DE3590430T1

DE3590430T1 - Lautsprechersystem mit ausgeprägter Richtwirkung

Info

Publication number: DE3590430T1
Application number: DE19853590430
Authority: DE
Inventors: Mikio Katano Osaka Iwasa; Youichi Suita Osaka Kimura; Akira Minoo Osaka Nakamura; Tsuneo Amagasaki Hyougo Tanaka
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1984-08-28
Filing date: 1985-08-26
Publication date: 1986-09-18
Also published as: WO1986001670A1; US4823908A

Description

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.,

1006, Oaza Kadoma, Kadoma-shi, Osaka-fu 571 Japan

Lautsprechersystem mit ausgeprägter Richtwirkung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein parametrisches Lautsprechersystem, das die Nichtlinearitat der Luft gegenüber Ultraschallwellen ausnutzt, um hörbaren Schall mit einer Super-Richtwirkung zu erzeugen. Die Erfindung betrifft erstens ein Verfahren zum Abhalten von Ultraschallwellen hoher Leistung,
zweitens ein Verfahren zum Minimieren der Tiefe durch Benutzung einer Reflektorplatte, drittens ein Verfahren zum Erzeugen einer willkürlichen Richtwirkung
durch Vorsehen eines Ultraschallwellenstrahlers oder einer Reflektorplatte mit einem Bewegungsmechanismus und viertens ein Lautsprechersystem mit ausgeprägter Richtwirkung, in dem ein parametrischer Lautsprecher mit einem beliebigen anderen Lautsprecher kombiniert ist.

JB/mr

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Stand der Technik

Für öffentliche Ansagen besteht ein großes Problem darin, die Richtwirkung frei wählen zu können. Nachdem insbesondere Lärm zu einem der sozialen Probleme geworden ist, ist das Bedürfnis für ein in der Richtwirkung variables, oder in der Richtwirkung steuerbares, Lautsprechersystem aufgekommen. Da die Wellenlänge von Schallwellen gegenüber Licht jedoch sehr groß ist, ist es schwierig, ein Lautsprechersystem darzustellen, das eine Super-Richtwirkung wie ein Punktstrahler hat, während eine breitere Richtwirkung keine Probleme aufwirft.

Bisher wurden hauptsächlich Hornlautsprecher zur Verbesserung der Richtwirkung benutzt, dieses Prinzip hat jedoch den Nachteil, daß ein Horn mit gigantischen Ausmaßen erforderlich wäre, um die Richtwirkung der niedrigen Frequenzen eines solchen Sprachbandes zu verbessern.

Andererseits ist ein Lautsprechersystem (ein parametrisches Lautsprechersystem) vorgeschlagen worden, das die Zusammenwirkung zwischen Ultraschallenwellen endlicher Amplitude und der Nichtlinearität eines Mediums ausnutzt. Ein solches Lautsprechersystem kann gegenüber konventionellen Systemen eine Super-Richtwirkung ergeben und ist in der JP-A-58-119293 beschrieben. Dieses parametrische Lautsprechersystem ist jedoch aus folgenden Gründen in der Praxis kaum angewandt worden:

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(1) Das System hat einen niedrigen Umwandlungs-Wirkungsgrad, und es sind extrem leistungsstarke Ultraschallwellen erforderlich, um einen hörbaren Schall akzeptabler Amplitude zu erzielen, und die Zuhörer sind diesem leistungsstarken Ultraschall ausgesetzt, was zu Hörschäden führen kann.

(2) Da ein bestimmter Raum, parametrisches Feld genannt, erforderlich ist, um aus den Ultraschallwellen einen hörbaren Schall zu produzieren, ist eine erhöhte Länge des Lautsprechersystems erforderlich und der Installationsraum ist begrenzt.

(3) Aufgrund des niedrigen Umwandlungswirkungsgrades ist ein sehr großer und teurer Ultraschallwellenstrahler erforderlich, um einen größeren Zuhörbereich auszufüllen.

(4) Wie bei konventionellen Lautsprechern kann die Richtwirkurig nicht frei gesteuert werden.

Um die Richtwirkung eines Lautsprechers steuern zu können, ist in erster Linie ein Lautsprecher mit einer Super-Richtwirkung erforderlich. Ist eine solche Super-Richtwirkung vorhanden, so kann jedes beliebige Richtverhalten durch Kombination solcher Lautsprecher erzielt werden. Bisher wurden als Lautsprecher mit einer solchen Super-Richtwirkung meist Hornlautsprecher benutzt. Fig. 1 zeigt eine solche Version, bei der ein Äkustikrohr 2 vorgesehen ist, dessen Querschnittsfläche sich graduell verändert und welches ein Horn genannt wird. Das Akustikrohr 2 ist am vorderen Ende mit einem dynamischen, elektroakustischen Wandler 1 versehen, der auch Treiber genannt wird. Die Richtcharakteristik eines solchen

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Hornlautsprechers hängt im wesentlichen von der Form der Seitenwände 3 und der Länge des Horns ab, und es besteht ein Problem darin, daß ein extrem langes Horn erforderlich ist, um eine Super-Richtwirkung bei niedrigen Frequenzen zu erzielen. Das Bezugszeichen 3a bezeichnet eine bewegbare Seitenwand.

Andererseits sind parametrische Lautsprecher schallproduzierende Systeme, die einen nichtlinearen Effekt ausnutzen, um im Vergleich zu konventionellen Lautsprechern eine Super-Richtwirkung zu erzeugen, auch wenn sie mit einer Strahlungsfläche versehen sind, die nur 1/10 der Fläche eines konventionellen Lautsprechers beträgt. Nachfolgend soll das Grundprinzip des parametrischen Lautsprechers in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben werden.

In der Anordnung nach Fig. 2 sind eine tonfrequente Signalquelle 4, eine Hochfrequenzoszillator 5 für die benutzte Trägerwelle, ein Modulator 6, ein Leistungsverstärker 7 und ein Ultraschallwellenstrahler 8 vorgesehen. Das Tonfrequenzsignal der Signalquelle 4 und das Ausgangssignal des Hochfrequenzoszillators 5 (als Trägerwelle) werden dem Modulator 6 zugeleitet. Das Ausgangssignal des Modulators wird durch den Leistungsverstärker 7 verstärkt und dem Ultraschallwellenstrahler 8 zugeleitet und in die Luft in Form einer durch das Tonfrequenzsignal modulierten Ultraschallwelle abgestrahlt. Hat die Schallwelle eine hohe Amplitude mit einem endlichen Wert, so wird die ursprüngliche Wellenform durch die Nichtlinearität des Mediums verzerrt und es entsteht eine große Anzahl von Frequenzkomponenten, die in der ursprünglichen Wellenform nicht enthalten waren. Parame-

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trische Lautsprecher nutzen einen dieser nichtlinearen Effekte aus, der parametrische Interaktion genannt wird. Werden zwei Schallwellen mit endlicher Amplitude und geringfügig voneinander abweichender Frequenz gleichzeitig an das Medium abgestrahlt, so entsteht eine Schallwelle mit Frequenzen, die der Summe und der Differenz der beiden durch nichtlineare Interaktion (parametrische Interaktion) der beiden Schallwellen entsprechen. Sind die ursprünglichen beiden Schallwellen Ultraschallwellen, und wird die Differenz so ausgewählt, daß eine Tonfrequenz entsteht, so wird durch die parametrische Interaktion ein Tonsignal hörbar.

Wird nun angenommen, daß die durch das Tonfrequenzsignal amplitudenmodulierte Ultraschallwelle in die Luft abgestrahlt wird, so wird ein Ultraschallfeld (ein parametrisches Feld) mit einem Spektrum erzeugt, wie es im rechten Teil der Fig. 3 zu sehen ist. Als Resultat wird durch die parametrische Interaktion zwischen der Trägerwelle und den oberen und unteren Seitenbändern das ursprüngliche Tonfrequenzsignal als Differenzfrequenz in der Luft erzeugt. Das auf diese Weise erzeugte Tonfrequenzsignal hat die gleiche Richtwirkung wie die Ultraschallwelle. Da die Ultraschallwelle eine kürzere Wellenlänge als die Tonfrequenz hat, bildet sie eine Schallquelle mit einer Super-Richtwirkung. Durch dieses Verfahren ist es also möglich, eine Schallquelle mit niedriger Frequenz und einer Super-Richtwirkung darzustellen. Die von dem Ultraschallwellenstrahler ausgesandte, modulierte Ultraschallwelle wird als Primärwelle bezeichnet, während die aus der parametrischen Interaktion der Primärwelle entstehende Tonfrequenz als Sekundärwelle bezeichnet wird.

