DE69028423T2

DE69028423T2 - Elektro-akustisches System

Info

Publication number: DE69028423T2
Application number: DE69028423T
Authority: DE
Inventors: Willem Cornelis Jacob Prinssen
Original assignee: PRINSSEN EN BUS HOLDING BV
Current assignee: PRINSSEN EN BUS HOLDING BV
Priority date: 1989-03-09
Filing date: 1990-03-06
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2010-03-07
Also published as: EP0386846B1; JPH0354995A; JP2927492B2; CA2011674A1; US5119428A; NL8900571A; EP0386846A1; CA2011674C; DE69028423D1; ATE142835T1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektroakustisches System zum Verbessern der Akustik eines vorgegebenen Raums, wobei das System eine Mikrophonmatrix mit mehreren Mikrophonen und eine Lautsprechermatrix mit mehreren Lautsprechern sowie eine Signalverarbeitungseinheit enthält, die zwischen die Matrizen geschaltet ist, wobei die Signalverarbeitungseinheit eine Einrichtung für die Erzeugung von Reflexionen besitzt.
Ein solches elektroakustisches System ist aus dem Artikel von A. J. Berkhout: "A holographic approach to acoustic control" aus "Journal of the Audio Engineering Society (AES), Band 36, Nr. 12, Dezember 1988, S. 977 - 9951 bekannt. Vergleiche auch den Artikel "ACHTERGRONDEN, PRINCIPES EN TOEPASSINGEN VAN HET "ACOUSTICAL CONTROL SYSTEM" (ACS) (Hintergründe, Grundlagen und Anwendungen des "akustischen Steuersystems") von D. de Vries, D. Sc. und Prof. A. J. Berkhout, D. Sc., aus der NAG-Veröffentlichung der "Nederlands Akoestisch Genootschap" (Holländische Akustische Gesellschaft) Nr. 92, 1988, S. 53 - 64 (auch in der Zeitschrift der "Nederlands Elektronica en Radio Genootschap" (Holländische Elektronik- und Radiogesellschaft) (1988) veröffentlicht). Dieses bekannte elektroakustische System wird nachfolgend als ACS-System bezeichnet. Das ACS-System ist im Zuhörerraum der "Technische Universiteit" (Technische Universität) von Delft, Niederlande, und im "Cultureel Centrum" (Kunstzentrum) in Winterswijk, Niederlande, eingerichtet. Es sei auch auf "Journal Podium", Band 6, Nr. 6 und 7, Oktober und Dezember 1988, verwiesen.
Das ACS-System wird nachfolgend in näheren Einzelheiten, Bezug nehmend insbesondere auf die Figuren 4 - 6 und Abschnitt 4 von Seite 59 der vorausgehend erwähnten NAG- Veröffentlichung, beschrieben. Anstatt eine akustische Rückkopplung zur Erzeugung eines Nachhalls zu verwenden, wird beim ACS-System eine Einrichtung zur Erzeugung von Reflexionen und insbesondere ein Zentralprozessor verwendet. Im Prinzip kann jede gewünschte Nachhallzeit unter der Voraussetzung, daß sie länger ist als diejenige des vorgegebenen Raums durch das ACS-System verwirklicht werden. Diese Nachhallzeit ist unabhängig von der Anzahl der Zuhörer im vorgegebenen Raum. Beim ACS-System besteht das Ziel darin, die akustische Rückkopplung insbesondere dadurch so klein wie möglich zu halten, daß die Mikrophone erstens so ausgerichtet werden, daß ein großes Maß eines direkten Schalls und ein relativ geringer reflektierter Schall von der Schallquelle im vorgegebenen Raum empfangen wird; dies bedeutet, daß es, falls das ACS-System in einem Theater verwendet wird, in einem Raum mit einer Bühne und einem Zuhörerraum oder einem Zuhörerbereich mit zahlreichen Mikrophonen auf der Bühne und um die Bühne herum, während reflektierende Oberflächen im Bühnenbereich unerwünscht sind, ratsam ist, die Musiker zwischen den Bühnenvorhängen anzuordnen und keine möglicherweise vorhandenen Schalireflektoren oder eine abnehmbare "Orchestereinfassung" zu verwenden, da dies zu störenden Reflexionen führt. Zweitens geschieht dies durch Verwendung von Richtmikrophonen. Drittens geschieht dies durch Richten der Lautsprecher auf die Zuhörerschaft im vorgegebenen Raum. Viertens geschieht dies durch Ändern der Zeit der Matrixelemente in der Zentralverarbeitungseinheit.
Es ist weiterhin für das ACS-System kennzeichnend, daß einige Dutzend Mikrophone und Lautsprecher auf der Bühne und im Zuhörerraum verwendet werden (in der Praxis wird die gleiche Anzahl von Mikrophonen und Lautsprechern verwendet). Die Mikrophone oberhalb der Bühne sind dicht, d. h. etwa 4 in, über dem Orchester aufgehängt. Die übliche Anzahl von Mikrophonen liegt bei 24 - 32 bei einer gleichen Anzahl von Lautsprechern. Die akustischen Parameter des vorgegebenen Raums selbst werden nicht beachtet. Die Abmessungen des Systems sind vom gewünschten Grad der Verbesserung bezüglich der bestehenden Akustik unabhängig. Es ist erforderlich, auf die Bühne gerichtete Mikrophone und auf die Zuhörerschaft im Zuhörerraum gerichtete Lautsprecher zu verwenden (auch als "akustische Holographie" bezeichnet), da die Verwirklichung einer vollständigen Akustik gemäß gegebenen Vorschriften angestrebt wird. Die Lautsprecher werden in optimaler Weise auf die Zuhörerschaft gerichtet, indem sie in die Decke des Zuhörerraums sowie in Wandabschnitte des Zuhörerraums eingebaut werden, die so auf die Zuhörerschaft gerichtet sind, daß keine Reflexionen erzeugt werden. Dadurch ist es häufig schwierig, seitliche Reflexionen zu verwirklichen, da auf den Seiten der Zuhörerschaft angeordnete Lautsprecher zu Reflexionen von gegenüberliegenden Wänden führen können.
