung zum lokalen und gerichteten Abstrahlen von Schallwellen vorgesehen. Diese Vorrichtung ist ein würfelförmiger Hohlkörper 2. Eine Seitenfläche 3 ist elastisch-schwingfähig. Vier Seitenflächen 4, 5, 6, 7 des Hohlkörpers 2 sind schallhart. Die Seitenfläche 8 ist mit der die Lautsprecher-Membran tragenden Gehäusewandung 10 des Lautsprechers 1 schallhart verbunden. Mit der Wandung 10 ist über elastische Zentrierungselemente 15, 16, z. B. Federn, eine Konus-Membran 13 des Lautsprechers verbunden. In deren Zentrum ist druckdicht eine Schwingspule 11 angeordnet. Die Schwingspule 11 wirkt mit einem Dauermagneten 12 zusammen. Die Schwingspule 11 wird abwechselnd aufgrund elektrischer Schwingungsimpulse in den Dauermagneten hineingezogen und aus ihm wieder herausgeschoben. Der Dauermagnet 12 ist zu diesem Zweck mit einer elektrischen Schaltung zum Einspeisen der Impulse verbunden. Diese ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Die unteren Zentrierungselemente 16 der Konus-Membran 13 sind ebenso wie der Dauermagnet 12 und die Schwingspule 11 in einem Korb 9 des Lautsprechers 1 angeordnet und mit diesem verbunden. Der Korb 9 besteht beispiels­ weise aus Stahl, Alu oder einem ähnlichen Material.

Durch die schallharte Ankopplung von Hohlkörper 2 und Lautsprecher 1 über die Konus- Membran 13 wird die Bewegung der Schwingspule 11 in den Innenraum 14 des Hohlkörpers 2 übertragen. Die im Innenraum 14 des Hohlkörpers 2 vorhandene Luft oder ein anderes darin vorgesehenes Gas wird dadurch in Bewegung versetzt. Wird die Schwingspule 11 aus dem Dauermagneten 12 herausgedrückt, drückt sie die vor ihr angeordnete Konus-Membran nach außen und komprimiert dadurch die vor dieser befindliche Luft in den Innenraum 14 des Hohlkörpers 2. Dadurch wird die elastisch­ schwingfähige Seitenfläche 3 in Richtung des Pfeils nach außen gepreßt. Wird die Schwingspule 11 anschließend wieder zurückgezogen in den Dauermagneten 12 hinein, bewegt sich auch die elastisch-schwingfähige Seitenfläche 3 wieder nach innen in den Innenraum 14 des Hohlkörpers 2. Diese Hin- und Herbewegung der Luft und der elastisch-schwingfähigen Seitenfläche 3 erzeugt auf der Außenseite der Seitenfläche 3 Schallwellen. Diese werden in den freien Raum ausgesandt in Richtung des Pfeils.

Die elastisch-schwingfähige Seitenfläche wird somit durch die Kombination von Schwingspule, Dauermagnet und Membran, also durch das Chassis des Gehäuselaut­ sprechers, druckmoduliert in Schwingungen versetzt. Zu diesem Zweck ist das Chassis druckdicht mit dem Hohlkörper 2 verbunden. Das Chassis dient also als Druckgeber. Auf­ grund der Verwendung von schallharten Seitenflächen 4-7 werden diese durch den im Innenraum 14 des Hohlkörpers 2 aufgebauten Druck nicht verformt. Die einzige verform­ bare Fläche ist die elastisch-schwingfähige Seitenfläche 3. Diese erzeugt die hörbaren Schallwellen. Sie dient also als äußere Lautsprecher-Membran und ist in vorgegebenen Zeitintervallen verschiebbar.

Die Kompressibilität eines eingeschlossenen Volumens hat die Dimension eines reziproken Druckes. Da die Volumenänderung unter Druckeinwirkung eine Tempera­ turänderung zur Folge hat, muß für die Gewährleistung einer isothermen Kompressibilität durch Wärmeableitung die Temperatur konstant gehalten werden.