Da ein solcher parametrischer Lautsprecher jedoch die Nichtlinearität eines Mediums zum Ableiten der Sekundärwelle (Tonfrequenz) aus der Primärwelle ausnutzt, ist der Umwandlungswirkungsgrad extrem niedrig. Um z.B. eine Sekundärwelle mit einem Schalldruck von etwa 90 dB zu erzeugen, was ein praktisch akzeptabler Wert ist, ist ein Schalldruck der Primärwelle im Bereich von 140 dB oder höher notwendig. Es ist bekannt, daß wenn Zuhörer einer Ultraschallwelle mit einer solchen hohen Leistung ausgesetzt werden, sie solche nachteiligen Effekte wie z.B. Hörschäden, Benommenheit oder Kopfschmerzen davontragen. Um solche parametrischen Lautsprecher praktisch einsetzen zu können, ist es notwendig, zwischen dem Ultraschallwellenstrahler 8 und einem Zuhörer 9 ein akustisches Filter in der Form eines Bandpasses mit niedriger Frequenz zwischenzuschalten, um die Primärwelle abzudecken und nur die Sekundärwelle durchzulassen (siehe Fig. 2).

Bisher wurden als akustische Filter sogenannte Schalldämmaterialien wie Textilien, Filz oder Glaswolle benutzt, die ihre speziellen Eigenschaften der Absorption eines bestimmten Bandes ausnutzen, oder es wurden Kammern enthaltene Schalldämpfer eingesetzt, die ihrem Aufbau nach nur eine bestimmte Frequenz abschwächen. Jedoch sind keine der konventionellen Schallschluckstoffe oder Kammer-Schalldämpfer für die Benutzung als akustisches Filter für parametrische Lautsprecher geeignet, da konventionelle Schallschluckmaterialien im Hinblick auf eine Abschwächung nur der Tonfrequenz hergestellt werden und weil Kammer-Schalldämpfer für ein Ultraschallband schwierig herzustellen sind.

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Um die Sekundärwelle mit hohem Wirkungsgrad aus der Primärwelle abzuleiten, muß die Ausbreitungslänge der Primärwelle groß sein. Während das Schallfeld, in dem die parametrische Interaktion stattfindet, als eine Art vertikalen Feldes betrachtet werden kann und somit parametrisches Feld genannt wird, beträgt die Länge für ein im wesentlichen abgeschlossenes, parametrisches Feld z.B. 8 m für eine Frequenz von 40 kHz. Die Länge variiert jedoch mit der Frequenz der Trägerwelle dem Schalldruckpegel der Primärwelle usw. Wird das akustische Filter am Anfang angeordnet, so besteht aufgrund der Verkürzung der Länge des parametrischen Feldes (nachfolgend als Feldlänge bezeichnet) das Problem, daß der Schalldruckpegel der erzeugten Sekundärwelle mit einer Abnahme der Richtwirkung ebenfalls abnimmt. Da der Raum für die Demodulation, der parametrisches Feld genannt wird, im Prinzip für die Erzeugung der Sekundärwelle benötigt wird, besteht das Problem, daß die Tiefe des Lautsprechers vergrößert werden muß und der Raum für die Installation beschränkt ist.

Wird der Ultraschallwellenstrahler 8 an der Decke eines Gebäudes befestigt, siehe Fig. 4, so kann auch bei einer vollständigen Abdeckung oder Sperrung der Ultraschallwelle durch das akustische Filter 10 ein Zuhörer 9b direkt mit Ultraschall der Ultraschallquelle 8 berieselt werden, wenn er sich im Abstand vom Lautsprecher aufhält. Ebenso wird ein Zuhörer 9a unmittelbar unterhalb des akustischen Filters mit Ultraschall bestrahlt, der von einer Wand o.dgl. des Raumes oder der Umgebung reflektiert wird. Selbst wenn die Ultraschallwelle eine Super-Richtcharakteristik hat, so erreicht der Pegel der in dieser Weise

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gestreuten Ultraschallwelle innerhalb des Raumes Werte, die nicht als genügend sicher betrachtet werden können.

Wird nicht nur eine Super-Richtwirkung erzeugt sondern wird auch die Richtwirkung frei steuerbar, falls dies erforderlich ist, so ergäben sich erhebliche Vorteile in der Benutzung. Da die Richtwirkung eines Lautsprechers unabhängig davon, ob es sich um eine Direktstrahlertype oder um eine Horntype handelt, von der Form des Horns und der Größe der Membran abhängt, ist es schwierig, die Richtwirkung frei zu steuern. Bisher wurde ein Verfahren benutzt, bei dem die Form der Seitenwände des Horns verändert oder eine Diffusorplatte vorgesehen wurde. Wird z.B. der Winkel der bewegbaren Seitenwand 3a (siehe Fig. 1), die ein Teil der Seitenwand des Horns darstellt, einstellbar ausgeführt, so ist es möglich, eine schmale Richtwirkung zu erzeugen, wenn die bewegbare Seitenwand 3a in der Position a steht, während eine breitere Richtwirkung in der Position B entsteht. Der Bereich jedoch, über den die Richtwirkung durch dieses Verfahren verändert werden kann, ist jedoch verhältnismäßig gering, und es besteht das Problem, daß die Grenzen der schmalen Richtwirkung insbesondere durch die Form der Seitenwände und die Länge des Horns begrenzt wird.

Aufgabe und Lösung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Probleme zu vermeiden und ein Lautsprechersystem mit einer willkürlich wählbaren Richtwirkung vorzuschlagen, der als parametrischer Lautsprecher im praktischen Betrieb verwendbar ist.

Der Grundaufbau des parametrischen Lautsprechers besteht aus einem Modulator zum Modulieren einer Hochfrequenz mit einer Tonfrequenz und einem Ultraschallwellenstrahler zum Ausstrahlen einer Ultraschallwelle mit endlicher Amplitude in ein Medium. Die Erfindung kann für jede der folgenden Aufgaben entsprechend einer von vielen möglichen Konstruktion aufgebaut sein.

Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Zuhörer zu schützen, indem die von dem Ultraschallwellenstrahler des parametrischen Lautsprechers abgestrahlten Ultraschallwellen abgehalten bzw. gesperrt werden. Zu diesem Zweck ist der für die Erzeugung der Tonfrequenz aus der Ultraschallwelle notwendige Raum durch einen Käfig abgeschlossen, um jegliches Durchdringen der Ultraschallwellen zu verhindern, während mindestens ein Teil dieses Käfigs mit einem akustischen Filter versehen ist, das nur die Tonfrequenz durchläßt.

Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Struktur und eines Materials, das für das akustische Filter geeignet ist. Zu diesem Zweck ist das akustische Filter als Laminat aus weichem Polyurethan-Schaum und dünnen Kunststoffolien usw. hergestellt, wobei eine Vielzahl von dünnen Kunststoffolien mit einer Luftschicht dazwischen angeordnet ist.

Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Tiefe des parametrischen Lautsprechers zu reduzieren, um die für die Installationen bestehenden Raumbegrenzungen zu eliminieren. Hierzu wird eine Reflektorplatte im Schallweg des

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ültraschallwellenstrahlers angeordnet, um die Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwelle und der Tonfrequenz zu verändern.

Eine vierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen parametrischen Lautsprecher zu schaffen, dessen Richtwirkung willkürlich eingestellt werden kann. Hierzu wird der Ultraschallwellenstrahler in eine Mehrzahl von Einheiten unterteilt und mit einem bewegbaren Mechanismus versehen, durch den die Form einer Strahlungsfläche für die Schallwellen verändert werden kann, oder ein bewegbarer Mechanismus ist vorgesehen, durch die die Reflektorplatte gewechselt werden kann.

Eine fünfte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Lautsprechersystem für ein öffentliches Ansagesystem mit begrenztem Zuhörbereich zu schaffen, mit dem ein größerer Zuhörbereich von mehreren zehn Personen erreicht werden kann. Hierzu ist das System derart ausgelegt, daß ein zentraler Bereich mit einem konventionellen Lautsprecher mit schmaler Richtwirkung versorgt wird, während die Versorgung eines peripheren Bereiches durch die Benutzung eines parametrischen Lautsprechers erfolgt.