Da es dem Bühnenbereich an Reflexionen mangelt, werden häufig unterstützende Reflexionen und ein Nachhall auf der Bühne durch ein Untersystem erzeugt. Das sogenannte "Bühnen-Reflexionsmodul" besteht aus mehreren Mikrophonen im Zuhörerraum und mehreren Lautsprechern auf der Bühne, in der Praxis etwa je 12, so daß die Musiker sich selbst und einander hören können. Die Mikrophone im Zuhörerraum, die einen Teil des Bühnen-Reflexionsmoduls bilden, sind in einem relativ geringen Abstand zu den Lautsprechern des sogenannten "Nachhallmoduls des Zuhörerraums" angeordnet. Die Mikrophone oberhalb der Bühne, die einen Teil des Nachhallmoduls des Zuhörerraums bilden, befinden sich in einem relativ kurzen Abstand zu den Lautsprechern des Bühnen-Reflexionsmoduls. Auf diese Weise sind die beiden Untersysteme in Form einer Art von Schleife durch akustische Kopplung miteinander verbunden. Die Schwingungsgrenzen der beiden Module sind daher gekoppelt.
Das Signal eines jeden Mikrophons des Nachhallmoduls des Zuhörerraums oder des Bühnen-Reflexionsmoduls wird über die hinzugefügte Zentralverarbeitungseinheit zu einem jeden Lautsprecherverstärker des betreffenden Moduls übertragen (die Lautsprecherverstärker oder die Leistungsverstärker können als in die Lautsprechervorrichtung oder die Signalverarbeitungseinheit aufgenommen angesehen werden). Folglich hat ein Modul nur eine Schwingungsgrenze, die durch die kritischste Mikrophon-Mikrophonverstärker-Lautsprecherverstärker- Lautsprecher - Kette festgelegt ist (der Mikrophonverstärker oder der Vorverstärker kann als in die Mikrophonmatrix oder die Signalverarbeitungseinheit aufgenommen angesehen werden), wobei auch die gesamte Rückkopplung zwischen den verbundenen Lautsprechern und Mikrophonen eine Rolle spielt.
Ein Stimmengewirr und ein Belüftungsgeräusch können beispielsweise durch die im Zuhörerraum aufgehängten Mikrophone, beispielsweise 12 an der Zahl, verstärkt werden.
Es muß sich noch herausstellen, ob das System für das musikalische Theater geeignet ist, da die Mikrophone in diesem Fall angesichts dessen, daß ein Bühnenbild bereitgestellt werden muß, höher aufgehängt werden müssen.
Es ist für das ACS-System wesentlich, daß angestrebt wird, daß die Einstellungen des Systems in jedem Zuhörerraum gleich klingen, daß also nicht der individuelle Charakter des Zuhörerraums verwendet wird. Den Zuhörern vom System dargebotene Reflexionen gehen nur von Signalen aus, die von einem oder mehreren Zentralprozessoren erzeugt werden, was die Erzeugung einer völlig künstlichen Akustik mit sich bringt, ohne daß die Eigenschaften des Zuhörerraums selbst verwendet werden, d. h., daß eine Nachahmung einer erwünschten Akustik durch das ACS-System verwirklicht wird.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein elektroakustisches System zum Verbessern der Akustik eines Raums zu schaffen, in dem Musik aufgeführt werden kann, indem die Nachhallzeit erhöht wird und die Räumlichkeit des Schalls vergrößert wird, während die akustischen Eigenschaften des Raums erhalten bleiben, also in einer Verbesserung, insoweit sie erforderlich ist.
Um dieses Ziel zu erreichen, sieht die Erfindung ein elektroakustisches System gemäß Anspruch 1 vor.
Diese Maßnahmen beinhalten die folgenden Möglichkeiten, die jedoch alle das gemeinsame Merkmal aufweisen, daß neben der elektronischen Erzeugung von Reflexionen oder der Erhöhung der Reflexionsdichte durch die Signalverarbeitungseinheit durch geeignetes Ausrichten der Lautsprecher oder der Mikrophone und der Lautsprecher akustische Reflexionen erzeugt werden oder die Reflexionsdichte erhöht wird.
Im ersten Fall werden die Mikrophone zum Empfangen eines direkten Schalls ausgerichtet, und die Lautsprecher werden auf reflektierende Oberflächen gerichtet.
Im zweiten Fall werden die Mikrophone zum Empfangen eines direkten und eines reflektierten Schalls ausgerichtet, und die Lautsprecher werden auf reflektierende Oberflächen gerichtet.
Im dritten Fall werden die Mikrophone zum Empfangen eines direkten und eines reflektierten Schalls ausgerichtet, und einige der Lautsprecher werden auf die Zuhörer gerichtet.
Im vierten Fall werden die Mikrophone zum Empfangen eines reflektierten Schalls ausgerichtet, und die Lautsprecher werden auf reflektierende Oberflächen gerichtet.
Im fünften Fall werden die Mikrophone zum Empfangen eines reflektierten Schalls ausgerichtet, und einige der Lautsprecher werden auf die Zuhörer gerichtet.
