DE2315565A1 - Schaltungsanordnung fuer einrichtungen zur erzeugung kuenstlichen nachhalles - Google Patents

Description

Patentanwälte Kp!.-Ing. W. Schernnann Dr.-Ing. R. RSger

73 Esslingen (Neckar\ Fabrikstraße 24, Postfach 348

27, März 1973

PA 100 za

Telegramme Patentschutz Esslingennecfcar

A K 6 Akustische u. Kino-Geräte Gesellschaft m.b.H. Wien 15·» Brunhildengasse 1 (Österreich)

Schaltungsanordnung für Einrichtungen zur Erzeugung künstlichen Nachhalles.

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erzeugung künstlichen Nachhalles mit zwei gleichen elektromechanischen Wandlersystemen, die über ein ein- oder mehrdimensionales Laufzeitelement mit örtlich nicht konstanter Foi-tleitungseigenschaft mechanisch gekoppelt sind.

Nachhall ist bekanntlich ein sehr wesentlicher Bestandteil der Raumakustik und als solcher ein wichtiger Psx-ameter für die akustische Qualität von Räumen. Er ist im wesentlichen definiert durch die zeitliche, räumliche und frequenzmäßige Verteilung bzw. Abnahme der in einem Raum befindlichen Schallenergie nach Abschalten riss Origina]Schalles. Im wesentlichen kann die zeitliche, räumliche und frequenzmäßige Struktur des Nachhalles in einem Wiedergaberaum durch die Art der Anregung,durch

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die Geometrie sowie durch die Anordnung von schallabsoj*- bierenden Materialen beeinflußt werden.

Im allgemeinen wird für den Nachhall ein aperiodisches _t für alle Frequenzgruppen gleichmäßiges Abnehmen der Schallenergie gefordert, wobei für tiefere Frequenzen eine ins- .. besondere bei größeren Räumen längere Nachhallzeit als Γ 'bei hohen Frequenzen erwünscht ist.

Die Feinstruktur des Nachhalles besteht"bekanntlich aus einer großen Zahl von Schallrückwürfen'an den Begrenzungsflächen .des räumlichen Continuums und läßt si'ch mit den Mitteln der statistischen Raumakustik quantifizieren. Dem Raumakustiker sind nun eine"-Reihe von Kriterien bekannt, die für die Qualität des Nachhalles und damit-für die gute Akustik eines Raumes verantwortlich sind.

Wesentlich ist unter anderem, daß in diesem Ausklingvorgang diskrete Echos, die nach der Integrationszeit des Ohres,. also nach etwa 30 - 50 msec nach Abschalten des Öriginalschalles eintreffen und als diskrete Schallimpulse hörbar sind, vermieden werden. Ebenfalls unangenehm bemerkbar ■ machen sich periodische Strukturen im Zeitbereich des Äusklingsvorganges (Flatterechos, Rauhigkeit des Klanges). Mit diesen Aussagen für den Zeitbereich systemtheoretisch verknüpft gilt für den Frequenzbereich des über'tragungsmaßec ebenfalls die Forderung, daß die Anzahl der Eigenresonanzen zwar möglichst dicht, jedoch ohne periodische Struktur über das Spektrum verteilt ist und daß alle Eigenresonanzen etwa dieselbe Güte (relative Bandbreite) besitzen.

Die Erfüllung der genannten Kriterien stellt das spezifische Problem, vor allem bei der Schaffung künstlicher Nachhall-* einrichtungen dar. Ein solches Gerät zur künstlichen Erzeugung von Nachhall besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, einem Verzögerungsteil und einem Rückkopplungsteil, Der Verzögerungsteil bewirkt eine Grundverzögerung des zu 30984J70778

verhallenden Signals, während der Rückkopplungsteil eine Vervielfachung dieser einmaligen Verzögerung hervorruft.

