DE4426696C1

DE4426696C1 - Elektroakustischer Wandler zur Aufnahme oder Wiedergabe stereophonischer Signale

Info

Publication number: DE4426696C1
Application number: DE19944426696
Authority: DE
Inventors: Thorsten Dipl Ing Schippritt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-07-18
Filing date: 1994-07-18
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2014-07-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustischen Wandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Wandler arbeitet nach dem Prinzip der ineinandergeschachtelten Segmente mit richtungsgetreuer Abbildung der Schallereignisorte in einem großen Frequenz- und Raumwinkelbereich.

Der Wandler ist in Stereo-Mitte-Seitentechnik, auch bezeichnet als Blumlein- Differenztechnik, ausgeführt, welche im Prinzip seit den Anfangsjahren der Stereophonie bekannt ist (British Patent No. 394, 325 Appl. Date: Dec 14, 1931). Dabei wird von einem Mittensignal, das die Summe der Rechts- und Linkssignale , und von einem Seitensignal, das die Differenz der Rechts- und Linkssignale darstellt, Gebrauch gemacht.

Schallstrahler sind nach diesem Verfahren bisher nur sehr wenige ausgeführt worden. Bei ihnen entstehen die ursprünglichen Rechts- und Linkssignale durch die Interferenz der abgestrahlten Mitte- und Seitensignale im freien Schallfeld wieder.

Nachteilig dabei ist, daß der Raumwinkelbereich, in dem die virtuellen Schallquellen richtungsgetreu wahrgenommen werden können, sehr begrenzt ist (DE 24 55 336 C3). Das hat seine Ursache darin, daß bei Verwendung herkömmlicher Lautsprecher die Schallwellenlänge schneller kleiner wird als die Abmessungen bzw. die Einbaumaße der Lautsprecher.

Ein ähnlicher Effekt tritt auf bei Stereorichtmikrofonen. Hier variieren die Richtcharakteristiken stark mit der Frequenz, die Stereo-Basisbreite nimmt in der Regel zu den niedrigen Frequenzen hin ab (Michael Gerzon: "Ultra directional microphones" Studio Sound and Tape Recorder 1970, S. 434-437).

Zur Verbesserung des Abstrahlverhaltens elektrostatischer Lautsprecher ist bereits früh eine Systemaufteilung vorgeschlagen worden, bei der eine Unterteilung in Frequenzbänder vorgenommen wird und mit sinkender Frequenz die Abstände und die Membranflächen immer größer werden. (Bürck, W.: "Über elektrostatische Lautsprecher für größere Frequenzbereiche" Funkschau, 1957 , Heft 23 , Seite 633-636.)

Unter Verwendung herkömmlicher Lautsprecher ist ein Mehrwege-Dipol- Schallwandler bekannt, bei dem ein mittig angeordneter Hochtöner von einem Ring von Mitteltönern und von einem weiteren Ring von Tieftönern umgeben ist, usw. (DE 37 32 985 A1). Zur Wiedergabe nach dem herkömmlichen Verfahren der Intensitätsstereophonie wären dann zwei derartig ineinandergeschachtelte Anordnungen erforderlich. Für bestimmte Anwendungen der Stereophonie ist aber nur ein einziger hochqualitativer Schallwandler, der aus einem möglichst engen Raumwinkelbereich heraus strahlt bzw. aufnimmt, wünschenswert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektroakustischen Wandler so zu gestalten, daß die Kohärenz der Mitte- und Seitenschallsignale wesentlich gesteigert wird und die Schallereignisorte in einem großen Frequenz- und Raumwinkelbereich richtungsgetreu abgebildet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Der Wandler ist nach dem Prinzip der ineinandergeschachtelten Segmente ausgebildet. Dieses ist so zu verstehen, daß mit Hilfe der Stereo-Mitte-Seitentechnik über Filternetzwerke mit zunehmender Frequenz kleinere und zentralere Wandlersegmente angesteuert werden. Eine Phasenentzerrung der Filter ist am einfachsten auszuführen, wenn Tiefpaßfilter verwendet werden, welche die Schallwandlung kleinerer Wellenlängen auf den umliegenden größeren Wandlerflächen unterdrücken. Die das Stereomittensignal wandelnden Segmente eines Frequenzbandes sind dabei in ihren geometrischen Abmessungen stets halb so groß wie die das Seitensignal wandelnden Segmente des gleichen Frequenzbandes.