Inhaltsverzeichnis der Figuren

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Hornlautsprechers und eines Verfahrens zur Steuerung der Richtwirkung des Hornlautsprechers;

Fig. 2 ist eine Prinzipdarstellung eines parametrischen Lautsprechers;

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Fig. 3 zeigt eine Darstellung des Frequenzspektrums einer von dem parametrischen Lautsprecher ausgestrahlten Schallwelle;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines zusammen mit einem akustischen Filter in einem Raum angeordneten parametrischen Lautsprechers mit einer Darstellung der Ausbreitung der Primärwellen im Raum;

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des parametrischen Lautsprechers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der mit einem akustischen Filter und einem Käfig zum Einschließen der Primärwelle versehen ist;

Fig. 6 ist eine Prinzipdarstellung ähnlich der Figur 5, bei der der Ultraschallwellenstrahler in fokussierter Bauart dargestellt ist;

Fig. 7 ist eine Darstellung, die das akustische Filter gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt, wobei ein Mikrofon zum Messen der Charakteristik des akustischen Filters vorgesehen ist;

Fig. 8 ist eine Darstellung der Schalldruckpegel der Primärwelle mit bzw. ohne das akustische Filter;

Fig. 9 ist eine Darstellung des Schalldruckpegels der Sekundärwelle mit und ohne akustisches Filter;

Fig. 10 zeigt den Aufbau des akustischen Filters in der Form eines Laminats aus drei Schichten weichen Polyurethan-Schaums mit einer Polyäthylen-Folie gemäß einer dritten Ausführungsform;

Fig. 11 zeigt den Aufbau des akustischen Filters in Form eines Laminats von fünf Schichten gemäß einer vierten Ausführungsform;

Fig. 12 zeigt den Aufbau des akustischen Filters in Form eines Laminats mit Polyäthylen-Folien und dazwischen geschalteten Luftschichten gemäß einer fünften Ausführungsform;

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Fig. 13 zeigt den Aufbau des akustischen Filters mit gitterartigen Abstandsstücken in dem Luftschichtteil nach Figur 12 gemäß einer sechsten Ausführungsform;

Fig. 14 zeigt den Aufbau des parametrischen Lautsprechers mit einer Reflektorplatte, die an dem akustischen Filter befestigt ist, gemäß einer siebten Ausführungsform;

Fig. 15 zeigt ein Richtungsdiagramm zur Darstellung des Unterschiedes in der Richtwirkung, wenn die Sekundärwelle gemessen wird, während der Ultraschallwellenstrahler sich im Brennpunkt der Reflektorplatte befindet, gegenüber den Werten eines konventionellen Lautsprechers;

Fig. 16 zeigt den Fall, wenn die Reflektorplatte gleichzeitig als Leinwand für einen Videoprojektor oder einen Filmprojektor ausgenutzt wird;

Fig. 17 zeigt den parametrischen Lautsprecher in Verbindung mit einer domförmigen Decke und mit einer Reflektorplatte in Parabolform in der Beziehung zu einem nicht-gerichteten Ultraschallwellenstrahler gemäß einer achten Ausführungsform;

Fig. 18 zeigt den parametrischen Lautsprecher in Verbindung mit einer im wesentlichen sphärischen ersten Reflektorplatte, die in dem Brennpunkt einer Kombination aus einer domförmigen Decke und einer zweiten Reflektorplatte mit parabolischer Form angeordnet ist, gemäß einer neunten Ausführungsform;

Fig. 19 zeigt den parametrischen Lautsprecher mit einem Ultraschallwellenstrahler und einer Reflektorplatte, die innerhalb eines geschlossenen Gehäuses angeordnet sind, gemäß einer zehnten Ausführungsform;

Fig. 20 zeigt den parametrischen Lautsprecher,

bei dem eine sphäroide Fläche als Reflektorplatte verwendet wird, gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 21 zeigt den parametrischen Lautsprecher in Verbindung mit zwei Reflektorplatten;

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Pig. 22 ist eine perspektivische Darstellung eines Ultraschallwellenstrahlers, bestehend aus einer Mehrzahl von Einheiten, von denen jede im Winkel veränderbar ist, mit einer konkaven Schallwellenstrahlungsfläche, gemäß einer zwölften Ausführungsform;

Fig. 23 ist eine Draufsicht eines Teils zur Darstellung der Verbindung der Einheiten und eines Bewegungsmechanismus;

Fig. 24 ist eine Draufsicht eines Teils, bei dem die konkave Schallwellenstrahlungsfläche durch den Bewegungsmechanismus gebildet wird;

Fig. 25 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils der Figur 24;

Fig. 26 ist ein Richtdiagramm zur Darstellung der Unterschiede in der Richtwirkung eines flachen bzw. einer konkaven Schallwellenstrahlungsfläche;

Fig. 27 ist eine perspektivische Darstellung einer konvexen Schallwellenstrahlungsfläche gemäß einer dreizehnten Ausführungsform;

Fig. 28 ist ein Richtungsdiagramm zur Darstellung der Unterschiede in der Richtwirkung zwischen einer flachen und einer konvexen Schallwellenstrahlungsfläche;

Fig. 29 zeigt eine schematische Darstellung des parametrischen Lautsprechers, bei dem die Reflektorplatte mit einem Drehmechanismus versehen ist, gemäß einer vierzehnten Ausführungsform;

Fig. 30 zeigt eine schematische Darstellung des parametrischen Lautsprechers, der zwischen einer konkaven Fläche und einer konvexen Fläche verändert werden kann, gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform;

Fig. 31 zeigt eine Draufsicht des Aufbaus eines gerichteten Lautsprechers, der einen parametrischen Lautsprecher und einen konventionellen Lautsprecher in Kombination enthält, gemäß einer sechszehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 32 ist eine Vorderansicht der Figur 31;

Fig. 33 ist ein Diagramm zur Darstellung der

Richtungscharakteristik des gerichteten Lautsprechers nach Figur 31;

Fig. 34 zeigt einen Schnitt durch den Aufbau des gerichteten Lautsprechers nach Figur 31, wobei ein Hornlautsprecher als Direktstrahlungstype und ein parametrischer Lautsprecher des Systems mit einer Reflektorplatte verwendet werden, gemäß einer siebzehnten Ausführungsform; und

Fig. 35 zeigt eine Vorderansicht der Anordnung nach Figur 34.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Nachfolgend wird der Aufbau der ersten Ausführungsform nach Figur 5 beschrieben. Sie enthält einen Ultraschallwandler 40, einen Ultraschallwellenstrahler 8, ein akustisches Filter 10, eine Abschirmung 12, eine Schallwand 13 und außerdem ist ein Zuhörer angedeutet. Da der Modulator, der Leistungsverstärker und die anderen Treibersysteme die gleichen sind, wie in Verbindung mit der Beschreibung des konventionellen, parametrischen Lautsprechersystems beschrieben wurde, werden sie nicht noch einmal erläutert. Das Bezugszeichen 11 deutet schematisch ein parametrisches Feld an.

Der Ultraschallwandler 40 ist ein piezoelektrischer Vibrator mit einem Durchmesser von 9,7 mm, mit einer Mittenfrequenz von 40 khz und einem Schalldruck von 123 dB in einem Abstand von 0,3 m oberhalb der Achse bei einem Eingangssignal von 10 V. Der Ultraschallwellenstrahler 8 besteht aus 120 Ultraschallwandlern

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40, die in einem Honigwabenmuster auf einem Substrat von 130 χ 100 mm angeordnet sind. Das parametrische Feld 11 wird durch die Schallwand 13, die Abschirmung 12 und das akustische Filter 10 abgeschlossen, um jegliches Herausdringen von Ultraschallwellen nach außen zu verhindern.

Die Bezeichnung "abgeschlossen" muß nicht unbedingt bedeuten, daß der entsprechende Raum bzw. das Feld räumlich abgeschlossen ist; es ist auch möglich, gemäß dem Zweck der vorliegenden Erfindung auf andere Weise sicherzustellen, daß die Primärwelle akustisch abgedeckt bzw. gesperrt wird, und zwar entweder durch Benutzung einer porösen, schallabsorbierenden Eigenschaft oder durch Verwendung eines labyrinthartigen Schallkanals, der während des Durchlaufs der Primärwelle den Schall absorbiert.

