DE60121349T2

DE60121349T2 - Schallwandlersystem mit steuerbarer richtcharakteristik

Info

Publication number: DE60121349T2
Application number: DE60121349T
Authority: DE
Inventors: Johan Van Der Werff
Original assignee: WERFF JOHAN VAN DER
Current assignee: PCI Corp
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: WO2002023945A1; ES2273894T3; HK1060470A1; CN1258952C; ATE332618T1; CN1456023A; DE60121349D1; EP1317869B1; US7343018B2; EP1317869A1; PT1317869E; NL1016172C2; AU2001294400A1; KR100835295B1; KR20030066615A; DK1317869T3; US20040028238A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Schallwandlersystem, insbesondere Lautsprecher, mit n Lautsprechern (n = 2 ... x), welche in einem regelmäßigen Muster entlang einer Linie in einem säulenförmigen Gehäuse angeordnet sind, wobei die Schallwandler jeweils mit einem zugeordneten Filter versehen sind, die sämtlich ein Audiosignal an einem ihrer Eingänge empfangen und ein Signal an einem ihrer Ausgänge an den zugeordneten Schallwandler ausgeben, so dass die Schallwandler im Betrieb ein Signalmuster mit einer vorbestimmten Charakteristik aufweisen.
Zwar betrifft die Erfindung Schallwandler, d.h. Lautsprecher und Mikrophone, jedoch wird für ein klares Verständnis der Erfindung im folgenden auf Lautsprecher bezug genommen.
Derartige Lautsprechersysteme in Säulenform finden insbesondere in Beschallungsanlagen, bei (Pop-)Konzerten und dergleichen Verwendung und weisen als einen Vorteil auf, dass durch die Verwendung einer Vielzahl parallel verbundener Lautsprecher eine sehr hohe Leistung abgegeben werden kann, so dass mit einem einzigen System ein großer Raum abgedeckt werden kann.
Ein Nachteil derartiger Lautsprechersäulen ist, dass sie in vertikaler Richtung gesehen sehr richtungsempfindlich sind.
1 zeigt die Richtungseigenschaften einer herkömmlichen Lautsprechersäule, woraus ersichtlich ist, dass der Abdeckungswinkel bei hohen Frequenzen klein ist, während der Abdeckungswinkel bei tiefen Frequenzen groß ist, wobei die Nebenkeulen auf gegenüberliegenden Seiten der Hauptkeule gut sichtbar sind. Die Nebenkaulen erster Ordnung in dem dargestellten Beispiel haben in bezug auf die Hauptkeule einen Pegel von ungefähr 13 dB, die Ne benkeulen zweiter Ordnung haben einen Pegel von ungefähr –18 dB, und die Nebenkeulen dritter Ordnung haben einen Pegel von ungefähr –21 dB, etc.
Der variierende Abdeckungswinkel und die Nebenkeulen sind in vielen Fällen unerwünscht, da sie einen sehr nachteiligen Einfluss auf die Tonqualität des Systems im allgemeinen und die Verständlichkeit im besonderen haben können. Insbesondere in Räumen, in denen stark reflektierende Flächen vorhanden sind, und in welchen, je nach den Umständen, eine gro0e oder geringe Zahl von Personen anwesend sein kann, ist es aufgrund des variierenden Abdeckungswinkels und der Nebenkeulen kaum möglich, ein zufriedenstellendes Klangmuster zu erreichen. Hinsichtlich einer detaillierten Erörterung der vorgenannten Probleme wird auf "Design and Implementation of a Sound Column with Exceptional Properties" von J. van der Werff, 96th AES Convention, 26. Februar – 1. März 1994, Amsterdam, verwiesen.
Der genannte Artikel enthält eine Beschreibung einer Lautsprechersäule mit der Bezeichnung "Constant λ Column", die für sämtliche Frequenzen den gleichen Abdeckungswinkel und den gleichen Pegel für die Nebenkeulen aufweist. Dies wird durch ein High-Off-Filtern des an die Lautsprecher angelegten Signals erreicht, wobei das Filtern an einer niedrigeren Frequenz beginnt, je weiter der Lautsprecher von der akustischen Mitte der Säule entfernt ist.
2 zeigt die Richtungseigenschaften einer derartigen Constant λ Column. Diese Figur zeigt jedoch, dass trotz einer Verbesserung der Eigenschaften gegenüber denjenigen der 1 die Nebenkeulen noch immer vorhanden sind.
US-A-3 308 237 beschreibt ein Verfahren zum Unterdrücken der Nebenkeulen in einem akustischen Richtmuster, um die akustische Ausgabe zu verbessern. Nach dieser Veröffentlichung wird dies erreicht, indem mehrere säulenförmige Lautsprecheranordnungen vorgesehen werden und die Frequenz des angelegten Signals derart begrenzt wird, dass der Stromverteiler den Prinzipien der Tchebyscheff-Polynome entspricht.
Die Erfindung strebt ein Lautsprechersystem, und allgemeiner ein Schallwandlersystem, an, das es ermöglicht, die Nebenkeulen im wesentlichen vollständig oder zumindest bis auf einen angestrebten, sehr geringen Pegel zu unterdrücken, während ein konstanter Abdeckungswinkel für sämtliche relevanten Audiofrequenzen beibehalten wird.
Die Erfindung strebt ferner ein System des vorgenannten Typs an, das eine Verbreiterung der Hauptkeule ermöglicht.
Schließlich strebt die Erfindung ein System des oben genannten Typs an, welches das Eliminieren oder zumindest das weitreichende Unterdrücken von sogenannten Gitterkeulen ermöglicht.
Zu diesem Zweck schafft die Erfindung ein System von Schallwandlern des vorgenannten Typs, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zum Erhalten des Signalmusters Einrichtungen vorgesehen sind, um an jeden Lautsprecher n in der Säule eine Spannung V_n entsprechend
anzulegen, wobei:

V_n:: die Spannung an den Anschlüssen des Lautsprechers n bezeichnet;
V:: die Spannung an den Anschlüssen der Lautsprecher im akustischen Zentrum der Säule bezeichnet;
dls_n:: den Abstand des Lautsprechers n zum akustischen Zentrum der Säule in Metern angibt;
dls_max:: den Abstand des von dem akustischen Zentrum am weitesten entfernten Lautsprechers zu diesem in Metern angibt;
α:: einen Parameter bezeichnet, der vom Abdeckungswinkel, der Frequenz und den Anordnungsdimensionen abhängt, entsprechend der Gleichung:
wobei:
β:: den vertikalen Abdeckungswinkel in Grad bezeichnet, der für eine bestimmte Ausführung fest gewählt ist;
f:: die Frequenz in Hz angibt;
l_array:: die Länge der Anordnung in Metern angibt;
k:: eine Konstante = 14,10³ für die unter β, f und l_array genannten Einheiten bezeichnet.

Gemäß der Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, dass, wenn die an die Lautsprecher in der Säule angelegte Energie die obige Gleichung erfüllt, die Nebenkeulen vollständig eliminiert werden und der Abdeckungswinkel konstant bleibt.
3 zeigt das Richtungsdiagramm einer Lautsprechersäule, die nach dem Prinzip der Erfindung aufgebaut ist, wobei sich dieses aus derselben ergibt.
Bei dem Beispiel von 3 war der Ausgangspunkt eine Säule mit 43 Lautsprechern und einem Durchmesser von 13,5 cm, wobei sich die akustische Mitte in der Längsmitte der Säule befand, d.h. eine sogenannte symmetrische Anordnung. Das Prinzip der Erfindung ist ebenso unproblematisch auf Anordnungen mit einer asymmetrisch angeordneten akustischen Mitte anwendbar.
4 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lautsprechersystems, das mit einer Anzahl von Lautsprechern 1 versehen ist, denen das Ausgangssignal eines Verstärkers 2 zugeführt wird. Zwischen dem Ausgang des Verstärkers und den Lautsprechern ist eine Reihenschaltung regelbarer Dämpfer 3 und regelbarer Tiefpassfilter 4 angeordnet. Die Dämpfer sind gemäß der Formel (1) eingestellt, und die Tiefpassfilter sind gemäß dem Prinzip der Constant λ Column eingestellt.
Die Formel (1) kann ebenfalls vorteilhaft verwendet werden, um verschiedenen Lautsprechern in einer Säule eine zeitliche Gewichtung zu vermitteln. Mit einer zeitlichen Gewichtung können die Richtungseigenschaften einer Säule und insbesondere die Breite der Hauptkeule beeinflusst werden.
Die für die Zeitverzögerung des an einen Lautsprecher n in einer Säule angelegten Signals geschriebene Formel (1) lautet:
wobei

