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Erfunden
wurden Vorrichtungen, die mit einem oder mehreren Ultraschallsendern
(1) Ultraschall (2) vorzugsweise stark gerichtet
aussenden und dieser während der Ausbreitung durch den Raum
(4) von fremden Schallwellen (5) moduliert wird
und anschließend von einem oder mehreren Ultraschallmikrofonen
(3) erfasst wird mit dem Ziel, aus der Modulation die fremden
Schallwellen zu rekonstruieren.
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Anwendungen
ergeben sich überall dort, wo herkömmliche Mikrofone
optisch oder physisch störend wirken, aufwendig angelegt
oder aufgebaut werden müssen oder zerstört werden
könnten.
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Stand der Technik
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Mikrofone
herkömmlicher Bauart zum direkten Aufnehmen von Audioschall
sind lange in vielfältigen Ausführungsformen bekannt.
Sie haben alle den Nachteil, dass sie sich direkt am Ort der zu
erfassenden Schallwellen befinden müssen.
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Bekannt
sind weiterhin Verfahren, bei denen im hörbaren Bereich
liegende Schallwellen nicht direkt abgegeben werden, sondern als
Veränderungen der Amplitude (Amplitudenmodulation) einer
Trägerschwingung sehr hohen Frequenz (Ultraschall). Das zugrunde
liegende physikalische Phänomen der akustischen Wahrnehmung
von Summen- und Differenztönen als Folge nichtlinearer
Eigenschaften von Luft wurde bereits von Herman von Helmholtz im
19. Jahrhundert erkannt und untersucht. Die Anwendung der physikalischen
Prinzipien zum Bau eines Ultraschall/Audio-Lautsprechers wird von
Yoneyama u. a. in „The audio spotlight: An Application
of non-linear interaction of sound waves to a new type of loud-speaker
design" (in J. of the Acoustic Society of America, 1983,
Seite 1532–1536) beschrieben.
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Ein
System zur gezielten Beschallung von Teilbereichen eines Raumes
ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 42 30 362 A1 bekannt.
Hierbei werden die Signale zweier Ultraschalllautsprecher mit im
Hörbereich liegenden Schallwellen moduliert. Außerdem
wird durch einen weiteren Lautsprecher ein unmoduliertes Ultraschall-Trägersignal
ausgestrahlt. In denjenigen Teilbereichen des Raumes, in welchen
die modulierten Ultraschallsignale mit dem unmodulierten Ultraschall-Trägersignal
zusammentreffen, werden die im Hörbereich liegenden Schallwellen
durch Demodulation hörbar.
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In
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 196 28 849 A1 werden Richtstrahler beschrieben,
mittels welchen im Hörbereich liegende Schallwellen beschallt
werden. Hierbei wird zur gerichteten, gebündelten Beschallung
ein Ultraschall-Trägersignal durch die im Hörbereich
liegenden Schallwellen moduliert. Dies kann beispielsweise durch
Modulation der Amplitude des Ultraschall-Trägersignals
erfolgen. Das Ultraschallsignal wird mittels eines Parabolreflektors
gebündelt und auf den Hörer hin ausgerichtet.
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Aus
der Schrift
DE 196
28 849 A1 ist ein Richtstrahler bekannt, der mit einem
Parabolreflektor versehen ist, um einen Hörer gerichtet
und gebündelt zu beschallen. Der Strahler wird hierzu direkt
auf den Hörer hin ausgerichtet.
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Möglichkeiten,
die Strahlrichtung eines parametrischen Lautsprechersystems zu beeinflussen, beschreibt
auch die Schrift
US
6 229 099 B1 . Hierin wird vorgeschlagen, zur Richtungsbeeinflussung
des schmal gebündelten Ultraschallsignals entweder spezielle
elektronische An steuermittel (electronic beam forming) zu verwenden
oder aber das Signal über mechanische Spiegelanordnungen
umzuleiten. Eine entsprechende mechanische Spiegelanordnung ist
beispielsweise aus dem Patent
US 4 791 430 A1 bekannt, welches eine so
bezeichnete Ultraschallantenne offenbart.
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Auch
aus der deutschen
DE
102 59 543 B4 ist ein System zur Umlenkung von Ultraschallsignalen
mittels Reflektor bekannt.
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Eine
Anordnung von mehreren Ultraschallstrahlern, die mit unterschiedlichen
Teilfrequenzen arbeiten, wird in der
DE 101 17 528 A1 beschrieben.
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Die
Ultraschallwandler können anstelle der beschriebenen Amplitudenmodulation
auch mit frequenzmodulierten Signale betrieben werden und dabei
Wandlereigenschaften nutzbringend ausnutzen (
DE 101 17 529 B4 ).