Verzögerungs- und Rückkopplungsteil können auch in einera einzigen Element vereinigt sein. Dies ist z.B. bei
mechanischen ein- oder mehrdimensionalen Verzögerungseinrichtungen ' (Wellenleitern), wie bei den bekannten Torsionswellenleitern (Spiralfedern) der Fall, wo das Signal an
einem Ende durch einen geeigneten elektromechanischen
Wandler eingespeist wird und dann das Verzögerungselement (die Feder) durchläuft und am anderen Ende wieder reflektiert wird, wobei sich dieses Spiel mehrmals wiederholt, bis
die Schallenergie durch die innere Reibung des Systems,
bzw. durch die Verluste an den Reflexionsstellen aufgezehrt ist. Die Energie kann an einer beliebigen Stelle des Übertragungssystems wieder abgenommen und in elektrische Energie ungewandelt v/erden.

Wie erwähnt, kann ein solches System ein-, zwei-oder auch mehrdimensional ausgeführt sein. Von besonderem Vorteil
sind infolge ihrer geringen Ausdehnung eindimensionale

Verzögerungssysteme, wobei die Verwendung von Schraubenfedern, die zu Torsionswellen angeregt werden, hinsichtlich der pro Volumseinheit erreichbaren Verzögerung besondere Vorteile bieten. Um die notwendige Anzahl der Eigenresonanzen eines solchen Nachhallsystems zu erreichen, ist es erforderlich, die Grundverzögerungszeit relativ groß zu wählen (etwa 200 - 500 msec). Die sich aus der Anordnung ergebende Echostruktur ist zunächst zwangsläufig periodisch.

Um diesen Nachteil zu beheben, wurde bereits vorgeschlagen (österr. Patent Nr. 279 203), die Fortpflanzungskonstanten der Verzögerungseinrichtung, also beispielsweise der Schraubenfeder, ortsabhängig statistisch

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zu verändern, um die Signallaufzeit entlang der Feder ebenfalls statistisch, zu variieren. Die im makro- sowie im mikroskopischen Bereich bereits verwendeten Methoden ergaben tatsächlich eine außerordentliche Verbesserung der raumakustischen Eigenschaften künstlicher Nachhallerzeuger. Weiterhin wurde bereits vorgeschlagen, ein Gerät zur künstlichen Erzeugung von Nachhall, das aus einer vielfach in sich selbst reflektierenden ein- oder mehrdimensionalen Verzögerungseinrichtung besteht, derart anzuregen, daß das Signal bezüglich irgendeiner energetischen Symmetrieebene des Systems zumindest zweifach eingespeist und an zwei getrennten Abnahmesystemen wieder abgenommen wird, wobei die abgenommenen Signale, so gegeneinander geschaltet sind, daß sich kohärente Anteile auslöschen und nur statistische Anteile, die kein gesetzmäßiges Amplituden- bzw. Phasenverhältnis zueinander haben, übertragen werden. Durch"diese v/eitere Maßnahme gelingt es, die Qualität des Nachhalles weiter zu steigern und alle periodischen Elemente, insbesondere diskrete Echos zu entfernen (österr.Patentanmeldung A 3582/7.0). .

Ausgehend von diesen bekannten Anordnungen zeigt die Erfindung einen Weg, wie mit weiter verringertem Aufwand ein sehr natürlicher, echo- und klängfarbenunverfälschter Nachhall gewonnen werden kann. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus einer ein- oder mehrdimensionalen Verzögerungseinrichtung (Laufzeitelement) mit örtlich nicht konstanten Fortleitungseigenschaften und zwei gleichartigen elektromechanischen Wandlersystemen, Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlersysteme reziproke Wandler .sind, die in Serien- oder Parallelschaltung elektrisch gleichsinnig mittelbar oder unmittelbar an Eingangsklemmen liegen und Teile einer Brücken-; oder

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Differentialschaltung bilden, so daß am Ausgang der Schaltung im wesentlichen nur Differenzspannungen der in den Wandlern entstehenden EMK's auftreten.

Als Verzögerungseinrichtungen können sowohl eindimensionale Gebilde, wie z.B. inhomogene Torsionswellenleiter, als auch zweidimensional Gebilde, wie z.B. dünne, zu Biegewellen angeregte Platten, oder sogar dreidimensionale Gebilde, wie z.B. natürliche Räume oder Schalltanks, herangezogen werden. Naturgemäß ist die Wirksamkeit der Erfindung besonders bei einfacheren Verzögerungseinrichtungen, wie Federanordnungen am zweckmäßigsten.