t_n:: die Verzögerungszeit des Wandlers n bezeichnet;
maxt:: die maximale Zeitdifferenz zwischen den Wandlern (abhängig von der Frequenz, dem Ausmaß der Ausbreitung) angibt;
dls_n:: den Abstand des Lautsprechers n zum akustischen Zentrum angibt;
dls_max:: den Abstand des von dem akustischen Zentrum am weitesten entfernten Lautsprechers zu diesem angibt;
α:: einen Parameter bezeichnet, der dem beabsichtigten Effekt entspricht, normalerweise ca. 3.

Mit der Formel (2) kann optional auch die Hauptkeule in zwei Hauptkeulen aufgeteilt werden, die den gleichen Winkel mit der Hauptachse bilden. Dies ist beispielsweise in Stadien besonders nützlich, um zwei Tribünenreihen zu beschallen. Die zeitliche Gewichtung kann unabhängig von, jedoch auch in Kombination mit der Pegelgewichtung gemäß der Formel (1) angewandt werden.
Gitterkeulen ergeben sich aus Unterbrechungen zwischen Wandlern innerhalb einer Anordnung. Jede geeignete Anordnung besteht aus einer finiten Anzahl von Wandlern mit einem bestimmten Richtungseffekt. Wenn der Richtungseffekt der einzelnen Wandler geringer als ein kritischer Wert ist, treten Gitterkeulen auf. Diese Gitterkeulen können vermieden werden, indem der Richtungseffekt nicht geringer als entsprechend dem nachfolgenden Verhältnis gewählt wird:
wobei:

P:: den Schalldruck in Pascal angibt (bei einer Frequenz und einem Winkel zur Hauptachse);
φ:: den Winkel (in Radianten zwischen –π und π) in bezug zur Hauptachse des Wandlers in Richtung der Anordnung angibt (0 ist die Hauptachse);
f:: die Frequenz angibt, bei welcher der Richtungseffekt bestimmt wird;
α:: einen Parameter bezeichnet, der von der Frequenz und den Wandlerabmessungen abhängt, entsprechend der folgenden Gleichung:
wobei
d:: den Mittenabstand zwischen den Wandlern bezeichnet;
k:: eine Konstante ist.

Dieses Verhältnis beschreibt die polare Strahlung bzw. Empfindlichkeit der Wandler in der Anordnung. Dieses polare Verhalten kann auf herkömmliche Weise realisiert werden.
5 zeigt typische Kurven bei Frequenzen von 250 Hz–5 KHz bei K = 18 und d = 13,5 cm.