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Die
mathematisch-physikalischen Zusammenhänge der Überlagerung
verschiedener Wellenfelder (Wellenfelder unterschiedlicher Frequenz
und gleicher oder unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung) sind beispielsweise
beschrieben in „Die Wechselwirkung zweier ebener
Schallwellen endlicher Amplitude und verschiedener Frequenz",
Dissertation von Klaus Brinkmann, Braunschweig 1966, und „Nonlinear
Wave Processes in Acoustics" von K. Naugolnykh und L. Ostrovski,
Cambridge University Press 1998. Mikrofonarrays zur Schallquellenlokalisation
oder Kartierung von Schall („Beamforming”, Akustische
Kamera) stehen in keinem direkten Zusammenhang mit der Erfindung
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Problemlösung und
erfinderische Tätigkeit
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Der
Nachteil, dass ein Mikrofon den Schall nur in unmittelbarer Nähe
erfasst, lässt sich umgehen, indem ein für den
Menschen nicht hörbarer Ultraschallstrahl als Hilfsmittel
benutzt wird. Dieser wird gezielt durch das Schallfeld der zu erfassenden, fremden
Schallquelle geleitet, wobei er eine Veränderung erfährt:
er wird moduliert. Wird der Ultraschall anschließend wieder
aufgenommen, lässt sich aus der Modulation das zu erfassende,
fremde Schallfeld berechnen. Damit ist am Ort der eigentlichen Schallaufnahme
keine technische Vorrichtung mehr notwendig.
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Ultraschall
mit hohem Schallpegel erfahrt durch die nichtlineare Zustandsänderung
des übertragenden Mediums (z. B. Luft) eine Veränderung
in der Art, dass mit zunehmender räumlicher Wellenausbreitung
das ursprüngliche Signal in seiner Form verändert
wird. Diese nichtlineare Übertragungskennlinie wird zur
AM-Demodulation bei parametrischen Lautsprechern genutzt. Aus der Überlegung heraus,
dass nichtlineare Kennlinien auch in umgekehrter Richtung, also
zur Modulation eines Trägersignals, genutzt werden können,
entstanden Versuchsanordnungen, die gezielt unmodulierten Ultraschall
durch das nichtlineare Übertragungsmedium Luft senden.
Diesem Ultraschall wurde ein hörbarer Schall im Übertragungsmedium überlagert.
Es zeigt sich, dass in Schallausbreitungsrichtung des Ultraschalls
hinter dem Überlagerungsvolumen der Ultraschall im Amplitudenspektrum
zusätzliche Seitenbänder enthält, die
direkt vom hörbaren Schall verursacht wurden. Wenn der
Ultraschall mit einem geeigneten Mikrofon erfasst wird, kann eine
elektronische Signalverarbeitung die Seitenbänder extrahieren
und den ursprünglichen hörbaren (Audio-)Schall
rekonstruieren. Weitere Versuche zeigen, dass dieser Effekt nicht
von der Amplitude des Ultraschalls abhängig ist. Damit
scheinen auch lineare Übertragungseigenschaften der Luft
(anders als beim oben beschriebenen „audio spotlight”)
eine Rolle zu spielen.
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Vorteile
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Die
Vorteile dieser Art der Schallerfassung liegen darin, dass keine
technischen Geräte (z. B. Mikrofone) mit dem Audioschall
konfrontiert werden müssen. Daher wird hier diese Art der Schallerfassung
auch virtuell bezeichnet. Das ermöglicht eine unabhängige
Bewegung oder Ausrichtung der Schallquelle. Die benötigten
technischen Einrichtungen (Ultraschallquelle und Ultraschallmikrofon)
können räumlich typisch 3...20 m entfernt angeordnet werden.
Einerseits stört damit keine technische Einrichtung die
optische Erscheinung (z. B. bei medialer Bilderzeugung), andererseits
hat die Schallquelle selber keine vordergründige Möglichkeit,
die technischen Einrichtungen mechanisch zu beeinflussen (z. B.
zu verunreinigen, zu zerstören oder durch Vandalismus zu
beschädigen).
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Aus
den beschriebenen Vorteilen ergibt sich gewerbliche Anwendbarkeit
in Form von Audioschallaufnehmern als Ersatz für herkömmliche
Mikrofone z. B. bei allen Formen von Audioerfassung, wie Funk- und
Fernsehen, Unterhaltungsveranstaltungen, öffentlichen Kommunikationseinrichtungen
(z. B. Info-Terminals auf Bahnsteigen). Außerdem lassen sich
z. B. Tiergeräusche aus großer Entfernung erfassen
sowie Geräusche bei ungünstigen Umgebungsbedingungen
(große Hitze/Kälte, Druck), wo eine räumliche
Annäherung schwer möglich ist oder herkömmliche
Mikrofone versagen würden. Die Anwendung ist auch z. B.
unter Wasser möglich.
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Ausführungsbeispiele
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Ein
Ultraschallsignal (z. B. mit einer Frequenz von 40 kHz) wird durch
ein Array aus Ultraschallwandlern (1(1))
stark gerichtet in den Raum abgestrahlt. Der Schallpegel beträgt
130 dB in einem Abstand von 1 m und ist konstant. In räumlicher
Entfernung, z. B. im Abstand von 8 m wird ein Ultraschallmikrofon
(3) so angeordnet, dass es den Ultraschall in der Hauptausbreitungsrichtung
empfängt.