Die Segmente, welche das Seitensignal wandeln, sind paarweise und achsensymmetrisch ausgeführt und werden bezüglich des Seitensignals gegenphasig abgetastet oder angesteuert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Abb. 1 eine grafische Darstellung des Ortswellenzahlspektrums,

Abb. 2 eine Aufsicht auf eine Elektrode eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Wandlers,

Abb. 3 den elektrostatischen Wandler im Schnitt,

Abb. 4 ein Filternetzwerk für den Betrieb als Mikrofon,

Abb. 5 ein Filternetzwerk für den Betrieb als Lautsprecher,

Abb. 6 und 7 gemessene Richtcharakteristiken des elektrostatischen Wandlers,

Abb. 8 eine Richtcharakteristik wie sie sich nach der Stereowandlung ergibt,

Abb. 9 Filterblöcke für die Entzerrung der Außenohrübertragungsfunktionen mit Stereo M-S Matrix,

Abb. 10 eine Aufsicht auf eine Wandlerfläche, welche aus vielen kleinen Kapseln zusammengesetzt ist.

In den Ausführungsbeispielen nach den Ansprüchen 8 und 9 wurde von einer harmonischen Schachtelung Gebrauch gemacht. Das bedeutet, daß sich die Seitenlängen der Segmente in X und in Y Richtung proportional und sich ihre Flächeninhalte quadratisch zur Wellenlänge verhalten. Für gleiche akustische Ausgangsleistung ergibt sich eine auf der gesamten Wandlerfläche betragsmäßig konstante Schnelleverteilung. Wie man den Abb. 2 und 10 entnimmt, sind hier die Wandlersegmente oktavmäßig ineinandergeschachtelt, derart, daß ihre halben Seitenlängen die jeweils nächsthöhere Oktave ergeben.

Die Segmentierung der Wandlerfläche im Oktavabstand ist deshalb besonders einfach auszuführen, weil nach Anspruch 1 die geometrischen Abmessungen der das Stereomittensignal wandelnden aktiven Segmente halb so groß wie die das Stereoseitensignal wandelnden Segmente sein sollen. So können die Segmente gleichzeitig zur Wandlung des Mitte- und Seitensignals genutzt werden.

Das Ortswellenzahlspektrum eines Wandlers nach Anspruch 1 ist in Abb. 1 dargestellt. Das Ortswellenzahlspektrum des Wandlers ergibt sich als Fourier-Ortstransformation des Schnelleverlaufs bezüglich der X-Richtung auf der Wandleroberfläche mit der Transformationsvariablen kx. Die gestrichelte Kurve (1) beschreibt das Ortswellenzahl spektrum des Seitensignals, während die durchgezogene Kurve (2) das Ortswellenzahlspektrum des Mittensignals darstellt. Man erkennt, daß die Nullstellenfolge für beide Funktionen, abgesehen vom Ursprung, gleich ist.

Die zugrundeliegenden Formeln lauten für das Mittensignal:

und für das Seitensignal:

Dabei ist V_O die Schnelle, l_x die Wandlerabmessung in X-Richtung, ω die Kreisfre quenz, K_x die Ortswellenzahl bezüglich der Azimutebene, mit

für die Schallwellenlänge. In Abb. 1 sind die Beträge der angegebenen Formeln eingezeich net.

In dem Ausführungsbeispiel nach Anspruch 8 wurde bei der Dimensionierung der Wandlerfläche von dem Format

Gebrauch gemacht. Oktavmäßige Schachtelung ergibt dann Segmente, die alle das gleiche Format besitzen. Eine derartig segmentierte Elektrode im DIN-A6-Format für drei Oktaven ist in Abb. 2 dargestellt.

Die Schallwandlung bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt nach dem elektrostatischen Verfahren im Gegentaktprinzip. Die Wandlersegmente (1-6) sind daher als voneinander isolierte Gegenelektrodenflächen mit den Anschlüssen (a-f) ausgeführt.