Claims

Schallwandlersystem, insbesondere Lautsprecher, mit n Lautsprechern (n = 2 ... x), welche in einem regelmäßigen Muster entlang einer Linie in einem säulenförmigen Gehäuse angeordnet sind, wobei die Schallwandler jeweils mit einem zugeordneten Filter versehen sind, die sämtlich ein Audiosignal an einem ihrer Eingänge empfangen und ein Signal an einem ihrer Ausgänge an den zugeordneten Schallwandler ausgeben, so dass die Schallwandler im Betrieb ein Signalmuster mit einer vorbestimmten Charakteristik aufweisen dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhalten des Signalmusters Einrichtungen vorgesehen sind, um an jeden Lautsprecher n in der Säule eine Spannung V_n entsprechend
anzulegen, wobei: V_n: die Spannung an den Anschlüssen des Lautsprechers n bezeichnet; V: die Spannung an den Anschlüssen der Lautsprecher im akustischen Zentrum der Säule bezeichnet; dls_n: den Abstand des Lautsprechers n zum akustischen Zentrum der Säule in Metern angibt; dls_max: den Abstand des von dem akustischen Zentrum am weitesten entfernten Lautsprechers zu diesem in Metern angibt; α: einen Parameter bezeichnet, der vom Abdeckungswinkel, der Frequenz und den Anordnungsdimensionen abhängt, entsprechend der Gleichung:
wobei: β: den vertikalen Abdeckungswinkel in Grad bezeichnet, der für eine bestimmte Ausführung fest gewählt ist; f: die Frequenz in Hz angibt; l_array: die Länge der Anordnung in Metern angibt; k: eine Konstante = 14,10³ für die unter β, f und l_array genannten Einheiten bezeichnet.
Schallwandlersystem, insbesondere Lautsprecher, mit n Lautsprechern (n = 2 ... x), welche in einem regelmäßigen Muster entlang einer Linie in einem säulenförmigen Gehäuse angeordnet sind, wobei die Schallwandler jeweils mit einem zugeordneten Filter versehen sind, die sämtlich ein Audiosignal an einem ihrer Eingänge empfangen und ein Signal an einem ihrer Ausgänge an den zugeordneten Schallwandler ausgeben, so dass die Schallwandler im Betrieb ein Signalmuster mit einer vorbestimmten Charakteristik aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um das an einen Lautsprecher n in der Spalte angelegte Signal entsprechend der Formel
zu verzögern, wobei: t_n: die Verzögerungszeit des Wandlers n bezeichnet; maxt: die maximale Zeitdifferenz zwischen den Wandlern (abhängig von der Frequenz, dem Ausmaß der Ausbreitung) angibt; dls_n: den Abstand des Lautsprechers n zum akustischen Zentrum angibt; dls_max: den Abstand des von dem akustischen Zentrum am weitesten entfernten Lautsprechers zu diesem angibt; α: einen Parameter bezeichnet, der dem beabsichtigten Effekt entspricht, normalerweise ca. 3.
System nach Anspruch 2, bei dem α = 3.
Schallwandlersystem, insbesondere Lautsprecher, mit n Lautsprechern (n = 2 ... x), welche in einem regelmäßigen Muster entlang einer Linie in einem säulenförmigen Gehäuse angeordnet sind, wobei die Schallwandler jeweils mit einem zugeordneten Filter versehen sind, die sämtlich ein Audiosignal an einem ihrer Eingänge empfangen und ein Signal an einem ihrer Ausgänge an den zugeordneten Schallwandler ausgeben, so dass die Schallwandler im Betrieb ein Signalmuster mit einer vorbestimmten Charakteristik aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um an jeden Lautsprecher n in der Säule eine Leistung P_f,φ entsprechend
anzulegen, wobei: P: den Schalldruck in Pascal angibt (bei einer Frequenz und einem Winkel zur Hauptachse); φ: den Winkel (in Radianten zwischen –π und π) in bezug zur Hauptachse des Wandlers in Richtung der Anordnung angibt (0 ist die Hauptachse); f: die Frequenz angibt, bei welcher der Richtungseffekt bestimmt wird; α: einen Parameter bezeichnet, der von der Frequenz und den Wandlerabmessungen abhängt, entsprechend der folgenden Gleichung:
wobei d: den Mittenabstand zwischen den Wandlern bezeichnet; k: eine Konstante ist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert von k zwischen 18 und 25 liegt.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass k = 18.