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Eine
Audioschallquelle (5) sendet hörbaren Schall (6)
(z. B. einen Sinus-Ton mit f = 1,2 kHz und einem Pegel von 65 dB(A))
in den Ausbreitungsraum des Ultraschallstrahls (4), beispielsweise
mittig zwischen Ultraschalllautsprecher (1) und Mikrofon
(3). Das Mikrofonsignal enthält jetzt neben der
Grundfrequenz des Ultraschalls (40 kHz) auch Seitenbänder (41,2
kHz und 38,8 kHz) im Amplitudenspektrum. Die Seitenbänder
entstehen durch eine Phasenmodulation des Ultraschallsignals entsprechend
des Audioschalls. Eine geeignete Signalverarbeitung (Phasendemodulation)
erlaubt es, aus dem Ultraschallsignal das Audiosignal zurückzugewinnen.
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In ähnlicher
Art und Weise kann man anstelle einer konstanten Frequenz eine linear
veränderliche Frequenz zur Ansteuerung des Ultraschallwandlers benutzen.
Die Frequenz ändert sich praktischer Weise über
genau den Zeitraum, den der Ultraschall für den Ausbreitungsweg
vom Ultraschallsender bis zum Mikrofon benötigt. Das Mikrofon
nimmt dann auch einen frequenzveränderlichen Ultraschall
auf. Entsprechend verändern sich auch die Seitenbänder
im Amplitudenspektrum, die vom erfassten Audiosignal (6) stammen.
Indem man bei der Signalverarbeitung Bandpassfilter einsetzt, deren
Mittenfrequenz sich synchron (gegebenenfalls mit Offset) mit der
ursprünglichen Ultraschallfrequenz verändert,
lässt sich das Volumen, aus dem der auszuwertende Audioschall
kommen soll, von anderen Schallstrahlabschnitten separieren. Damit
nehmen nicht mehr alle Schallstrahlabschnitte gleichberechtigt auf,
es lassen sich gezielt z. B. Störschallquellen unterdrücken.
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Alternativ
kann man zwei Ultraschalllautsprecher (2(1) und (7)) mit unterschiedlichen Frequenzen betreiben
und gezielt die Schallkeulen in einem räumlichen Volumen
(9) überlagern. Die nichtlinearen Eigenschaften
der Luft lassen Ultraschallanteile mit Summen- und Differenzen der
ursprünglichen Ultraschallfrequenzen entstehen, die wiederum mit
einem oder mehreren Mikrofonen (8)(3) aufgefangen
werden. Zusätzlich enthalten die Summen- oder Differenz-Frequenzen
Seitenbänder im Amplitudenspektrum, die von einer Audioschall quelle
(5) stammen, die in den Überlagerungsraum (9)
strahlt. Mit dieser Anordnung lässt sich das Volumen (9),
welches den Audioschall aufnimmt, lokal eingrenzen.
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Praktischer
für eine technische Umsetzung ist es, wenn Ultraschallquelle
und Mikrofon in einem technischen Gerät zusammengefasst
werden können. 3 zeigt dafür eine mögliche
Anordnung, bei der die Reflexion des Untergrundes (10)
zur Schallumlenkung genutzt wird. Da Ultraschallträger
und Seitenbänder in einem nahezu gleichen Frequenzbereich
liegen, erfolgt auch die Schalldämpfung aller Anteile durch
die Luft gleichmäßig. Daher ist auch eine Signalverarbeitung
möglich, wenn der modulierte Ultraschall bereits eine größere
Strecke zurückgelegt hat.
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- 1
- Ultraschallsender
oder Array aus mehren Ultraschallsendern
- 2
- Ultraschall,
der sich räumlich ausbreitet
- 3
- Mikrofon,
welches den Ultraschall erfasst
- 4
- Ausbreiungsmedium
- 5
- Schallquelle,
deren Schallwellen durch den Ultraschall erfasst werden
- 6
- Volumen,
in dem es zu einer Überlagerung von Ultraschall und der
zu erfassenden Schallwellen kommt
- 7
- weiterer
Ultraschallsender oder Array aus Ultraschallsendern, lokal verschieden
von 1
- 8
- weiteres
Mikrofon für Ultraschall, lokal verschieden von 3
- 9
- begrenztes
Volumen, in dem sich Ultraschalle verschiedener Frequenzen überlagern
- 10
- reflektierende
Elemente für den Ultraschall
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4230362
A1 [0005]
- - DE 19628849 A1 [0006, 0007]
- - US 6229099 B1 [0008]
- - US 4791430 A1 [0008]
- - DE 10259543 B4 [0009]
- - DE 10117528 A1 [0010]
- - DE 10117529 B4 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „The
audio spotlight: An Application of non-linear interaction of sound
waves to a new type of loud-speaker design” (in J. of the
Acoustic Society of America, 1983, Seite 1532–1536) [0004]
- - „Die Wechselwirkung zweier ebener Schallwellen endlicher
Amplitude und verschiedener Frequenz”, Dissertation von
Klaus Brinkmann, Braunschweig 1966, und „Nonlinear Wave
Processes in Acoustics” von K. Naugolnykh und L. Ostrovski, Cambridge
University Press 1998 [0012]