Es sei bemerkt, daß das Ausrichten wenigstens eines der Mikrophone in der Weise, daß es wenigstens einen reflektierten Schall einer Schallquelle im vorgegebenen Raum empfängt, an sich aus dem veröffentlichten Text des von D. Kleis, M. Sc. am 17. März 1976 in Eindhoven vor der "Nederlands Akoestisch Genootschap" (Holländische Akustische Gesellschaft) gehaltenen Vortrags mit dem Titel "Een eenvoudig multikanaal ambiofoniesysteem" (Ein einfaches Vielkanal-Ambiophonie-System) von Prof. J. J. Geluk, D. Sc., Radio Nederland Wereldomroep Hilversum, Niederlande, D. Kleis, M. Sc., Philips Elektro-Akoestiek Breda, Niederlande, EHR 60/3-004/76, 15. März 1976, bekannt ist. (Siehe auch die im nächsten Text erwähnte Literatur). Dieses unter dem Namen "Multiple-Channel Reverberation System" (Vielkanal-Nachhallsystem) bekannte elektroakustische System wird nachfolgend als MCR-System bezeichnet. Dieses MCR-System ist u. a. im Philips Ontspannings Centrum in Eindhoven, Niederlande, eingerichtet (90 Kanäle). Es sei auch auf Journal Podium & Techniek, Band 3, Nr. 6. Dezember 1981, S. 14 - 15, und die Veröffentlichung Philips Technical Review, Band 1983/84, Nr. 41, S. 12 - 23, verwiesen.
Das MCR-System beruht jedoch auf der Erzeugung eines Nachhalls durch eine akustische Rückkopplung zwischen Mikrophonen und Lautsprechern. Insbesondere besteht dieses bekannte System aus mehreren identischen Kanälen. Ein jeder Kanal ist eine Mikrophon-Verstärker-Lautsprecher - Kombination. Die Verstärkung eines Kanals kann so eingestellt werden, daß der durch den Lautsprecher wiederzugebende Schall mit einer ausreichenden wiederzuverstärkenden Intensität auf das Mikrophon fällt, d. h., es tritt eine akustische Rückkopplung auf. Auf diese Weise liefert ein jeder Kanal eine Anzahl von Reflexionen, die zueinander zeitlich verzögert sind, und schwächer und schwächer werden. Wenn die akustische Rückkopplung erhöht ist, kann ein Verfärben durch einen selektiven frequenzabhängigen Abfall auftreten. Wenn die Verstärkung noch höher eingestellt ist und eine gegengekoppelte Verstärkung auftritt, die größer als 1 ist, wird das System instabil, und es treten Schwingungen auf. Da die zulässige Verstärkung pro Kanal gering ist, ist auch die Erhöhung der Nachhallzeit pro Kanal gering. Es wird im allgemeinen angenommen, daß, abhängig vom als zulässig angesehenen Verfärben, 50 - 100 Kanäle erforderlich sind, um die Nachhallzeit des Zuhörerraums selbst zu verdoppeln. Ein jedes Mikrophon befindet sich im Nachhallfeld des Lautsprechers, der zum betreffenden Kanal gehört. Im Prinzip wird daher eine gleiche Anzahl von Mikrophonen und Lautsprechern verwendet. Die Mikrophone und die Lautsprecher befinden sich in einem solchen Abstand von der Bühne, daß das System ausschließlich das Nachhallfeld verstärkt. Die erreichbare Nachhallzeit hängt von der des Zuhörerraums selbst ab; sie wird nämlich, abhängig von der Anzahl der Kanäle, mit einem gewissen Faktor multipliziert.
Die Lautstärke im Zuhörerraum wird erhöht, da der Schallpegel des Nachhallfelds verstärkt wird. Das Stimmengewirr aus der Zuhörerschaft, das Geräusch des Ventilationssystems und ähnliches werden zusammen mit den anderen Klängen verstärkt, da der gesamte im Nachhallfeld vorhandene Schall empfangen wird.
Die Nachhallzeit ist durch unterschiedliches Auswählen der Verstärkung der Kanäle einstellbar, wodurch das Verfärben und der Schallpegel im Nachhallfeld gleichzeitig geändert werden; sie sind daher miteinander gekoppelt.
Ein anderes elektroakustisches System, bei dem die Erhöhung der Nachhallzeit durch akustische Rückkopplung verwendet wird, ist das "Assisted Resonance System" (System mit unterstützter Resonanz), das nachfolgend als AR-System bezeichnet wird und von Airo, Großbritannien, geliefert wird. Das AR-System ist u. a. in der Royal Festival Hall in London, England, eingerichtet, und im 1988 in Applied Acoustics 0003- 682x veröffentlichten Artikel "Electro-Acoustic Means of Controlling Auditorium Acoustics" sowie in der in diesem Artikel erwähnten Literatur beschrieben. Es ist ebenfalls ein Vielkanal-System, bei dem im Gegensatz zum MCR-System jeder Kanal nur in einer Frequenzbandbreite von 2 - 5 Hz aktiv ist, indem ein jedes Mikrophon in einem akustischen sogenannten (Helmholtz)-Resonator angeordnet ist. Auf diese Weise kann die akustische Rückkopplung in einem Kanal hoch sein, bevor eine Instabilität auftritt. Folglich wird bei einem einzigen Kanal eine beträchtliche Erhöhung der Nachhallzeit im betreffenden schmalen Frequenzband verwirklicht. In der Royal Festival Hall in London besteht das System aus 172 Kanälen, wobei jeweils ein einzelner Kanal für eine Frequenzbandbreite von 2 - 5 Hz vorgesehen ist, und beeinflußt damit die Nachhallzeit im Frequenzbereich zwischen 58 und 700 Hz.
Die Erfindung wird nachfolgend in näheren Einzelheiten, Bezug nehmend auf die Zeichnung, beschrieben, in der
Figur 1 ein allgemeines und vereinfachtes Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen (Unter)systems ist;
die Figuren 2a - 2d Graphiken sind, in denen die Verdichtung des Reflexionsmusters am Ausgang eines Prozessors des (Unter)systems aus Figur 1 dargestellt ist, wenn es durch ein jeweiliges Mikrophon des (Unter)systems aus Figur 1 ausschließlich bei direktem Schall bzw. bei direktem Schall in Kombination mit reflektiertem Schall aufgenommen wird;
in den Figuren 3 - 6 der erfindungsgemäße Ort der Lautsprecher des (Unter)system aus Figur 1 in einem Zuhörerraum dargestellt ist;
in den Figuren 7a, b; 8a, b und 9a, b eine kennzeichnende Matrix aus den Mikrophonen und Lautsprechern gemäß dem SIAP-System, dem ACS-System bzw. dem MCR-System in einem bestehenden Theater-Zuhörerraum dargestellt ist.