Zum Druck- und Temperaturausgleich zwischen dem Innenraum 14 des Hohlkörpers 2 und der Umgebung ist daher ein Druckausgleichsventil 23 in der schallharten Seiten­ fläche 7 des Hohlkörpers vorgesehen. Da der Druck in einem Gas abhängig ist von der Temperatur des Gases, könnte es ohne Ausgleichsventil zu einer Verfälschung der Ab­ strahlung der Schallwellen kommen. Die schwingfähige Seitenfläche 3 des Hohlkörpers 2 könnte auch ohne Anregung durch die Konus-Membran des Lautsprechers, allein durch die Druck- und/oder Temperaturdifferenz (zwischen Innenraum des Hohlkörpers und Um­ gebung) zu Schwingungen angeregt werden.

Das Druckausgleichsventil 23 ist in der der schwingfähigen Seitenfläche 3 benachbarten Seitenfläche 7 angeordnet. Es arbeitet vorzugsweise nach dem rheologischen Prinzip, oder ähnlich wie die Eustachische Röhre beim menschlichen Ohr. Zu diesem Zweck ist auf der Oberseite der Seitenfläche 7 eine elastische, poröse Membran M als Abschluß des Ausgleichsventils vorgesehen. Die Membran M ermöglicht in Verbindung mit der be­ sonderen Formgebung des Druckausgleichsventils den gewünschten Druck- und Tempe­ raturausgleich.

Die Vorrichtung 2 wird vorzugsweise vor dem leistungsstärksten Chassis angeordnet. Dies ist das Baß-Chassis. Der größte Vorteil für diese Wahl liegt bei dem Preis-Leistungs- Verhältnis. Die Anordnung der schwingfähigen Seitenfläche 3 in einem 90°-Winkel zu der Abstrahlrichtung der Konus-Membran 13 ist für die Baß-Wiedergabe sehr vorteilhaft. Die Auslenkung der Seitenfläche 3 durch den Geber (Membran 13 des Lautsprechers) ge­ schieht als Funktion der Zeit. Diese ist bei einem Baß-Geber verhältnismäßig groß, im Vergleich zum Hochton-Geber. Durch die Umlenkung der von der Konus-Membran aus­ gesandten Wellen wird weitere Zeit benötigt, wodurch die Tieftonwiedergabe weiter ver­ bessert wird.

Zur Steuerung der schwingenden Masse des Lautsprechers (Membran, Schwingspule) wird das in der Vorrichtung 2 eingeschlossene Volumen genutzt, in Verbindung mit dem Druckausgleichsventil 23. Die Steuerung geschieht im Gegensatz zu den bekannten Lautsprechern also hinter der äußeren Membran der elastisch-schwingfähigen Seiten­ fläche 3.

In Fig. 2 ist eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Der Hohlkörper 2 weist schallharte Seitenflächen in Sandwich-Bauweise auf. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft für hohe Klangan­ sprüche. Die schallharten Seitenwände sind zusätzlich mit plastisch wirkenden Materia­ lien von außen bedämpft. Beispielsweise kann eine innere Schicht 17 aus Blei, Ton oder dergleichen und eine äußere Schicht 18 aus Metall, Stahl, Glas, polierter Keramik oder dergleichen bestehen. Die elastisch-schwingfähige Seitenfläche 3 ist in Fig. 2 in einen Rahmen 19 aus dem plastisch wirkenden Material, beispielsweise Glas, Metall oder po­ lierte Keramik, eingefügt. Die Seitenfläche 3 ist beispielsweise eine Metallfolie, im Ge­ gensatz zu der Ausführungsform in Fig. 1. Dort wird z. B. eine Membran aus einem Elastomer verwendet.