Der elektrostatische Gegentaktwandler arbeitet im Betriebsbereich konstanter Ladung. Er stellt ein lineares elektroakustisches Wandlersystem dar, gehört zur Klasse der reziproken Schallwandler und ist deshalb gleichermaßen als Schallstrahler, wie auch als Mikrofon einsetzbar.

Abb. 3 zeigt eine derartige Anordnung im Schnitt. Mitten zwischen den beiden perforierten Elektrostatenplatten (1) und den isolierenden Abstandshaltern (2) ist die schwach leitfähige Membrane (5) aufgespannt. Die Segmentelektroden sind als leitfähige Beläge (3) ausgeführt, an deren Anschlüssen (a) und (b) jeweils die Signalwechselspannung anliegt. Die isolierende Beschichtung (4) verhindert bei Übersteuerung den galvanischen Kontakt zwischen der Membrane und den Segmentelektroden. Die Beschichtung (4) kann auch aus polarisiertem Elektretmaterial bestehen. In diesem Fall kann auf die Polarisationsspannung E verzichtet werden, und als Membranmaterial können auch nichtleitende Dielektrika eingesetzt werden (DE 32 32 772 C1).

Der elektrostatische Gegentaktwandler bietet die Möglichkeit, die Wandlersegmente im Prinzip beliebig gestalten zu können. Die Schallabstrahlung oder Aufnahme geschieht dabei von einer einzigen tiefabgestimmten und hauptsächlich luftmassegedämpften Membrane. Das bedeutet: die Membrane ist sehr leicht, dünn und relativ schwach gespannt. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Geschwindigkeit der bei der Erregung entstehenden transversalen Wandlerwellen auf der Membrane nur etwa ein Zehntel der Schallgeschwindigkeit in Luft. Das bedeutet, daß die Membrane durch die entstehenden Klangfiguren in viele kleine gegenphasig erregte Einzelstrahler zerfällt deren Abstand voneinander so klein ist, daß die nicht aktiven Segmente nicht strahlen, da sie "akustisch kurzgeschlossen" sind , während die aktiven Segmente sich verhalten wie fast ideale Kolbenstrahler.

Da es sich um einen linearen und reziproken Wandler handelt, sind die Richtcharakteristiken sowohl im Aufnahme- als auch im Wiedergabebetrieb identisch.

Die im Ausführungsbeispiel nach Anspruch 8 mit Abb. 2 zunächst hufeisenförmigen Segmente werden durch die Filternetzwerke, wie in Abb. 4 und Abb. 5 dargestellt, zu den in Anspruch 1 geforderten Segmenten zusammengesetzt. In Abb. 4 ist ein Filternetzwerk für den Mikrofonbetrieb und in Abb. 5 ein Filternetzwerk für den Betrieb als Schallstrahler dargestellt. Sie bestehen aus Verstärkern, Addierern, bzw. Subtrahierern, Tiefpaß- und Allpaßfiltern.

Die Verstärker (1-6) in Abb. 4 sind Vorverstärker, in Abb. 5 werden gegengekoppelte Hochspannungsverstärker eingesetzt (N. Pollock: "Elektrostatic Headphones" Wireless World, Nov. 1979, S. 51-55).

Die Addierer (7, 8, 9) und die Subtrahierer (10, 11, 12) setzen für das jeweilige Frequenzband die aktiven Segmente zusammen und bewirken, daß die das Seitensignal wandelnden Segmente gegenphasig abgetastet oder angesteuert werden. Die Tiefpaßfilter TP (17-20) halten kleinere Wellenlängen von den umliegenden größeren Segmenten fern. Sie besitzen einen Amplitudenfrequenzgang V_n (ω), einen Phasenfrequenzgang ϕ_n(ω) und eine Grenzfrequenz fg_n. In dem Ausführungsbeispiel nach Anspruch 8 und 9 betragen die Grenzfrequenzen fg_n für TP 17: 2 kHz, für TP 18: 4 kHz, für TP 19: 8 kHz und für TP 20: 4 kHz. Die Allpaßfilter 21-26 dienen der Phasenentzerrung der Tiefpaßfilter. Sei z. B. das Tiefpaßfilter 17 ein Besseltiefpaß 2. Ordnung mit dem Phasenfrequenzgang ϕ₁(ω), so lassen sich Allpässe 1. Ordnung finden, die den gleichen Phasenfrequenzgang aufweisen (21, 22).