Das erfindungsgemäße elektroakustische System ist dafür vorgesehen, die Akustik von Räumen zu verbessern, in denen Musikaufführungen stattfinden. Der Grund dafür besteht darin, daß viele Theater-Zuhörerräume wegen ihrer kurzen Nachhallzeit und unzureichenden seitlichen Reflexionen für Musikveranstaltungen akustisch ungeeignet sind. Man sagt, daß diese Zuhörerräume eine trockene Akustik aufweisen. Bauliche Lösungen sind häufig nicht durchführbar und/oder in der Praxis zu teuer.
Beim vorliegenden System kann die Nachhallzeit oder der Grenznachhall (T60) und der Laufnachhall (EDT Anfangsnachhallzeit) für jede einzelne Verwendung des Zuhörerraums verlängert werden, und die Räumlichkeit des Schalls kann durch Einführen seitlicher Reflexionen erhöht werden. Es sei bemerkt, daß die Verlängerung der Nachhallzeit kein Selbstzweck ist, sondern ein Mittel, um eine Klangfülle und ein räumliches Schallbild zu erreichen. Die Verbesserung der Akustik wird erreicht, während die akustischen Eigenschaften des Zuhörerraums erhalten bleiben. Dies bedeutet, daß die einen jeden einzelnen Zuhörerraum kennzeichnende bereits bestehende Akustik nur hinsichtlich der genannten Punkte verbessert wird, soweit dies nötig ist.
Für den Aufbau des erfindungsgemäßen Systems wird auf Figur 1 Bezug genommen. Das erfindungsgemäße elektroakustische System, das nachfolgend als SIAP-System ("System for Improved Acoustic Performance" - System für eine verbesserte akustische Leistungsfähigkeit) bezeichnet wird, umfaßt mehrere Mikrophone 2, wobei ein jedes Mikrophon 2 mit einem Vorverstärker (nicht dargestellt) versehen sein kann. Die Mikrophone sind, falls gewünscht, mittels Filtern 31, die beispielsweise in Form von Entzerrern ausgeführt sind, an eine Mischeinheit 3 angeschlossen. Als Mikrophone 2 können beispielsweise Kondensormikrophone zusammen mit einem Vorverstärker der CMC 5-Reihe von Schoeps (eingetragenes Warenzeichen) beispielsweise CMC 5 Mk41s U oder dynamische Mikrophone wie D 224 von AKG (eingetragenes Warenzeichen) oder wie MD 421 U oder MD 441 U von Sennheiser (eingetragenes Warenzeichen) verwendet werden. Zusammen mit den dynamischen Mikrophonen können Vorverstärker beispielsweise von D&R (eingetragenes Warenzeichen) verwendet werden. Als Mischeinheit 3 kann C-279 von Studer Revox (eingetragenes Warenzeichen) verwendet werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß in Figur 1 lediglich ein Untersystem dargestellt ist und daß weiterhin lediglich ein Kanal detailliert dargestellt ist. Was den Aufbau betrifft, kann der zweite Kanal dem ersten Kanal entsprechen. Der dargestellte Kanal wird nun in näheren Einzelheiten erörtert.
Ein jeder Kanal umfaßt die Reihenschaltung aus einem Prozessor 4, einem Leistungsverstärker 5 und einem Lautsprecher 6. Der Prozessor 4 kann, falls gewünscht, mittels des Entzerrers 32 und/oder des Entzerrers 33 an die Mischeinheit 3 angeschlossen sein. Wie in Figur 1 durch eine punktierte Linie dargestellt ist, können mehrere Prozessoren 4 vorgesehen sein, deren jeder an den Entzerrer 32 über einen Entzerrer 33 oder direkt an die Mischeinheit 3 angeschlossen sein kann. Ein jeder Prozessor 4 kann weiterhin mit einem oder mehreren zwischengeschalteten Entzerrern 34 an Leistungsverstärker 5 angeschlossen sein, wobei ein jeder Leistungsverstärker 5 an mehrere Lautsprecher 6 angeschlossen sein kann. Die Entzerrer 31, 32, 33 und 34 können Frequenzspektrum-Entzerrfilter des Typs SH 8065 von Technics (eingetragenes Warenzeichen) sein. Die Prozessoren 4 können digitale Schallfeld-Prozessoren der Modelle DSP-3000, DSP-100 oder DSP-1 von Yamaha (eingetragenes Warenzeichen) sein. Die Leistungsverstärker können die Verstärker 405, 520f, 606 von Quad (eingetragenes Warenzeichen) oder der Verstärker 2100 PE von NAD (eingetragenes Warenzeichen) sein. Die Lautsprecher können beispielsweise die Modelle CR200/CR 250SW, C35, C55, C75, C95 oder RR104 von Kef (eingetragenes Warenzeichen) sein.
Im allgemeinen umfaßt das SIAP-System eine Mikrophonmatrix mit mehreren Mikrophonen 2 und eine Lautsprechermatrix mit mehreren Lautsprechern 6 sowie eine zwischen die Matrizen geschaltete Signalverarbeitungseinheit mit Prozessoren 4 zur Erzeugung von Reflexionen. Die Entzerrer 31 - 34, die Mischeinheit 3 und die Leistungsverstärker 5 können als in die Signalverarbeitungseinheit eingebaut angesehen werden.