Der Schallpegel würde in der Mitte unterhalb des akustischen Filters 10 einen Mittelwert von 110 dB und einen Maximalwert von 120 dB erreichen, wenn nur das akustische Filter vorgesehen wäre; die Werte fallen jedoch nach dem Abschluß des Raumes auf einen Mittelwert von 30 dB-bis 80 dB und einen Maximalwert von 90 dB ab. Es wird bemerkt, daß, obgleich die Form des Ultraschallwellenstrahlers 8 eine flache Form wie in Figur 5 hat, es auch möglich ist, den Schalldruck im Zuhörbereich zu erhöhen und die Richtwirkung noch zu verstärken, wenn der Ultraschallwellenstrahler winkelförmig angeordnet ist (siehe Figur 6), oder wenn er in der Form einer sphärischen Schale zum Fokussieren der Schallwellen ausgebildet ist. Die Größe der Abschirmung 12 ist so groß ausgeführt als das Schallfeld der Primärwelle des parametrischen

Feldes noch nicht gestört wird, und zwar ist die Größe zweckmäßigerweise 1 m oder größer im Durchmesser. Es ist jedoch auch möglich, den Effekt auch schon mit einem kleineren Durchmesser weitgehend zu erreichen.

Nachfolgend sollen das Material und der Aufbau des akustischen Filters 10 in Verbindung mit anderen Ausführungsformen beschrieben werden. Der Aufbau gemäß einer zweiten Ausführungsform ist in Figur 7 gezeigt. Es ist ein Ultraschallwellenstrahler 8 zu sehen sowie eine käfigförmige Abschirmung 12, die aus einem Acrylharz von 5 mm Stärke besteht. Weiterhin sind eine Schallwand 13 und ein akustisches Filter 10 aus weichem Polyurethan-Schaum von 120 mm Stärke vorgesehen. Der Ultraschallwellenstrahler 8 und das akustische Filter 10 sind im Abstand von 1,4 m voneinander angeordnet. Im Abstand von 1 m vom akustischen Filter 10 ist ein Mikrofon 14 vorgesehen, welches parallel zum akustischen Filter 10 bewegbar ist, um die Schalldrücke der Primär- und Sekundärwellen zu messen; entsprechende Richtdiagramme sind in den Figuren 8 und 9 gezeigt. Figur 8 zeigt das Richtdiagramm der Primärwelle und Figur 9 zeigt das Richtdiagramm der Sekundärwelle bei 1 kHz. In beiden Figuren 8 und 9 zeigt eine Kurve A die Charakteristik ohne Verwendung des akustischen Filters 10 und der Abschirmung 12, während die Kurve B die Charakteristik unter Verwendung beider Teile darstellt. Die Abszisse stellt den Abstand von der Mittellinie X des Ultraschallwellenstrahlers in Pfeilrichtung a (siehe Figur 7) in positiver Richtung dar, während der Pfeil b den Abstand in negativer Richtung bedeutet.

Aus den Kurven nach den Figuren 8 und 9 wird klar, daB bei einer Abschwächung der Primärwelle in der vorliegenden Ausführungsform um 40 dB die Sekundärwelle (1 kHz) nur um 5 dB abgeschwächt wird, wobei keine Xnderung in der Richtwirkung auftritt.

Nachfolgend soll eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Da in der zweiten Ausführungsform nur weicher Polyurethan-Schaum als akustisches Filter verwendet wird, ist eine große Dicke erforderlich. Aus diesem Grunde wird in der dritten Ausführungsform ein Filter mit einem solchen Aufbau verwendet, bei dem in einem Schichtaufbau eine Folie zwischen weichem Polyurethan-Schaum angeordnet wird; diese Ausführungsform wird in Verbindung mit Figur 10 beschrieben.

Das in Figur 10 gezeigte akustische Filter 10 besteht aus einem Schichtaufbau aus einem Polyäthylen-Film 16 von 18 Mikrometer Stärke zwischen weichen Polyurethan-Schaumschichten 15 von 30 mm Stärke. Werden die Eigenschaften dieses Filters unter gleichen Bedingungen wie bei der zweiten Ausführungsform gemessen, so ergibt sich eine Abschwächung der Primärwelle von 40 dB wie bei der zweiten Ausführungsform, während die Sekundärwelle (1 kHz) um 3 dB abgeschwächt wird und sich die Richtcharakteristik nicht ändert. Dies bedeutet, daß ein Vergleich dieser Ausführungsform mit der zweiten Ausführungsform ergibt, daß die Dicke des Filters reduziert und die Abschwächung der Sekundärwelle minimiert werden kann.

Nachfolgend soll in Verbindung mit Figur 11 eine vierte Ausführungsform beschrieben werden. Durch abwechselndes Schichten von weichem Polyurethan-Schaum

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15 von 30 mm Stärke und Polyäthylen-Folien 16 von 18 Mikrometer Stärke entsteht ein fünfschichtiger Aufbau für das akustische Filter 10. Die Eigenschaften dieses Filters unter gleichen Meßbedingungen wie bei der zweiten Ausführungsform zeigen, daß der Pegel der Primärwelle um 60 dB abgeschwächt wird, siehe Figur 8_r Kurve C. Andererseits beträgt die Abschwächung der Sekundärwelle etwa 6 dB.

Wie aus vorstehendem klar wird, ist bei einer Benutzung von weichem Polyurethan-Schaum allein eine größere Wandstärke erforderlich, um eine bestimmte Abschwächung der Primärwelle zu erreichen, wobei die Abschwächung der Sekundärwelle ebenfalls ansteigt. Wird eine Kunststoffolie dazwischen angeordnet, kann die Wandstärke des Filters zum Erreichen der gleichen Abschwächung der Primärwelle geringer sein, wobei die Abschwächung der Sekundärwelle gleichfalls niedriger wird. Als Material für die Kunststoffolie kann auch ein anderes Material als Polyäthylen verwendet werden, zum Beispiel dünnes Papier, um eine ähnliche Wirkung zu erzeugen. Was die Position der Folie in dem Schichtkörper angeht, so bringt eine Anordnung auf der der Schallquelle abgewandten Seite gegenüber der Kitte der Stärke verbesserte Resultate. Wenn eine Fläche auf der Seite der Schallquelle aus weichem Polyurethan-Schaum besteht, so kann die Frequenzcharakteristik des Schalldruckes der Sekundärwelle geglättet werden.

Figur 12 zeigt eine fünfte Ausführungsform des akustischen Filters. Polyäthylen-Folien 16 von 18 Mikrometer Stärke (nachfolgend als Folien bezeichnet) sind in drei Schichten angeordnet und durch Ab-

Standsstücke 17 von 1 cm im Abstand voneinander gehalten. Werden die Eigenschaften eines solchen akustischen Filters gemessen, so wird der Schalldruckpegel der Primärwelle um 30 dB abgeschwächt, während die Sekundärwelle nur eine Abschwächung von 2 dB erfährt und keine Änderung in der Richtcharakteristik auftritt.

Da der Käfig und das akustische Filter für den parametrischen Lautsprecher eine GröBe von etwa einem Durchmesser von 1 m aufweisen müssen, damit das Schallfeld der Primärwelle im parametrischen Feld nicht gestört wird, ist es in einem solchen Fall schwierig, die dünnen Folien 16 in einem vorbestimmten Abstand zu halten. Der mittlere Bereich einer Folie wird unvermeidlicherweise lose durchhängen und die Nachbarfolie berühren. Sobald dies erfolgt, wird die Sekundärwelle stark abgeschwächt wie in dem Fall, wenn nur eine einzige, dicke Folie verwendet wird. Obgleich ein solcher Kontakt vermieden werden kann, wenn die Folien 16 unter Spannung befestigt werden, so wäre das Ergebnis, daß die Folien 16 wie ein Trommelbespannung bei einer Frequenz vibrieren, bei der eine Stehwelle entsteht. Hierdurch verschlechtert sich nicht nur die Schallqualität aufgrund der kammartigen Unregelmäßigkeiten im Frequenzgang des Schalldruckes der Sekundärwelle, sondern die Sekundärwelle wird aufgrund der starken Schallreflexion der Folien 16 abgeschwächt. Dies bedeutet, daß es nicht zweckmäßig ist, die Folien 16 unter Spannung zu befestigen. Aus diesem Grunde wird eine sechste Ausführungsform eines akustischen Filters 10 vorgeschlagen, das in Figur 13 gezeigt ist. in dieser Ausführungsform sind zwischen benachbarten Folien 16 zweite

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Abstandsstücke 18 angeordnet, die durch Ausschneiden aus weichem Polyurethan-Schaum in Gitterform gebildet werden. Obwohl als Material für die gitterförmigen Abstandsstücke 18 auch Holz, harter Kunststoff oder anderes Material verwendet werden könnte, ist es besser, ein Material für die Abstandsstücke 18 zu verwenden, das eine gute Schallschluckeigenschaft und weniger Reflexionsvermögen aufweist, da hartes Material dazu neigt, die Ultraschallwelle zu reflektieren und die Schallquelle der Sekundärwelle negativ zu beeinflussen. Vorzugsweise werden die gitterförmigen Abstandsstücke 18 nicht durch Kleben mit den Folien 16 verbunden, so daß auch bei einem horizontalen Spannen der Folien 16 der Abstand zwischen den Folien 16 auf einem konstanten Wert gehalten wird und die Eigenschaften des akustischen Filters 10 dabei nicht verschlechtert werden.

Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform die Folien 16 in drei Schichten angeordnet sind, so ist es natürlich möglich, mehrere solcher Folien vorzusehen und ähnliche Effekte zu erreichen, auch dann, wenn als Material für die Folien andere Kunststoffolien oder Papier verwendet wird.

Nachfolgend soll ein parametrischer Lautsprecher mit einer Reflektorplatte in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben werden.

Figur 14 zeigt den Aufbau einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist eine Reflektorplatte 19 mit einer paraboloiden Fläche mit einem Durchmesser von 1,2 m in Längsrichtung vorgesehen, die aus verstärktem Kunststoff besteht. Im Brennpunkt

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der paraboloiden Oberfläche ist ein Ultraschallwellenstrahler 8 angeordnet. Der Ultraschallwellenstrahler 8 wird durch einen aus Kunststoff bestehenden Arm 21 gehalten, und auf die Vorderfläche der Reflektorplatte 19 ist ein akustisches Filter 20 aufgeklebt, das aus Polyurethan-Schaum von 50 mm Stärke besteht. Sowohl die Primärwelle als auch die Sekundärwelle passieren, wenn sie durch die Reflektorplatte reflektiert werden, das akustische Filter zweimal (vor und nach der Reflexion). Während der Schalldruck der Primärwelle stark abgeschwächt wird, werden der Schalldruck der Sekundärwelle und die Richtcharakteristik nicht wesentlich beeinflußt. Werden die Schalldruckpegel der aus dem akustischen Filter 20 herauskommenden, reflektierten Wellen gemessen, so beträgt dieser bei Vorhandensein des akustischen Filters 20 110 dB, was um 30 dB niedriger liegt als in dem Fall, wo kein akustisches Filter 20 vorgesehen war. Der Schalldruckpegel der Sekundärwelle betrug bei 1 kHz 70 dB, wenn kein akustisches Filter 20 benutzt wurde, und dieser Wert erniedrigt sich um 4 dB auf 66 dB, wenn das akustische Filter 20 vorhanden.

Die Richtcharakteristik bei 1 kHz in einer Position im Abstand von 2 m von der Mitte der Reflektoroberfläche ist in Figur 15 gezeigt. Die durchgezogene Linie a zeigt die Richtcharakteristik im Falle des parametrischen Lautsprechers der vorliegenden Ausführungsform, während die gestrichelte Linie b die Richtcharakteristik zeigt, wenn ein konventioneller, piezoelektrischer Flachlautsprecher im Brennpunkt angeordnet wird.

Durch entsprechende Integration des Ultraschallwellenstrahlers 8, des akustischen Filters 20 und der

Reflektorplatte 19 wird bei der vorliegenden Ausführungsform ein Aufbau erhalten, bei dem der Schalldruck der Sekundärwelle nur um 4 dB abfällt, während der Schalldruck der Primärwelle um 30 dB abgeschwächt wird. Es ergibt sich eine Superrichtcharakteristik mit sehr kleinen Seitenzipfeln im Vergleich zu den Daten von konventionellen Lautsprechern. Figur 16 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Reflektorplatte gleichzeitig als Schirm bzw. Leinwand eines Film- oder Videoprojektors 22 oder dergleichen benutzt wird, wobei die Richtungen des Bildes und des Schalls aufeinander abgestimmt werden können, was bisher sehr schwierig war. Im vorliegenden Beispiel ist der Projektor 22 ein Bildprojektor.

Figur 17 zeigt eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Schallwellenstrahlungsfläche eines Ultraschallwellenstrahlers 23 ist mit im wesentlichen sphärischer Oberfläche ausgebildet, wobei die Richtcharakteristik der Sekundärwelle in dem sphärischen Raum nicht gerichtet ist. Eine Reflektorfläche 24 in der Form einer paraboloiden Oberfläche dient gleichzeitig als domförmige Decke in einem Gebäude. Wird der Ultraschallwellenstrahler im Brennpunkt der paraboloiden Oberfläche angeordnet, so erfolgt keine Änderung des Schalldruckpegels unmittelbar darunter, so daß die Position der Schallquelle nicht ermittelt werden kann.

Eine neunte Ausführungsform ist in Figur 18 gezeigt. Hier ist ein Ultraschallwellenstrahler 23a auf der Oberseite einer paraboloiden Reflektorplatte 25 angeordnet, und die Sekundärwelle wird nach einer ersten Reflexion durch eine im wesentlichen sphärische

Reflektorplatte 24 durch die Reflektorplatte 25 erneut reflektiert. Die hierdurch erzielte Wirkung ist der des davor beschriebenen Ausführungsbeispiels ähnlich.

Obwohl es in den Figuren 17 und 18 nicht gezeigt ist, ist es möglich, die Primärwelle durch ein akustisches Filter auf der Oberfläche der Reflektorplatte zu reflektieren, wie es im Falle des Ausführungsbeispiels nach Figur 16 der Fall war.

Nachfolgend soll in Verbindung mit Figur 19 ein zehntes Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Dieses enthält eine Reflektorplatte 19 mit einer paraboloiden Oberfläche, die eine Länge von 1,2 m und eine Breite von 1 m aufweist und aus Aluminium besteht. Ein Ultraschallwellenstrahler 8 ist im Brennpunkt der Reflektorplatte 19 angeordnet. Diese Einzelheiten sind ähnlich wie bei dem Aufbau nach Figur 14, jedoch mit aem Unterschied, daß der Ultraschallwellenstrahler 8 und die Reflektorplatte 19 innerhalb eines hölzernen Lautsprechergehäuses 26 angeordnet sind, das eine Tiefe von 0,8 m, eine Breite von 1,2 m und eine Höhe von 1,2 m aufweist. Zusätzlich ist die Vorderseite des Lautsprechergehäuses 26 offen und mit einem akustischen Filter 27 versehen, das aus Polyurethan-Schaum von 50 mm Stärke besteht. Die inneren Flächen des Lautsprechergehäuses 26 sind mit einem schalldämmenden Material 28 belegt.

Bei einem solchen Aufbau absorbiert das akustische Filter 27 den größten Teil der Primärwelle und erlaubt den Durchlaß des größten Teils der Sekundärwelle. Der von dem Ultraschallwellenstrahler 8 ausgesandte Schall (Primärwelle und Sekundärwelle) wird

durch die Reflektorplatte 19 reflektiert und durch die Öffnung des Lautsprechergehäuses 26 ausgestrahlt. Durch die Wirkung des akustischen Filters 27 in der Öffnung wird der Schalldruckpegel der Primärwelle um 30 dB abgeschwächt, während der Schalldruckpegel der Sekundärwelle um 3 dB abfällt. Die Richtcharakteristik bei 1 kHz im Abstand von 2 m gegenüber dem akustischen Filter 27 ist genauso scharf wie bei der siebten Ausführungsform.

Durch Einbau des ültraschallwellenstrahlers 8, der Reflektorplatte 19 und des akustischen Filters 27 in das Lautsprechergehäuse 26 entsteht ein parametrischer Lautsprecher mit völlig integriertem Aufbau, bei dem fast ohne Beeinflussung des Schalldruckpegel der Sekundärwelle eine Richtcharakteristik erzielt wird, während der hohe Schalldruckpegel der Primärwelle stark abgeschwächt wird. Durch Einschluß in dem Lautsprechergehäuse 26 besteht keine Gefahr, daß die Primärwellen mit hohem Schalldruckpegel in verschiedene Richtungen streuen können.