In den Abb. 4 und 5 ist ein Phasenschieber (27) eingefügt, denn der Term

in Formel 2 muß als Linksdrehung des Phasenwinkels ϕ um 90° interpretiert werden. Der Phasenschieber (27) dreht in dem erforderlichen Frequenzbereich von 2-8 kHz den Phasenwinkel ϕ des Seitensignals um konstant +90°.

Für Anwendungen der Stereotelefonie können die Phasenschieber (27) in Abb. 4 und 5 in einem einfachen Inverter zusammengefaßt werden, wenn das Mitte- und Seitensignal direkt vom Sender zum Empfänger übertragen wird.

Die Abb. 6 und 7 zeigen Richtcharakteristiken für einen Schallstrahler nach Anspruch 8 bei 4 kHz und 8 kHz. Die durchgezogene Kurve (1) stellt das Mittensignal und die gestrichelte Kurve (2) das Seitensignal dar. Man erkennt, daß das Mittensignal mit der achtförmigen Richtcharakteristik eines Dipols, und das Seitensignal mit der kleeblattförmigen Richtcharakteristik eines Quadrupols übertragen wird, daß keine Nebenmaxima auftreten, der Öffnungswinkel α, wie in Anspruch 5 gefordert, mit weniger als 15 sehr klein, und die Stereobasis daher groß ist (M. Dickreiter: "Handbuch der Tonstudiotechnik" KG. Saur Verlag, München, Band 1, S. 292, 293).

Durch Änderung der Pegelverhältnisse von Mitte- zu Seitensignal oder Verschiebung der Grenzfrequenzen aller Tiefpaß- und Allpaßfilter ist der Öffnungswinkel einstellbar. In Abb. 8 ist zusätzlich noch die Richtcharakteristik strichpunktiert eingetragen, wie sie sich nach der Stereowandlung darstellt. Man erkennt, daß keine Seitenvertauschung der Rechts- und Linksschallsignale bezüglich der vorder- und rückseitigen Halbräume der Wandlerebene erfolgt, was dem Diffusfeldverhalten zugute kommt.

In Abb. 9 sind, abgesehen von dem ohnehin erforderlichen Stereoumsetzer (1), (2) zwei Filterblöcke (3), (4) eingezeichnet, die sich auf Anspruch 7 beziehen. Ihr Frequenzgang entspricht der inversen Übertragungsfunktion des äußeren Ohres. Dadurch kann bei der Wiedergabe kopfbezogener Stereophonie die Verdeckung der Phantomschallquellen durch den median einfallenden Direktschall des Schallstrahlers vermindert werden. Da sich nach Anspruch 7 der Wandler als akustisch kleiner Schallstrahler in der medianen Hörebene befinden soll, treten keine durch die Aufstellung bedingten interauralen Laufzeitverzerrungen auf (Jens Blauert: "Räumliches Hören" S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1974, S. 78 und 91).

Es ist daher auch keine laufzeitabhängige Übersprechkompensation erforderlich, welche die Wiedergabe kopfbezogener Stereophonie über zwei Lautsprecher sehr aufwendig macht (G. Neu, E. Mommertz, A. Schmitz: "Untersuchungen zur richtungsgetreuen Schallwiedergabe bei Darbietung von kopfbezogenen Aufnahmen über zwei Lautsprecher" Acustica Vol 76 (1992), S. 183-191).

Abb. 10 zeigt ein Beispiel für eine Wandlergeometrie nach Anspruch 9, bei der die Wandlersegmente (1-6) aus vielen kleinen Aufnahme- oder Wiedergabekapseln (7) zusammengesetzt sind. Die geometrischen Abmessungen der Kapseln sollten kleiner als die halbe kleinste noch zu übertragende Wellenlänge sein.