Ein Untersystem besteht oft aus zwei Mikrophonen 2 mit Vorverstärkern, einem Entzerrer 32, 33 oder 34, einem Prozessor 4, zwei Leistungsverstärkern 5 und zwei Lautsprechern 6. Ein vollständiges System kann aus zehn Untersystemen mit einem Steuerpult (nicht dargestellt) zum Einstellen einer Auswahl mit beispielsweise vier Einstellungen bestehen.
Alle Teile des SIAP-Systems befinden sich ständig an einer festgelegten Position. Die Arbeitsweise des SIAP- Systems beruht auf abgestimmten Positionen und Richtungen der Mikrophone 2 und der Lautsprecher 6 im Zusammenwirken mit den in den Prozessoren 4 festzulegenden akustischen Parametern und der Abstimmung von Verstärkungen im System. Insbesondere bestimmen der Ort und die Richtung der Mikrophone 2 bezüglich der Schallquelle (nicht dargestellt) (Musiker auf der Bühne oder im Orchestergraben) die Stärke des von den Mikrophonen 2 empfangenen direkten Schalls sowie die Anzahl und die Intensität der von den Mikrophonen 2 empfangenen Reflexionen. Der Ort und die Richtung der Lautsprecher 6 bezüglich der Zuhörer (nicht dargestellt) (die Zuhörerschaft im Zuhörerraum und die Musiker auf der Bühne oder in dem Orchestergraben) bestimmen, ob der Schall aus den Lautsprechern 6 die Zuhörer vollständig oder im wesentlichen direkt oder vollständig oder teilweise indirekt über Reflexionen an Oberflächen im Raum (Saalwände und Decke) erreicht. Die Verstärkungen im System bestimmen den Grad, zu dem der durch die Prozessoren 4 verarbeitete und von den Lautsprechern 6 wiedergegebene von einem jeden der Mikrophone 2 empfangene Schall zum Schall beiträgt.
Die Mikrophone 2 sind gewöhnlich oberhalb der Bühne auf der Seite des Zuhörerraums in einem relativ großen Abstand zur Schallquelle derart angebracht, daß sie den gesamten Auf führungsbereich einschließlich des Orchestergrabens (musikalische Theaterauf führungen) überdecken. Sie bilden folglich kein Hindernis für die Verwendung der technischen Bühneneinrichtungen. Der Ort der Mikrophone 2 und der Lautsprecher 6 wird nur einmal festgelegt, wobei Messungen und/oder Berechnungen verwendet werden. Die Mikrophone 2 und die Lautsprecher 6 befinden sich ständig an ihren festgelegten Orten, da dies für die Arbeitsweise des Systems wesentlich ist. Die Lautsprecher 6 sind in erster Linie im oberen Bereich des Zuhörerraums und in der Nähe der Seitenwände vorgesehen, da die reflektierenden, d. h. akustisch harten Oberflächen, wenn möglich, ausgenutzt werden. Weiterhin verläuft der von den Lautsprechern 6 ausgehende Schall seitlich, wenn die Lautsprecher 6 auf der Seite der Zuhörerschaft angeordnet sind. Mit Ausnahme der Mikrophone 2 und der Lautsprecher 6 brauchen keine Geräte des SIAP-Systems im Zuhörerraum angeordnet werden.
Bevor die Arbeitsweise des SIAP-Systems in näheren Einzelheiten erörtert wird, wird zunächst seine akustische Grundlage erörtert.
Für eine gute musikalische Akustik ist die Nachhallzeit von großer Wichtigkeit. Sie muß für alle Anwendungen innerhalb gewisser Grenzen liegen. Für Kammermusik ist die erwünschte Nachhallzeit länger als für Sprache, aber deutlich kürzer für symphonische Musik, und beträgt insbesondere 0,8 - 1,2 Sekunden für Sprache, 1,2 - 1,5 Sekunden für Kammermusik und 1,7 - 2,3 Sekunden für symphonische Musik. Vergleichbare Unterschiede bestehen hinsichtlich des Laufnachhalls und der seitlichen Reflexionen. Der Nachhall ist ein Mittel, eine Klangfülle dadurch zu erreichen, daß die Musiktöne durch die zum Abfallen eines jeden Signals erforderliche Zeit miteinander verbunden werden. Um dies wahrnehmen zu können, muß der Schallpegel des Nachhalls bezüglich des direkten Schalls ausreichend hoch sein. Es ist weiterhin erforderlich, daß sich der Nachhall aus einer großen Zahl einzelner relativ schwacher Nachhalle zusammensetzt, die zusammen das Verklingen oder das Abfallen des Schalls im Raum bewirken. Seitliche Reflexionen fördern die Räumlichkeit des Schalls. Der direkte Schall, frühe und späte Reflexionen, frontale und seitliche Reflexionen, die Nachhallzeit und der Laufnachhall sind zusammengenommen in ihren wechselseitigen Beziehungen die wichtigsten die Akustik eines Raums ausmachenden Faktoren. Die frühen Reflexionen sind nur wenig schwächer als der direkte Schall, und ihre Anzahl ist gering. Bei wachsender Verzögerungszeit wächst die Anzahl der Reflexionen, und sie werden schwächer. Der Nachhallschwanz beginnt etwa 200 - 300 ins nach dem direkten Schall. Die Qualität des Nachhalls hängt von der Anzahl der Reflexionen ab, aus denen er sich zusammmensetzt, also der Reflexionsdichte. Die Räumlichkeit des durch die seitlichen Reflexionen erzeugten Schalls bewirkt die als "Nachklingen" des Zuhörerraums bezeichnete Erscheinung. Hierfür ist es erforderlich, daß viele Reflexionen aus vielen Richtungen und insbesondere von der Seite auftreten, wobei eine jede dieser Reflexionen nicht so stark sein sollte, daß sie einzeln hörbar ist.