Im Gegensatz zu der siebten Ausführungsform, bei der das akustische Filter an der Reflektorplatte angeordnet ist, entspricht im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Länge des Raumes, in der die Sekundärwelle erzeugt wird (d.h. die Länge des parametrischen Feldes) nur der Entfernung zwischen dem Ultraschallgenerator und der Reflektorplatte. Da die Primärwelle nach der Reflexion durch die Reflektorplatte jedoch an der Bildung der Sekundärwelle teilnimmt, ergibt sich bei der vorliegenden Ausführungsform eine Erhöhung des Schalldruckpegels der Sekundärwelle.

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Eine elfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Figur 20 gezeigt. Hier ist eine Reflektorplatte 19 mit sphäroidem Querschnitt vorgesehen. Die Mitte des Ultraschallwellenstrahlers 8 und der Standpunkt des Zuhörers bilden entsprechende Brennpunkte des Sphäroids. Im Vergleich mit dem Fall, bei dem eine paraboloide Fläche vorgesehen ist, kann in der vorliegenden Ausführungsform der Schalldruck neben dem Brennpunkt stärker gerichtet werden. Wird die gebogende Oberfläche eines richtigen Sphäroids benutzt, so können die Richtwirkung und der Schalldruckpegel weiter verbessert werden.

Da bisher parametrische Lautsprecher ein parametrisches Feld mit einer Länge von mindestens 1 - 1,5 m mit entsprechend erhöhter Tiefe des Lautsprechers benötigten, war nicht nur die Freiheit sondern auch der Raum zum Aufstellen begrenzt. Die vorliegende Ausführungsform hat den Vorteil, daß das parametrische Feld vertikal orientiert werden kann, sie kann also auf den Fußboden gestellt werden wie ein konventioneller Lautsprecher, so daß sich eine Vielzahl von Aufstellmoglichkeiten ergibt und der zum Ausstellen erforderliche Raum verringert werden kann. Werden, wie in Figur 21 gezeigt, an zwei Stellen Reflektorplatten vorgesehen, so ergibt sich ein noch kompakterer Aufbau.

Soweit es um das Material für die Reflektorplatte geht, so können zusätzlich zu verstärktem Kunststoffmaterial und Aluminium auch andere Kunststoffmaterialien, Metall, Glas, Keramik, Holz oder Verbundmaterial verwendet werden.

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Obwohl in den beschriebenen Ausführungsbeispielen paraboloide und sphäroide Oberflächen in Verbindung mit der Form der Reflektorplatte beschrieben wurden, können auch andere Formen Verwendung finden. Die Reflektorplatte kann auch flach ausgebildet werden, insbesondere wenn sie in den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 19 bis 21 benutzt wird.

Nachfolgend soll ein parametrischer Lautsprecher beschrieben werden, dessen Richtwirkung frei gesteuert werden kann. Eine solche zwölfte Ausführungsform ist in Figur 22 gezeigt. Der Ultraschallwellenstrahler besteht aus acht Zeilen von sechs Ultraschallwellenstrahlereinheiten 30, also insgesamt 48 Einheiten, die miteinander verbunden sind, wobei jede Einheit mit einem unabhängigen Bewegungsmechanismus versehen ist.

In den Figuren 23 und 24 sind Draufsichten von Ausschnitten aus der Ausführungsform nach Figur 22 gezeigt, während Figur 25 einen Ausschnitt aus Figur in perspektivischer Darstellung erkennen läßt. In Figur 23 sind Rahmen 33 zu sehen, die auf einem Substrat 32 angeordnet sind und mit denen Trägerstangen 34 verbunden sind. Die nebeneinanderliegenden Trägerstangen 34 sind mittels eines Verbindungsarmes 35 miteinander verbunden, während nebeneinanderliegende Rahmen 33 durch einen Verbindungsstift 36 miteinader gekuppelt sind, wodurch die Einheiten miteinander verbunden werden.

Jeder Verbindungsarm 35 ist im mittleren Bereich mit einem Rechtsgewinde und einem Linksgewinde in der Art eines Spannschlosses versehen, und durch Verdrehen

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des mittleren Teils kann die Länge des Verbindungsarms 35 eingestellt werden. Jeder Verbindungsstift besteht aus Gummi und ist somit in seiner Länge veränderbar.

Wenn die flache Form nach Figur 23 in eine konkave Form nach Figur 24 verändert werden soll, so wird die Gesamtlänge zwischen den Trägerstangen 34 durch Verlängerung der Verbindungsarme verändert, wodurch die Ultraschallwellenstrahlereinheiten 30 (nachfolgend als Einheiten bezeichnet) gebogen, so daß auf diese Weise eine konkave Form entsteht.

In dieser Weise werden alle 48 Einheiten 30 in eine im wesentlichen bogenförmige, konkave Form gebracht, wodurch ein Brennpunkt mit einer Brennweite von 2 m gebildet wird. In Figur 26 wird die Richtcharakteristik einer Sekundärwelle von 1 kHz dieses parametrischen Lautsprechers in einer Position im Abstand von 2 m durch eine durchgezogene Linie a gezeigt. Die gestrichelte Linie b zeigt die Richtcharakteristik bei einer Frequenz von 1 kHz, wenn alle schallabstrahlenden Flächen der 48 Einheiten in eine flache Form gebracht werden. Wird ein Vergleich der Winkel vorgenommen, an denen der Schalldruckpegel einen Abfall von -10 dB gegenüber der Mittelachse zeigt, so beträgt der Winkel 20°, wenn die schallabstrahlende Fläche des Ultraschallwellenstrahlers 20 flach ist, während der Winkel 8° beträgt, wenn die schallabstrahlende Fläche in eine bogenförmige, konkave Form mit einer Brennweite von 2 m gebracht wird.

Im Vergleich mit dem Ultraschallwellenstrahler, der eine flache Schallabstrahlfläche hat, kann gemäß dem

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vorliegenden Ausführungsbeispiel die Richtcharakteristik der Sekundärwelle schärfer gestaltet und der Hörbereich schmäler gemacht werden, weil der Ultraschallwellenstrahler 29 durch Einstellen der einzelnen Winkel der Einheiten 30 in eine im wesentlichen bogenförmige, konkave Form gebracht werden kann, wodurch die Schallwellenabstrahlfläche des Ultraschallwellenstrahlers 29 eine Fokussierung durchführt. Hierdurch kann der Schalldruckpegel in der Mittelachse weiter verbessert werden.

In Figur 27 ist eine dreizehnte Ausführungsform gezeigt. Diese unterscheidet sich von der nach Figur dadurch, daß die Einheiten 30 so angeordnet sind, daß sie zu einer schallabstrahlenden Fläche mit im wesentlichen bogenförmiger, konvexer Form für den Ultraschallwellenstrahler 29 führen. Die Richtungscharakteristik für die Sekundärwelle des parametrischen Lautsprechers ist durch eine durchgezogene Linie a für eine Frequenz von 1 kHz in Figur 28 gezeigt. Die gestrichelte Linie b kennzeichnet die Richtcharakteristik für eine Frequenz von 1 kHz wenn die Schallabstrahlungsoberflächen der 48 Einheiten eine flache Form bilden, ähnlich wie es in Verbindung mit der zwölften Ausführungsform beschrieben wurde. Werden die Winkel miteinader verglichen, bei denen der Schalldruckpegel gegenüber der Mittelachse um -10 dB abfällt, so ergibt sich für den flachen Ultraschallwellenstrahler ein Winkel von 20°, während sich für eine konvexe Form des Ultraschallwellenstrahlers ein Winkel von 40° ergibt, wobei sich der Zuhörbereich verdoppelt, auch wenn der Schalldruckpegel etwas reduziert wird. Da bei dieser Ausführungsform die schallwellenabstrahlende Oberfläche eine

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konvexe Form hat, tragen die äußeren Einheiten des ültraschallwellenstrahlers nicht langer zum Schalldruck im Bereich der Mittelachse bei, wodurch eine diffuse Abstrahlung der Primärwelle erfolgt und die Richtcharakteristik vergrößert wird. Dies kommt daher, weil die Sekundärwelle des parametrischen Lautsprechers von der Form der Hauptkeule der Primärwelle abhängt.