Die Schwingspule 11 ist mit einer ebenen oder planen Membran 20 des Lautsprechers 1 verbunden. Die Membran 20 ist in der Gehäusewandung 22 mit Zentrierungselementen 21 gelagert. Letztere ermöglichen eine elastische Beweglichkeit der Membran. Auch die Schwingspule 11 wird durch Zentrierungselemente 25 verschiebbar gelagert. Wird die Schwingspule 11 aus dem Dauermagneten 12 herausgedrückt, preßt die plane Membran 20 das Luftpolster zwischen Membran 20 und Seitenfläche 3 in Richtung des Pfeils ge­ gen die Innenseite 24 der Seitenfläche 3. Wird die Schwingspule wieder in den Dauer­ magneten hineingezogen, so kann die elastisch-schwingfähige Seitenfläche 3 wieder in ihre Ausgangslage zurückkehren. Die Auslenkung von Seitenfläche 3 in die ausgelenkte Position 3′ geschieht, im Gegensatz zu Fig. 1, ohne Umlenkung der Druckwellen direkt.

Sowohl für die Anordnung gemäß Fig. 1 als auch für die gemäß Fig. 2 gilt: ein positiver linearer Verstärkungseffekt wird ohne Änderung des Abstrahlverhaltens des Druckge­ bers, also der Schwingspule 11, in Verbindung mit der Membran 13, 20 erzielt, wenn die Fläche der elastisch-schwingfähigen Seitenfläche 3 größer ist als die Fläche des Druck­ gebers. Dieser Verstärkungungseffekt läßt sich mit der Formel (4) beschreiben. Die Modulationszeiten der modulierten Drücke sind vorzugsweise kürzer als 10 Millisekunden. Dadurch ist die Einsetzbarkeit der Formel (4) mit dem ersten rheologischen Axiom reali­ sierbar. Nach den Gasgesetzen ist der Hohlkörper 2 ein Richtungsstrahler. Dies ist durch die Pfeile in Fig. 1 und Fig. 2 angedeutet.

Das Druckausgleichsventil 23 ist so aufgebaut, daß vorzugsweise der in der äußeren Schicht 18 vorgesehene Teilbereich des Ventils 23 eine Füllschicht aus körnigem Material aufweist. Diese wirkt schalldämpfend und druckdurchlässig. Das Ventil 23 ist vorzugs­ weise im Querschnitt rund mit einem Durchmesser von 6-100 µm.

An beiden Außenseiten ist die Füllschicht mit Geweben (Maschenweite z. B. 5 µm) abge­ deckt. Der in der inneren Schicht 17 des Hohlkörpers 2 angeordnete Teilbereich des Ventils 23 ist ein mit Luft gefüllter Hohlraum. Zum Innenraum 14 des Hohlkörpers 2 ist dieser Hohlraum mit einer elastischen, porösen oder porigen Membran abgedeckt.

Alternativ zu dem beschriebenen Ventil 23 kann aber auch ein Bunsen-Ventil oder eine auf der Oberfläche des Hohlkörpers 2 angeordnete röhrenförmige Verlängerung des Ventils 23 vorgesehen sein.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Prinzipskizze einer dritten Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung. Es ist im Gegensatz zu Fig. 2 nur eine runde schallharte Seitenfläche 28 vorgesehen. Die elastisch-schwingfähige Seitenfläche 3 ist eine als Zylindermantel geformte Membran. Sie lagert auf dem Korb 9 des Lautsprechers 1 mit seiner Konus-Membran 13 auf. Aufgrund des in dem Innenraum 14 des Hohlkörpers 2 erzeugbaren Überdruckes wird die Zylindermembran 3 in alle Richtungen nach außen weggedrückt. Der Überdruck und Unterdruck im Innenraum wird durch die Hin- und Herbewegung der Schwingspule 11 und Konus-Membran 13 hervorgerufen.