Der Ausgangspunkt für die Auslegung des Systems besteht daher darin, daß eine große Reflexionsdichte verwirklicht wird, da sonst kein gutes und natürlich klingendes Ergebnis möglich ist. Wie bereits erwähnt wurde, wird beim SIAP-System nicht die Erhöhung der Nachhallzeit durch akustische Rückkopplung zwischen den Mikrophonen 2 und den Lautsprechern 6 verwendet. Die Reflexionen werden durch die Prozessoren 4 elektronisch erzeugt. Es ist jedoch auch möglich, einen Schall zu empfangen, ihn in einem Raum mit einem gewissen Nachhall wiederzugeben, den mit dem Nachhall versehenen Schall aufzunehmen und ihn in einen Zuhörerraum abzugeben. Die praktischste Möglichkeit besteht angesichts der zu verwirklichenden Reflexionsdichte und der Einstellmöglichkeiten der akustischen Parameter in der Verwendung der gegenwärtig verfügbaren digitalen Verzögerungsausrüstung, wie einem Schallfeld-Prozessor.
Falls dem Prozessor 4 nur ein direkter Schall dargeboten wird, tritt an seinem Ausgang genau das in ihm erzeugte Reflexionsinuster auf. Wenn dieser Schall auf die Zuhörer gerichtet wird, bestimmt nur diese völlig künstlich erzeugte Akustik den Schall. In Räumen mit einem kurzen Nachhall sind die Reflexionen des Raums selbst ausreichend schwach, so daß die vorausgehend erwähnte künstliche Akustik in diesen Räumen überwiegt. Dies bedeutet daher, daß die verschiedenen Räume im Prinzip ohne ihren eigenen akustischen Charakter weiterhin gleich klingen.
Wie bereits erklärt wurde, ist ein gut klingender Nachhall nur bei einer hohen Reflexionsdichte möglich. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, daß eine recht hohe Dichte mit Prozessoren möglich ist. Statt dieser ist es auch möglich, eine analoge Verzögerungsausrüstung, wie Nachhallfedern oder -platten, zu verwenden, die jedoch den kennzeichnenden Nachteil eines Verfärbens des Klangs aufweisen. Gemäß der Erfindung kann die Qualität des Nachhalls nicht nur durch Verwenden des direkten Schalls als Eingangssignal für den Prozessor 4, sondern insbesondere auch durch Verwenden von Reflexionen verbessert werden.
In Figur 2a ist das Eingangssignal eines Prozessors 4 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, wenn ein jeweiliges Mikrophon 2 nur den direkten Schall aufnimmt, und in Figur 2b ist das entsprechende Ausgangssignal des Prozessors 4 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die Figuren 2c und 2d entsprechen jeweils den Figuren 2a und 2b, wobei jedoch nun der direkte Schall und drei Reflexionen von einem jeweiligen Mikrophon aufgenommen werden. Wie dargestellt, wird die Reflexionsdichte bei einem direkten Schall mit drei Reflexionen vierfach verstärkt. Falls der aufgenommene Schall bereits einen gewissen Nachhall aufweist, wird die Qualität des Ausgangssignals merklich besser. Da das aufgenommene Reflexionsmuster des Schalls in einem jeden Zuhörerraum (leicht) unterschiedlich ist, hat das Ausgangssignal bereits seinen eigenen bestimmten Charakter.
Wenn der Schall über die Lautsprecher 6 nicht direkt, sondern auch oder ausschließlich durch eine Reflexion von den Wänden oder der Decke übertragen wird, erreicht nicht nur das von einem Lautsprecher 6 ausgehende Schallsignal, sondern auch der Schall vom Lautsprecher 6 den Zuhörer in Form einer Anzahl von Reflexionen, insbesondere, wenn Schalldiffusoren in die Wand oder in die Decke eingebaut sind. Weiterhin wird auf diese Weise die Reflexionsdichte erhöht. Wenn die Reflexionsdichte im Nachhallschwanz hoch genug ist, damit der Nachhall vollkommen natürlich klingt, bringt eine weitere Verdichtung keine weiteren hörbaren Ergebnisse mit sich. Andererseits ist dies mit keinen Nachteilen verbunden.
Durch Anbringen der Lautsprecher 6 können das Verhältnis zwischen der frontalen und der seitlichen Energie und damit die Räumlichkeit des Schalls weiter beeinflußt werden. Durch Verwendung mehrerer Prozessoren 4 kann ein bestimmtes Reflexionsmuster für jeden Lautsprecher 6 oder eine Gruppe von Lautsprechern 6 wiedergegeben werden. Auf diese Weise kann die Räumlichkeit weiter beeinflußt werden, und die Reflexionsdichte erhöht sich zusätzlich (weiter). Bei Verwendung mehrerer Untersysteme gemäß Figur 1 kann anders ausgedrückt die Reflexionsdichte weiter wachsen, und die Abstimmungsmöglichkeiten werden erhöht. Falls gewünscht, kann eine Mischeinheit 3 für jedes Untersystem verwendet werden. Die Verwendung des SIAP-Systems führt zu einem akustischen Ergebnis, das eine Kombination der Akustik im Zuhörerraum und der Zugabe durch das System selbst ist. Verschiedene Zuhörerräume werden daher weiterhin unterschiedlich klingen und ihren eigenen bestimmten akustischen Charakter haben.
Nachfolgend wird die Aufnahme des Schalls in ihren Einzelheiten verfolgt.