Im Vergleich zu dem Fall, daß die schallwellenabstrahlende Oberfläche flachgehalten wird, wird durch Wahl des Winkels der Einheiten 30 in der Weise, daß die schallwellenabstrahlende Oberfläche eine im wesentlichen bogenförmige, konvexe Form annimmt, die Richtcharakteristik der Sekundärwelle innerhalb eines bestimmten Bereiches flach. Wird von diesem Bereich abgewichen, so erfolgt eine abrupte Abschwächung, so daß es auf diese Weise möglich ist, den Hörbereich zu erweitern.

In Bezug auf eine Verschiebung eines Zuhörpunktes, die auftritt, wenn der Zuhörbereich extrem schmal gestaltet wird, wie zum Beispiel bei der zwölften Ausführungsform, so kann dies auf einfache Weise korrigiert werden, weil die schallwellenabstrahlende Oberfläche der Einheiten 30 individuell eingestellt werden kann.

Obwohl in der beschriebenen Ausführungsform die schallwellenabstrahlende Oberfläche des ültraschallwellenstrahlers 29 im wesentlichen bogenförmig ausgebildet war, so kann der Querschnitt auch jede andere geeignete Form haben.

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Auch wenn die Einheiten 30 in ihren Winkelstellungen durch die Rahmen sowie durch Trägerstangen und Verbindungsarme auf dem Substrat einstellbar sind, so können auch andere Einstellverfahren verwendet werden.

Wenn die Richtcharakteristik nach der vorstehenden Methode eingestellt wird, so ist es erforderlich, alle Einheiten mit vielen Ultraschallwandlern zu bewegen, was nicht nur zu einem komplizierten Mechanismus führt, sondern auch Beschränkungen in dem für eine Installation verfügbaren Platz in sich birgt. Wenn im Gegensatz dazu die Reflektorplatte nach den siebten bis elften Ausführungsbeispielen benutzt wird und der Winkel oder die Form der Reflektorplatte eingestellt wird, so wird der Mechanismus einfach und die Beschränkungen bezüglich des Installationsraumes fallen fort. Dieses Verfahren soll nachfolgend in Verbindung mit Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Eine vierzehnte Ausführungsform ist in Figur 29 gezeigt. Der von einem Ultraschallwellenstrahler 8 abgestrahlte Schall wird durch eine Reflektorplatte 19 aus Aluminium reflektiert und der Winkel der Reflektorplatte ist einstellbar. Befindet sich die Reflektorplatte in der Position A, so ist der Teil A' der Zuhörbereich, befindet sie sich jedoch in Position B, so ist der Teil B¹ der Zuhörbereich. Sobald der Zuhörbereich festgelegt ist, wird die Reflektorplatte in einem solchen vorbestimmten Winkel festgelegt.

Eine fünfzehnte Ausführungsform ist in Figur 30 gezeigt. In diesem Fall hat die Reflektorplatte 19 eine gebogene Oberfläche, und diese Bogenform ist variabel. Hat die Reflektorplatte eine konkave Oberfläche wie durch A angedeutet, so ergibt sich ein Zuhörbereich A' und der Schall konvergiert. Handelt es sich

dagegen um eine konvexe Oberfläche, wie durch B dargestellt, so ergibt sich ein Zuhörbereich B¹ und der Schall divergiert.

Obwohl dies nicht gezeigt wird, ist es selbstverständlich, daß die Primärwelle abgedeckt werden kann, um die Zuhörer zu schützen. Dies kann dadurch erfolgen, daß die Oberfläche der Reflektorplatte mit einem akustischen Filter versehen wird, wie es in Verbindung mit einigen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, oder der Ultraschallwellenstrahler und die Reflektorplatte werden in einem Käfig angeordnet, wie es ebenfalls in Verbindung mit Ausführungsbeispielen schon beschrieben wurde.

Obwohl der parametrische Lautsprecher aufgrund seiner extremen Richtwirkung zur Beschallung eines umgrenzten Zuhörbereiches geeignet ist, was bisher nicht möglich war, so wäre zur Beschallung eines größeren Zuhörbereiches ein sehr schwerer Ultraschallwellenstrahler erforderlich, was bezüglich der Kosten und des Energieverbrauches nachteilig wäre. Um daher einen ausreichenden Schalldruck in der Mitte des Zuhörbereiches sicherzustellen, kann ein Verfahren angewandt werden, bei dem ein Lautsprecher mit schmaler Abstrahlung, wie zum Beispiel ein Hornlautsprecher, benutzt wird, während der parametrische Lautsprecher nur dazu dient, einen ausreichenden Schalldruck in einem peripheren Bereich sicherzustellen und eine scharfe Abgrenzung im Schalldruckpegel am Ende des Zuhörbereiches vorzunehmen. Dieses Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

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Der Aufbau eines sechszehnten Ausführungsbeispieles ist in den Figuren 31 und 32 gezeigt. Es ist ein Hornlautsprecher 37 von 1,5 m Länge vorgesehen und zu beiden Seiten sind parametrische Lautsprecher angeordnet. Hierzu sind Ultraschallwellenstrahler 8a und 8b sowie akustische Filter 19a und 19b vorgesehen. Ein Käfig besteht aus Teilen 12a und 12b, um ein Herausdringen von Ultraschallwellen in den Richtungen nach links und rechts zu verhindern. Die Ultraschallwellenstrahler und die akustischen Filter sind im Abstand von 1,5 m voneinander angeordnet. Mit einem Blick von vorn liegen die drei Lautsprecher in einer Ebene. Wird die Schalldruckverteilung in horizontaler Richtung (in Richtung der X-Achse) in einer Entfernung von 1,5 m von der Lautsprechervorderseite durch Betrieb jedes Lautsprechers gemessen, so ergibt sich das Diagramm nach Figur 33. Die Kurve A gilt nur für den Hornlautsprecher, die Kurven B und C gelten nur für die parametrischen Lautsprecher und die Kurve D gilt, wenn beide angesteuert werden. Während die Änderungen im Schalldruck des Hornlautsprechers moderat sind, so ist der Schalldruck vor den Ultraschallwellenstrahlern der parametrischen Lautsprecher ausreichend gleichmäßig und fällt an den Ende abrupt ab. Neben der Mittelachse wird also ein ausreichendes Schallvolumen durch den Hornlautsprecher erzeugt, während im Abstand davon der Abfall des Schalldruckes des Hornlautsprechers durch die parametrischen Lautsprecher kompensiert wird. Am Ende des Zuhörbereiches tritt ein abrupter Abfall des Schalldruckes auf, was durch die Charakteristik der parametrischen Lautsprecher bedingt ist. In noch größerer Entfernung von der Mittelachse erhöht sich das von dem Hornlautsprecher kommende Schallvolumen erneut, was jedoch

keine Probleme aufwirft, da der Schalldruck an diesem Punkt um mehr als 20 dB gegenüber dem Zentralbereich abgefallen ist.

Obwohl das vorliegende Ausführungsbeispiel nur in Verbindung mit einem Hornlautsprecher in der Mitte beschrieben wurde/ so kann auch eine Mehrzahl von Hornlautsprechern angewandt werden, wenn der Zuhörbereich groß ist.

Der Aufbau einer siebzehnten Ausführungsform ist in den Figuren 34 und 35 gezeigt. Es ist ein direkt strahlender, bekannter Lautsprecher 38 vorgesehen und zu beiden Seiten sind parametrische Lautsprecher 39a und 39b sowie akustische Filter 15a und 15b angeordnet. Im Gegensatz zur sechszehnten Ausführungsform sind als parametrische Lautsprecher solche vorgesehen, wie sie in Verbindung mit Figur 19 beschrieben wurden. Obwohl bei der sechszehnten Ausführungsform der Raum für die Installation begrenzt ist, weil eine Tiefe von 1,5 m oder mehr erforderlich ist, kann die vorliegende Ausführungsform in der gleichen Weise wie ein konventioneller Lautsprecher installiert werden, da als Tiefe einige Zehntel eines Meters genügen.

Das Bezugszeichen 46 zeigt den Schallweg von dem Ultraschallwellenstrahler 8 an, und Figur 34 zeigt einen Schnitt durch die Ebene X-X der Figur 35.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie vorstehend beschrieben, kann durch Abschließen des Raumes, der zum Erzeugen einer Tonfrequenz aus einer Ultraschallwelle erforderlich ist, durch einen

Käfig erreicht werden, daß jegliches Durchdringen der Ultraschallwelle verhindert wird, wobei mindestens ein Teil des Käfigs mit einem akustischen Filter abgeschlossen ist, das nur die Tonfrequenz durchläßt. Hierdurch können gemäß der Erfindung die leistungsstarken Ultraschallwellen, die von dem Ultraschallwellenstrahler abgestrahlt werden, von den Zuhörern abgehalten werden, um diese zu schützen.