Anstelle der Verwendung einer Konus-Membran mit Schwingspule in einem Dauermagneten können die modulierten Drücke im Innenraum 14 des Hohlkörpers 1 zur Bewegung der elastisch-schwingfähigen Seitenfläche 3 des Hohlkörpers 2 aber auch durch andere Arten von Lautsprechern erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Blechmembran von einem Elektromagneten angezogen werden. Anstelle der Blechmembran kann aber auch ein frei vor den Polen des Magneten schwingender Anker verwendet werden. Möglich ist auch die Nutzung des piezo-elektrischen Effektes bei einem Kristallautsprecher. Zwei Ecken eines aus zwei Schichten bestehenden quadratischen Kristalls (Seignette-Salz) sind mit dem Innenraum 14 des Hohlkörpers 2 verbunden. Sie schwingen gleichzeitig auf und ab. Die beiden anderen Ecken sind ortsfest gelagert. Des weiteren kann das elektrostatische Prinzip Anwendung finden, dabei wird die elektrostatische Anziehung zweier Metallflächen genutzt, die eine elektrische Spannung gegeneinander führen. Ein solcher elektrostatischer Lautsprecher besteht aus einer dünnen Metallmembran oder einer metallisierten Kunststoffolie und einer davon isolierten festen Gegenelektrode. Anstelle der Membran, die wegen ihrer Trägheit nachteilig sein kann, können auch ionisierte Luftpartikel in Schwingungen versetzt werden.

In Fig. 4 ist eine Aufstellung zweier erfindungsgemäßer Vorrichtungen zum lokalen und richtungsabhängigen Abstrahlen von Schallwellen dargestellt. Die beiden Vorrichtungen sind in zwei Gehäuselautsprechern 30, 31 vorgesehen. Die jeweiligen elastisch­ schwingfähigen Seitenflächen 3 der beiden Vorrichtungen in den beiden Gehäuselaut­ sprechern 30, 31 sind einander zugewandt in +x- und -x-Richtung vorgesehen. Dadurch wird jeder Punkt (jedes Panorama, also jede virtuelle Darstellung) nur durch Variation der Abstrahlleistung der beiden Gehäuselautsprecher 30, 31 gegeneinander abgebildet. Weisen beide Gehäuselautsprecher 30, 31 die gleiche Abstrahlleistung auf, ergibt sich im Bereich der Linie 32 das Abbildungspanorama oder die virtuelle Darstellung.

Man erhält demnach eine stereokonforme Schallabstrahlung. Dies bedeutet, daß ein Hörer 33 sich entweder, wie dargestellt, direkt auf der Linie 32 befinden oder links oder rechts davon plaziert sein kann. Aufgrund der Abbildung jedes Punktes zwischen den beiden Lautsprechern 30, 31 durch Veränderung der Abstrahlleistung der beiden Ge­ häuselautsprecher tritt das bei bekannten Lautsprechern übliche Problem nicht mehr auf, daß sich die Schallwellen für ein stereokonformes Hörbild beim Hörer 33 überlappen müssen. Wird dort nämlich keine Überlappung der von den beiden Gehäuselaut­ sprechern ausgehenden Schallwellen erreicht, hört der Hörer lediglich den linken oder den rechten Lautsprecher. Dies ist ein allgemein übliches Problem, das durch die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung in den Gehäuselautsprechern nicht mehr auftritt.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Anordnung von zehn Lautsprechern mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen im Raum. Anstelle der beiden Gehäuselaut­ sprecher 30 und 31 in Fig. 4 sind jeweils fünf Gehäuselautsprecher, nämlich am Ar­ beitspunkt I die Gehäuselautsprecher 34, 35, 36, 37, 38 und am Arbeitspunkt II die Ge­ häuselautsprecher 39, 40, 41, 42, 43 angeordnet. Durch die Anordnung der jeweils fünf Gehäuselautsprecher in fünf Raumrichtungen wird eine halbkugelförmige räumliche Ab­ strahlung der Schallwellen erzeugt. Diese geht von den lokal angeordneten Ge­ häuselautsprechern in vorbestimmbare Richtungen aus. Wenn die Abstrahlleistung von den Gehäuselautsprechern im Arbeitspunkt I und II identisch ist, wird ein virtueller Sprecher SV zwischen den beiden Arbeitspunkten I und II abgebildet. Aufgrund des beim virtuellen Sprecher SV herrschenden Intensitätsmaximums kann der Hörer 33 über sein Ohrenpaar diesen virtuellen Sprecher lagemäßig erfassen. Dies gilt sowohl für ge­ schlossene Räume als auch für eine freie Umgebung.