Der auf einer Bühne und in einem gegebenenfalls vorhandenen Orchestergraben erzeugte Schall wird von mehreren Mikrophonen 2 empfangen. Die Auswahl der Anzahl der Mikrophone 2 und das gewünschte Polarmuster hängen einerseits von der Fläche der Bühne und andererseits von der Gefahr ab, daß das System durch akustische Rückkopplung instabil wird Ein jedes Untersystem hat seine eigene Schwingungsgrenze, wodurch es möglich ist, die Schwingung durch Abstimmen des Systems und Ausrichten der Lautsprecher 6 wirksam zu vermeiden. Die Mikrophone 2 befinden sich in einem Abstand von der Schallquelle, bei dem, abgesehen vom direkten Schall insbesondere der an diesem Ort vorhandene reflektierte Schall empfangen wird. Da es beabsichtigt ist, so viel reflektierten Schall wie möglich zu empfangen, wird ein relativ großer Mikrophonabstand verwendet, so daß der reflektierte Schall im Verhältnis zum direkten Schall relativ stark ist Schallreflektierende Oberflächen in der Umgebung der Schallquelle, wie eine Orchestereinfassung auf der Bühne oder ein Orchestergraben oder Sänger auf der Bühne, spielen eine wichtige Rolle bei der Verwirklichung eines natürlichen Klangs. Der Abstand zwischen den Mikrophonen 2 und den Schallquellen beträgt bei diesem System höchstens 5 - 10 m, aber es können auch größere Abstände auftreten. Die Mikrophone befinden sich also so weit wie möglich im Nachhallfeld oder im diffusen Schallfeld und sind auf die Bühne und/oder auf reflektierende Oberflächen im Bühnenbereich gerichtet.
Eine akustische Rückkopplung ist, falls sie ausreichend niedrig ist, erlaubt, um eine Klangverfärbung zu verhindern. Zu diesem Zweck ist, falls nötig, schallabsorbierendes und/oder Abschirmmaterial in der direkten Umgebung der Mikrophone 2 vorgesehen.
In Zuhörerräumen, bei denen die akustische Kopplung zwischen dein Zuhörerraum und der Bühne nicht sehr gut ist, kann entschieden werden, zum Nutzen der Bühne ein oder mehrere Untersysteme zu verwenden.
Falls erforderlich, kann sich die Gesamtzahl der Mikrophone 2 auf 40 belaufen.
Nun wird das Thema der Signalverarbeitung verfolgt. Vorzugsweise überträgt ein jedes Mikrophon 2 ein vorverstärktes Signal an die Mischeinheit 3. Im Hinblick auf die weitere Behandlung der von einem jeden Punkt der Bühne bei einem richtigen wechselseitigen Stärkenverhältnis (Ausgleich) aufgenommenen Signale werden die Verstärkung und die Frequenzeigenschaften eines jeden Mikrophon-Eingangssignals für das Steuerpult 3 eingestellt. In der Mischeinheit 3 werden die Eingangssignale zu Ein-Kanal- oder Zwei-Kanal- Ausgangssignalen angeordnet. Wenn das vorverstärkte Mikrophonsignal unbehandelt an den Prozessor übergeben werden kann, wird die Mischeinheit 3 fortgelassen.
Die Filter 31 - 34 können in das System aufgenommen werden, um die Signalintensität in bestimmten Frequenzbändern steuern zu können. Es ist möglich, ein 1/1-Oktavband, ein 1/3-Oktavband und Schmalbandfilter zu verwenden. Diese Filter können je nachdem, was angestrebt wird, an verschiedenen Stellen in das System eingebaut werden. In Figur 1 sind einige Möglichkeiten dargestellt. Dies bringt es mit sich, daß es in bestimmten Fällen nicht erforderlich ist, die Filter 31 - 34 zu verwenden, wenngleich es auch passieren kann, daß alle in Figur 1 dargestellten Filter erforderlich sind. Abgesehen von diesen beiden Grenzfällen sind mehrere Spielarten möglich. Die Funktion der Filter 31 - 34 kann darin bestehen, eine akustische Rückkopplung zu begrenzen, wo dies für die Stabilität des Systems oder zur Vermeidung einer Verfärbung des Klangs als wünschenswert angesehen wird. Eine andere Anwendung kann darin bestehen, daß das Schallfeld in einem Raum nicht beeinflußt werden darf oder in bestimmten Frequenzbändern in geringerem Maße beeinflußt werden muß als im übrigen Tonspektrum. Zur Entzerrung der Frequenzkennlinie werden Entzerrer als eine mögliche Ausführung der Filter 31 - 34 verwendet.
Wenn mehrere Prozessoren 4 für ein jedes Untersystem verwendet werden, wird das gleiche Ein-Kanal-Ausgangssignal aus der Mischeinheit 3 an einen jeden der Prozessoren 4 übergeben, aber die Mikrophonsignale können auch über zwei Kanäle verteilt werden, wobei einer der Kanäle für einen jeden Prozessor 4 ein Eingangssignal liefert.
Bei nun stattfindender Verwendung der Prozessoren 4 können die folgenden akustischen Parameter eingestellt werden: Die Verzögerungszeit der ersten zu erzeugenden Reflexion (die zwischen der ersten Reflexion und dein Beginn des Nachhalls beispielsweise 300 ms beträgt, wobei abhängig vom verwendeten Prozessor eine Anzahl von Reflexionen mit einer wachsenden Verzögerungszeit, einem sinkenden Schallpegel und einer größeren Reflexionsdichte erzeugt wird), die Nachhallzeit, der Schallpegel beim Beginn des Nachhalls in bezug auf den Pegel der ersten Reflexion, das Verhältnis zwischen der Nachhallzeit bei hohen Frequenzen und der bei den anderen Frequenzen von 500 Hz und darunter, der Frequenzbereich des zu verarbeitenden Schallsignals und der Schallpegel des verarbeiteten Signals in bezug auf das Eingangssignal.
Wenn das Eingangssignal bereits Reflexionen aufweist, die zeitlich zueinander verzögert sind, ist die Dichte der Reflexionen im Ausgangssignal des Prozessors 4 höher als die Anzahl der im Prozessor 4 selbst erzeugten zeitverzögerten Signale. Folglich wird eine höhere Reflexionsdichte erzeugt.