Durch ein Laminat aus weichem Polyurethan-Schaum und dünner Kunststoffolie oder durch Anordnung dünner Kunststoffolien im Abstand voneinander unter Ausnutzung einer Luftschicht können entsprechende geeignete akustische Filter vom Aufbau und Material her geschaffen werden.

Durch Vorsehen einer Reflektorplatte im Schallweg des Ültraschallwellenstrahlers kann die Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwelle und der Tonfrequenz verändert werden, und die Tiefe des parametrischen Lautsprechers kann reduziert werden, wodurch die Raumbegrenzungen bei der Installation entfallen.

Durch Aufteilen des Ültraschallwellenstrahlers in eine Mehrzahl von Einheiten und durch Ausstattung des Ültraschallwellenstrahlers mit einem Bewegungsmechanismus, mit dem die den Schall abstrahlende Oberfläche verändert werden kann, oder durch Ausrüstung der Reflektorplatte mit einem Bewegungsmechanismus, der die Position und die Form der Reflektorplatte verändert, kann der parametrische Lautsprecher mit einer willkürlich ausgewählten Richtwirkung ausgestattet werden.

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Durch Benutzung eines konventionellen Lautsprechers
mit schmaler Richtwirkung kann eine Beschallung eines Zentralbereiches erfolgen, während parametrische
Lautsprecher zur Beschallung von peripheren Bereichen herangezogen werden. Auf diese Weise kann ein öffentliches Beschallungssystem mit begrenztem Zuhörbereich für mehr als einige zig Personen geschaffen werden.

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Liste der in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen

1 elektroakustischer Wandler

2 Akustikrohr

3 Seitenwand

3a bewegbare Seitenwand

4. ....Signalquelle

5 Hochfrequenzoszillator

6 Modulator

7 Leistungsverstärker

8 Ultraschallwellenstrahler

8a Ultraschallwellenstrahler

8b Ultraschallwellenstrahler

9 Zuhörer

9a Zuhörer

9b Zuhörer

10 akustisches Filter

11 parametrisches Feld

12. ....Abschirmung

12a Käfig

12b Käfig

13 Schallwand

14 Mikrofon

15 weicher Polyurethan-Schaum

15a akustisches Filter

15b akustisches Filter

16 Polyäthylen-Film

17 Abstandsstück

18 Abstandsstück

19 Reflektorplatte

19a akustisches Filter

19b akustisches Filter

20 akustisches Filter

21. ....Arm

22 Videoprojektor

23 Ultraschallwellenstrahler

23a. ....Ultraschallwellenstrahler

24 Reflektorfläche

25 Reflektorplatte

26 Lautsprechergehäuse

27 akustisches Filter

28 Schalldäinmaterial

29 Ultraschallwellenstrahler

30 Ultraschallwellenstrahlereinheit

32. ....Substrat

33. ....Rahmen

34 Trägerstange

35 Verbindungsarm

36 Verbindungsstift

37. ... .Hornlautsprecher

38 Lautsprecher

39a parametrischer Lautsprecher

39b parametrischer Lautsprecher

40 Ultraschallwandler

46 Schallweg

Claims

Patentansprüche

1. Lautsprechersystem mit ausgeprägter Richtwirkung, gekennzeichnet durch

einen Ultraschallwellenstrahler zum Erzeugen einer Sekundärwelle, einer Tonfrequenz, aus einer Primärwelle, einer Ultraschallwelle mit endlicher Amplitude, mittels der Nichtlinearität eines Mediums; einen Käfig zum Umschließen der von dem Ultraschallwellenstrahler ausgestrahlten Primärwelle enthält, um ein Nachaußendringen zu verhindern; und ein akustisches Filter an mindestens einem Teil des Käfigs zum ausschließlichen Durchlassen der Sekundärwelle, die im Innern des Käfigs erzeugt wird.

2. Lautsprechersystem nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Filter aus weichem Polyurethan-Schaum besteht.

3. Lautsprechersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Filter mindestens eine Schicht weichen Polyurethan-Schaum enthält, die mit einer Schicht aus Papier oder Kunststoffolie laminiert ist, und

daß die dem Ultraschallwellenstrahler benachbarte Oberfläche des akustischen Filters aus Polyurethan-Schaum besteht.

4. Lautsprechersystem nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Filter aus einem Stapel aus Papier oder Kunststoffolie besteht, die im vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind.

5. Lautsprechersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig aus Holz, Metall, hartem Kunststoff oder Keramik besteht.

6. Lautsprechersystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen gitterförmiges Abstandselement bestimmter Dicke und bestimmten Abstandes, das zwischen dem Papier oder Kunststoffolien angeordnet ist, um einen gegenseitigen Kontakt des Papiers oder der Kunststoffolien zu verhindern.

7. Lautsprechersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen gitterförmige Abstandselement aus einem Material besteht, das die Sekundärwelle passieren läßt.

8. Lautsprechersystem mit ausgeprägter Richtwirkung, gekennzeichnet durch einen Ultraschallwellenstrahler und mindestens eine Reflektorplatte zum Reflektieren der von dem Ultraschallstrahler abgestrahlten Primär- und Sekundärwellen.

9. Lautsprechersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Fläche der Reflektorplatte mit einem akustischen Filter zum Abdecken der Primärwelle und zum Durchlassen der Sekundärwelle versehen ist.

10. Lautsprechersystem nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwellen abstrahlende Fläche der Reflektorplatte eine konkave Form hat und im Querschnitt die Form eines Teils eines Parabeloids oder Sphäroids aufweist, in dessen Brennpunkt der Ultraschallstrahler angeodnet ist.

11. Lautsprechersystem nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorplatte aus Holz, Metall, hartem Kunststoff oder Keramik besteht.

12. Lautsprechersystem mit ausgeprägter Richtwirkung, gekennzeichnet durch einen Ultraschallwellenstrahler und eine Reflektorplatte, die in einem Käfig zum Umschließen einer Primärwelle angeordnet sind, um ein Nachaußendringen zu verhindern; und ein akustisches Filter an mindestens einem Teil des Käfigs zum Durchlassen der Sekundärwelle, die im Innern des Käfigs erzeugt wird.

13. Lautsprechersystem mit ausgeprägter Richtwirkung, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Schallwellen abstrahlenden Fläche einer Reflektorplatte einen Teil einer konkaven, paraboloiden Fläche oder richtigen sphäroiden Fläche aufweist, in deren Brennpunkt der Ultraschallwellenstrahler angeordnet ist.

14. Lautsprechersystem mit ausgeprägter Richtwirkung,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Schallwellen abstrahlende Fläche einer Reflektorplatte eine konkave Form hat und im Querschnitt die Form eines Teils eines Paraboloids oder Sphäroids aufweist, in dessen Brennpunkt der Ultraschallwellenstrahler angeordnet ist.

15. Lautsprechersystem mit ausgeprägter Richtwirkung, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwellenstrahler aus einer Mehrzahl von Einheiten besteht, die mit unabhängigen Bewegungsmechanismen ausgerüstet sind, und daß die Form der Schallwellen abstrahlenden, von den Einheiten gebildeten Fläche variabel ist.

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16. Lautsprechersystem mit ausgeprägter Richtwirkung, gekennzeichnet durch einen Ultraschallwellenstrahler und einen Mechanismus, mit dem mindestens die Position oder die Form einer Reflektorplatte bewegbar ist.

17. Lautsprechersystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorplatte mit einem Drehmechanismus ausgerüstet ist.

18. Lautsprechersystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Reflektorplatte umkehrbar zwischen einer konkaven und einer konvexen Fläche einstellbar ist.

19. Lautsprechersystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorplatte aus Holz, Metall, hartem Kunststoff oder Keramik besteht.

20. Lautsprechersystem mit ausgeprägter Richtwirkung, gekennzeichnet durch einen ersten Lautsprecher zum hauptsächlichen Beschallen einer Zentralregion eines festgelegten Zuhörbereiches und einem zweiten Lautsprecher zum hauptsächlichen Beschallen einer peripheren Region, wobei der zweite Lautsprecher als parametrischer Lautsprecher ausgebildet ist.

21. Lautsprechersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lautsprecher ein ,Hornlautsprecher ist.