Als elektromechanische Wandler können im Prinzip alle reziproken Wandler, d.h. Wandler, die sowohl als Schwingungsgeber als auch als Schwingungsaufnehmer verwendbar sind, verwendet werden. Am zweckmäßigsten v/erden dies Drehspulsysteme in Permanentmagnetfeldern oder Drehmagnetsysteme in offenen magnetischen Kreisen mit ruhender Feldspule sein.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß beide Wandlersysteme mit einem Wicklungsanschluß an einer gemeinsamen Eingangsklemme einer Schaltung liegen, die durch vorzugsweise Ohmsche Widerstände zu einer Brückenschaltung ergänzt ist.

Vorzugsweise sind die Wicklungen der Wandlersysteme in einem Zweig einer Brückenschaltung' hintereinander geschaltet und liegen mit ihren freien Enden an den Eingangsklemmen, der andere Brückenzweig ist hingegen vorzugsweise aus Ohmschen Widerständen gebildet.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen der beiden Wandlersysteme in Reihenschaltung an den Eingangsklemmen liegen und jede Wicklung zu einer Wicklung eines gemeinsamen Differential-·

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transformator geführt ist, der eine gemeinsame Ausgangwicklung aufweist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung können der folgenden Beschreibung an Hand, der Zeichnung entnommen v/erden, in der ^ ·

Fig.l die prinzipielle erfindungsgemäße Anordnung zeigt, Fig.2 eine andere mögliche Brückenschaltung darstellt, Fig.3 hingegen eine Schaltung mit Differentialtransformator,
Fig.4 läßt die Anwendung der Erfindung mit einem zwei--

dimensionalen,
Fig.5 mit einem dreidimensionalen Nachhallelement erkennen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich'um eine Brückenschaltung.. An der einen Brückendiagonale liegt die Eingangsspannung U , an der anderen Brückendiagonale tritt die Ausgangsspannung U₂ auf. Die Brücke ist vollkommen symmetrisch aufgebaut. Jeder Brückenzweig .besteht aus einem Ohmschen Widerstand R bzw. R-, dem jeweils ein Wandlersystem 1 bzw. 1'- mit den Impedanzen. R bzw. R¹ in Serie zugeschaltet ist. Die Impedanzen R, R¹ sind gleich groß, ebenso die Widerstände R, und R„. - - " "

Die Wandlersysteme 1, 1' sind mechanisch mittels eines eindimensionalen Wellenleiters 2, beispielsweise einer zu Torsionsschwingungen angeregten Schraubenfeder, gekoppelt. Damit die erfindungsgemäße Wirkung zustande kommt,"darf der Wellenleiter keine konstanten Fortleitüngseigenschaften für die ihm aufgedrückten Torsionsschwingungen aufweisen _t ansonsten die Spannung U₀ immer Null wäre, da es sich ja um eine vollkommen abgeglichene Brückenschaltung handelt. Eine Differenzspannung U₂ kann nur dann auftreten, wenn der Wellenleiter mit statistisch verteilten Störstellen versehen ist, durch die die Symmetrie, in der Figur durch die Symmetrale S veranschaulicht, gestört wird. Die einge-

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speiste Energie pendelt, statistisch vielfach an den Stör-r stellen 3 reflektiert, im Wellenleiter hin und her und erzeugt in den Anregungspunkten, an denen die Wandlersysteme liegen, infolge deren Reziprozität eine Signal-EMK, deren Differenz als Ausgangsspannung U- in der einen Brückendiagonale abgenommen'werden kann. Sollte es zur genauen Abstimmung der Brückenschaltung erforderlich sein, können die Brückenwiderstände.gegebenenfalls auch als komplexe Widerstände ausgebildet werden.

Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme gelingt es, alle diejenigen Signalanteile, die an den beiden Wandlersystemen mit gleicher Phase und gleicher Amplitude auftreten und störende Echos bzw. Periodizitäten hervorrufen wurden, zu kompensieren. Das Ausgangssignal ist weitgehend statistisch und besitzt nur einen geringen Korrelationsgrad, wie dies für einen natürlich klingenden Nachhall erforderlich ist.