Anwendungen

Der oben beschriebene Wandler ist für alle Anwendungen der Stereophonie geeignet, bei denen ein einziger Schallsender oder Empfänger von Vorteil ist, so z. B.: Kompakte und transportable Stereotelefonsysteme mit guter Verständlichkeit, hochqualitative PC- Lautsprecheranordnungen, Kommunikationssysteme mit automatischer Schallquellen ortung und Erkennung, Anlagen zur aktiven Schallfeldbeeinflussung.

Claims

1. Elektroakustischer Wandler zur Aufnahme oder Wiedergabe stereophonischer Signale, der in Mitte-Seitentechnik nach dem Prinzip der ineinandergeschachtelten Segmente ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schallwandlung von einer einzigen zusammenhängenden Wandlerfläche aus erfolgt,
daß die Wandlerfläche in einzeln ansteuerbare, ineinandergeschachtelte Wandlersegmente aufgeteilt ist,
daß Filternetzwerke dafür sorgen, daß mit zunehmender Frequenz kleinere und zentralere Wandlersegmente angesteuert werden und die Schallwandlung kleinerer Wellenlängen auf den umliegenden größeren Wandlerflächen unterdrückt wird,
daß die das Stereomittensignal wandelnden Segmente eines Frequenzbandes in ihren geometrischen Abmessungen halb so groß sind wie die das Seitensignal wandelnden Segmente des gleichen Frequenzbandes, und
daß die das Seitensignal wandelnden Segmente paarweise und achsensymmetrisch ausgeführt sind und bezüglich des Seitensignals gegenphasig abgetastet oder angesteuert werden.

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandlung von einer ebenen Wandlerfläche aus erfolgt.

3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandlung sowohl im vorder- als auch im rückseitigen Halbraum bezüglich der Wandlerebene erfolgt.

4. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das Stereomittensignal wandelnden Segmente eines Frequenzbandes in ihren geometrischen Abmessungen in X-Richtung kleiner bis gleich der einfachen Schallwellenlänge der oberen Eckfrequenz dieses Frequenzbandes sind, und die das Stereoseitensignal wandelnden Segmente in X-Richtung kleiner bis gleich der doppelten Schallwellenlänge eben dieser Eckfrequenz sind.

5. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet,
daß der Wandler als großflächiges Stereomikrofon mit Richtwirkung ausgeführt ist, und
daß der Öffnungswinkel klein und mit elektronischen Mitteln innerhalb gewisser Grenzen einstellbar ist.

6. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler als Stereokoinzidenzmikrofon ausgeführt ist, wobei keine Seitenvertauschung der Rechts- und Linksschallsignale bezüglich der vorder- und rückseitigen Halbräume der Wandlerebene erfolgt.

7. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wandler als Stereolautsprecher zur Wiedergabe kopfbezogener Stereophonie ausgeführt ist,
daß der Wandler als akustisch kleiner Schallstrahler in der medianen Hörebene angebracht ist, wodurch keine durch die Aufstellung verursachten interauralen Laufzeitverzerrungen auftreten, und
daß mittels vorgeschalteter Filter eine Entzerrung der Außenohrübertragungsfunktionen beider Stereoschallsignale bezüglich des medianen Erhebungswinkels des Lautsprecherstandortes erfolgt.

8. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schallwandlung nach dem elektrostatischen Prinzip erfolgt,
daß die Wandlersegmente als voneinander isolierte Gegenelektrodenflächen ausgeführt sind, und
daß die Schallaufnahme oder Schallabstrahlung durch eine einzige tiefabgestimmte und hauptsächlich luftmassegedämpfte Membrane erfolgt.

9. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlersegmente aus vielen kleinen Aufnahme- oder Wiedergabekapseln zusammengesetzt sind, wobei sich eine akustisch zusammenhängende Wandlerfläche in guter Näherung ergibt, wenn die geometrischen Abmessungen der Kapseln und die Abstände ihrer Zentren zueinander kleiner als die halbe kleinste vom jeweiligen Segment zu wandelnde Schallwellenlänge sind.