Ist ein geschlossener Zuhörerraum mit Hörern 33 und mit Lautsprechern, wie in Fig. 5 dargestellt, versehen, so können die Hörer 33 lediglich auf einer Seite der Lautsprecher­ anordnungen sitzen. In Fig. 5 ist dies der Fall für die positive y-Richtung. In den beiden Arbeitspunkten I und II können daher jeweils zwei Lautsprecher entfallen. Im Ar­ beitspunkt I sind dies die Lautsprecher für die -x- und die -y-Richtung, im Arbeitspunkt II sind es die Lautsprecher für die -y- und die +x-Richtung. Dies sind jeweils die Raumrich­ tungen, die von den Hörern 33 wegweisen. Sollen jedoch akustische Illusionen und/oder Sinnestäuschungen erzeugt werden, sind die in Fig. 5 dargestellten zehn Lautsprecher erforderlich. Die akustischen Illusionen entstehen durch das Reflektieren in zeitlichen Abständen der Schallwellen an den Wänden des Raumes.

Zusätzlich zu den beiden in Fig. 5 dargestellten Arbeitspunkten I und II können auch darüber hinaus weitere Arbeitspunkte in einem geschlossenen oder offenen Raum ge­ wählt werden. Spezielle akustische Effekte können dann durch präzise schalltechnische Planung und zeitliche Ablaufplanung erzielt werden. Dabei sind die Größe des jeweiligen Raumes und die daraus resultierenden Laufzeiten der Schallwellen zwischen zwei Reflektionen zu berücksichtigen.

Aufgrund der jeweils nur lokal und in eine Raumrichtung abgestrahlten Schallwellen treffen diese auch präzise in einem bestimmten Neigungswinkel auf Begrenzungswände eines geschlossenen Raumes. Die Reflektionen der Schallwellen an den Wänden können dadurch gesteuert werden. Der Hörer kann Klänge und nicht lediglich ungeord­ nete Rauschgemische aus den Lautsprechern empfangen. Das menschliche Ohr kann diese Klänge daher aufgrund der getrennten Einzelinformationen optimal aufnehmen, wie bereits eingangs beschrieben.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können anstelle der Abstrahlung von Tönen zur Wiedergabe von Musik aber auch in anderen technischen Bereichen Anwendung finden. Beispielsweise können sie zum Entklumpen von Maischen verwendet werden. Die Maische, z. B. Papiermaische, wird durch das gezielte, also lokale und richtungsabhän­ gige Aufbringen von Druck durch die von der schwingfähigen Seitenfläche der Vorrich­ tung ausgehenden Schallwellen homogenisiert. Es ist dabei ein starker Energieeintrag möglich. Die Frequenzen der Schwingungen der elastischen Seitenfläche der Vorrichtun­ gen liegen z. B. bei 80-100 Hz.

Die Hohlkörper (Vorrichtungen) können über der Maische in einer darüber angeordneten Hänge-Vorrichtung vorgesehen sein. Anstelle der Homogenisierung der Maische können auch Biomassen durch das gezielte Aufbringen der Schallwellen gerührt werden. Auf­ grund der Wirksamkeit des hydraulischen Prinzips für den Druckgeber und die elastische Seitenfläche der Vorrichtung können bei kleinem Energieeintrag durch eine große Sei­ tenfläche große Kräfte auf die Biomasse ausgeübt werden.

Anstelle eines würfel-, quader- oder zylinderförmigen Hohlkörpers kann auch ein beliebig geformter Körper vorgesehen sein. Zur Sicherstellung der Abstrahlung der Schallwellen in eine bestimmte Richtung ist eine elastisch-schwingfähige Seitenfläche vorgesehen. Es ist auch möglich, anstelle von drei Hohlkörpern mit je einer schwingfähigen Seitenfläche, die in drei Raumrichtungen strahlen, einen Hohlkörper mit drei elastisch-schwingfähigen Seitenflächen und zwei schallharten Seitenflächen vorzusehen.