Fig. 2 zeigt eine andere Variante einer Brückenschaltung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Wandlersysteme in einem Brückenzweig hintereinandergeschaltet und der andere Brückenzweig enthält nur die Ohmschen Widerstände R, und R₀. Die Brücke ist so abgeglichen, daß R₁. R¹ = R₉. R, wobei R und R' die. gleich großen Impedanzen der Wandlersysteme sind. Wird die Spannung U, an die eine Brückendiagonale angelegt, so tritt, so wie beim vorstehenden Ausführungsbeispiel beschrieben, an der zweiten Brückendiagonale die Differenzspannung der in den beiden Wandlersystemen induzierten EMK's als Ausgangsspannung auf.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem Differential-.transformator T gezeigt. Die beiden Impedanzen R, R' der beiden gleichen Wandlersysteme liegen in Reihenschaltung an der Eingangsspannung U₁. Der Differentialübertrager. T hat drei Wicklungen W, W¹ und W_e. Die Wicklung W ist der

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Wandlerimpedanζ R parallel geschaltet, die Wicklung W¹ der Impedanz R¹ des anderen Wandlersystems.

Der Wicklungssinn der beiden Wicklungen W und W¹ ist so gewählt, daß sich gleichphasige und gleichgroße Spannungen im Transformator kompensieren und nur die auftretenden Differenzspannungen auf die Ausgangswicklung W übertragen werden. . .

Fig. 4 zeigt· eine mögliche Anordnung der, reziproken Wandlersysterne in Verbindung mit einem zweidimensionalen Verzögerungselement, beispielsweise einer zu Biegeschwingungen angeregten dünnen Platte 4, die an ihren Eckpunkten mittels der Federn 5 aufgehängt ist. Wesentlich bei dieser Anordnung ist die vollkommen symmetrische Anordnung der beiden Wandlersysterne 1, 1' bezüglich einer gedachten Symmetrielinie S, die das Verzögerungselement bezüglich seiner Energiespeicherung und Echoamplituden in zwei gleichwertige Hälften unterteilt.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann aber auch in Verbindung mit einem dreidimensioanlen Verzögerungselement angewendet werden, wie dies Fig. 5 entnommen werden kann. 6 stellt beispielsweise einen Hallraum dar, 1 und I¹ sind die beiden reziproken Wandlersysteme. Es ist darauf zu achten, daß auch hier die Symmetrie, in diesem Falle in bezug auf eine gedachte Symmetrieebene SE, eingehalten wird.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   l\) Schaltungsanordnung für Einrichtungen zur Erzeugung künstlichen Nachhalles mit zwei gleichen elektromechanischen Wandlersystemen, die über ein ein- oder mehrdimensionales Laufzeitelement mit örtlich nicht konstanter Fortleitungseigenschaft mechanisch' gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlersysteme reziproke Wandler sind, die in Serienoder Parallelschaltung elektrisch gleichsinnig mittelbar oder unmittelbar an den Eingangsklemmen liegen und Teile einer Brücken- oder Differentialschaltung bilden, so daß am Ausgang der Schaltung im wesentlichen nur Differenzspannungen der in den Wandlern entstehenden EMK^fs auftreten.
2. 2. Schaltungsanordung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wandlersysteme mit einem Wicklungsanschluß an einer gemeinsamen Eingangsklemme einer Schaltung liegen, die durch vorzugsweise Ohmsche Widerstände zu einer Brückenschaltung ergänzt ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen der Wandlersysterne in einem Zweig einer Brückenschaltung hintereinander gesrhaltet sind und mit ihren freien Enden an den Eingangsklemmen liegen, der andere Brückenzweig hingegen vorzugsweise aus Ohmschen Widerständen gebildet ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Wicklungen der beiden Wandlersysteme in Reihenschaltung an den Eingangsklemmen liegen und jede Wicklung zu einer Wicklung eines gemeinsamen DifferentialtransfOm₁EtOrS geführt ist, der eine gemeinsame Ausgangswicklung aufweist.

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