Anstelle der Anordnung gemäß Fig. 5 können neun Vorrichtungen gemäß Fig. 1 oder 2 in Verbindung mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 3 kombiniert werden. Dadurch wird ebenfalls eine räumliche Abstrahlung in Form einer Halbkugel erzeugt. Die neun Vorrichtungen sind dazu vorteilhaft am äußeren Umfang der zylindrischen Vorrichtung druckdicht angeordnet. Oder es wird die Anordnung gemäß Fig. 5 dahingehend modifiziert, daß eine Vorrichtung 34, 35, 36, 37, 38 oder 39, 40, 41, 42, 43 durch die zylindrische Vorrichtung nach Fig. 3 ersetzt wird.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum lokalen und gerichteten Abstrahlen von Schallwellen mit einem Gehäuselautsprecher (1) mit Chassis (11, 12, 13), dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung ein Hohlkörper (2) mit einer oder mehreren elastisch­ schwingfähigen Seitenflächen (3) und mit einer oder mehreren schallharten Seitenflächen (4, 5, 6, 7, 28) ist,
daß der Hohlkörper (2) druckdicht vor dem Chassis (11, 12, 13) des Gehäuselaut­ sprechers (1) anbringbar und vorgesehen ist, und
daß das Chassis (11, 12, 13) als Schwingungsgeber für die elastisch-schwingfähige Seitenfläche (3) des Hohlkörpers (2) zum Abstrahlen von Schallwellen dient mit Luft oder einem anderen Gas als elastischem Übertrager.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweils leistungsstärkste Chassis (11, 12, 13) des Gehäuselautsprechers (1) als Geber für modulierte Drücke zur Beaufschlagung der elastisch-schwingfähigen Seitenfläche (3) des Hohlkörpers (2) dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung entweder unmittelbar oder mittelbar mit dem Chassis (11, 12, 13) in Verbindung steht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schallharten Seitenflächen (4, 5, 6, 7, 28) zusätzlich mit plastisch wirkenden Materialien sandwichartig von außen bedämpft sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch-schwingfähige Seitenfläche (3) größer ist als die Fläche des Druck- oder Schwingungsgebers (13) zum Erzielen eines positiven linearen Verstärkungs­ effektes.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (2) würfelförmig, quaderförmig oder zylindrisch ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch-schwingfähige Seitenfläche (3) auf einer Metallfolie oder einem Elastomer in Form einer Membran besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die schallharten Seitenflächen (4, 5, 6, 7, 28) aus einem Metall, Stahl, Glas oder polierter Keramik bestehen und wahlweise zusätzlich sandwichartig mit einer Beschichtung aus Blei oder Ton versehen sind.

9. Verfahren zum lokalen und gerichteten Abstrahlen von Schallwellen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für eine stereo-konforme Schallwellenabstrahlung zwei Gehäuselaut­ sprecher (30, 31) mit jeweils einer Vorrichtung mit einem Hohlkörper (2) in +x und -x-Richtung einander zugewandt angeordnet werden, und daß jeder Punkt zwischen den Lautsprechern (30, 31) durch Variation der Abstrahl­ leistung des ersten Gehäuselautsprechers (30) gegen den zweiten Gehäuselaut­ sprecher (31) oder umgekehrt abgebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für eine räumliche Abstrahlung in Form einer Halbkugel jeweils fünf Gehäuselaut­ sprecher (34, 35, 36, 37, 38) in einem ersten Arbeitspunkt (I) und fünf Gehäuselaut­ sprecher (39, 40, 41, 42, 43) in einem zweiten Arbeitspunkt (II) mit jeweils einer Vor­ richtung mit einem Hohlkörper (2) angeordnet werden, wobei für räumliches Hören in einem geschlossenen Raum jeweils zwei von den Hörern (32, 33) wegweisende Gehäuselautsprecher (35, 39) verzichtbar sind.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für eine räumliche Abstrahlung in Form einer Halbkugel eine zylindrische Vorrichtung in Kombination mit neun würfel- oder quaderförmigen Vorrichtungen verwendet wird.