Im Zusammenwirken mit dem Nachhallfeld des Zuhörerraums selbst kann sich die Reflexionsdichte sogar noch weiter erhöhen. Das Ziel hiervon besteht darin, ein natürlich klingendes Reflexionsmuster sowohl hinsichtlich der frühen Reflexionen als auch hinsichtlich des Abfalls des Nachhalls, dem sog. Nachhallschwanz, zu erhalten. Um eine höhere Reflexionsdichte zu erreichen, kann eine Anzahl von Prozessoren 4 in Reihe geschaltet werden (nicht dargestellt).
Wenn der Bereich um die Mikrophone 2 und/oder die Lautsprecher 6 herum bereits einen gewissen Nachhall aufweist, besteht eine Möglichkeit, daß die im Prozessor 4 festgelegte Nachhallzeit erheblich kürzer sein kann als der zusammen mit dein Zuhörerraum zu verwirklichende Wert.
Die im Prozessor 4 eingestellten erwähnten akustischen Parameter werden als Einstellung bezeichnet. Für verschiedene Verwendungen können getrennte Einstellungen verwendet werden. Abhängig von der Verwendung wird die gewünschte Einstellung mittels eines Steuerpults (nicht dargestellt) ausgewählt. Die im Prozessor 4 einzustellenden akustischen Parameter und die Abstimmung des Systems werden für jeden Zuhörerraum einzeln bestimmt. Es wird durch Messungen und/oder Berechnungen bestimmt, welche Ergänzung zur bestehenden Akustik durch das System erwünscht ist. Für einen neuen Zuhörerraum werden lediglich Berechnungen ausgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung führen zur Bestimmung der in das System einzugebenden Werte und des verbleibenden Abstimmens der Ausrüstung. Die Anzahl der in einem System verwendeten Prozessoren 4 hängt von der akustischen Gegebenheit des zu verbessernden Zuhörerraums ab. Mit experimentellen Aufbauten des SIAP-Systems gewonnene Erfahrungen haben gezeigt, daß bei den meisten Theater-Zuhörerräumen, die für Konzerte und musikalische Theaterauf führungen, wie Opern, Operetten, Musicals, Ballett und Revuen, geeignet gemacht werden müssen, insbesondere für den Zuhörerraum etwa 10 Untersysteme erforderlich sind, und ebenso können 10 Untersysteme zum Nutzen der Bühne verwendet werden, falls die akustische Kopplung zwischen dem Zuhörerraum und der Bühne nicht besonders gut ist.
Das Ausgangssignal eines Prozessors 4 wird zu wenigstens einem Leistungsverstärkerkanal übertragen, der ein Signal zu wenigstens einem Lautsprecher 6 oder zu mehreren Lautsprechern 6 überträgt. Das Ausgangssignal eines Prozessors 4 kann auch zu mehreren Leistungsverstärkern 5 übertragen werden. Für einen jeden Leistungsverstärker 5 können mehrere einzelne Lautsprecher 6 oder getrennte Einheiten aus einer Anzahl von Lautsprechern 6 verwendet werden. An einen Lautsprecher 6 kann das Signal mehrerer Verstärker 5 übergeben werden. Es wird stets für einen jeden Zuhörerraum einzeln entschieden, welche Anordnung oder welche Kopplung verwendet wird.
Die Mikrophone 2 sind im SIAP-System in einer solchen Entfernung zur Schallquelle angeordnet, daß durch ein einziges Mikrophon 2 ein großer Bereich überdeckt werden kann, und bereits relativ viele Reflexionen aufgenommen werden. Dies bedeutet, daß die gesamte Bühne durch ein bis vier Mikrophone 2 abgedeckt wird. In den meisten Fällen sind die Mikrophone 2 weiterhin jenseits des kritischen Abstands angeordnet, so daß alle Reflexionen, in denen alle Schallquellen, wie Instrumente und Sänger, repräsentiert sind, wenigstens so stark sind wie der direkte Schall und häufig sogar überwiegen. In diesem Fall empfängt ein einziges Mikrophon 2 den gesamten Schall.
Wenn das System aus mehreren Untersystemen aufgebaut wird, die jeweils wenigstens ein Mikrophon 2, einen Prozessor 4, einen Verstärker 5 und einen Lautsprecher 6 aufweisen, und die Untersysteme nicht miteinander verbunden werden, hat jedes Untersystem seine eigene Schwingungsgrenze. Gewöhnlich besteht das Ziel beim gesamten System darin, daß die ursprüngliche Lautstärke des Nachhalls des Zuhörerraums und des Systems zusammen der ursprünglichen Lautstärke des Nachhalls des Zuhörerraums selbst gleicht oder geringfügig geringer ist als diese. Die Schwingungsgrenze kann durch geeignetes Auswählen des Orts der Mikrophone 2 und der Lautsprecher 6, die beispielsweise voneinander abgeschirmt werden, und ihres Polarmusters beeinflußt werden. Die Differenz zwischen der erreichbaren Ursprungslautstärke des Nachhalls und der gewünschte Wert bestimmen die Anzahl der erforderlichen Untersysteme. Es kann berechnet werden, daß bei Verwendung von Mikrophonen mit einem Kardioid-Polarmuster und einer Entzerrung des Frequenzspektrums bei einem mittleren Zuhörerraum zehn bis zwanzig Untersysteme ausreichen, um den gleichen Nachhallpegel wie beim Zuhörerraum selbst zu erreichen; die genaue Anzahl hängt von der akustischen Rückkopplung zwischen den Lautsprechern und den Mikrophonen im betreffenden Raum ab. Solange die Anzahl der Untersysteme kleiner ist als etwa 50, beeinflussen sie sich kaum durch eine gegenseitige akustische Rückkopplung
Nun wird das Thema der Wiedergabe der erzeugten Reflexionen verfolgt. Die durch das System erzeugten Reflexionen und der durch das System erzeugte Nachhall werden durch Lautsprecher 6 im Zuhörerraum und/oder am Ort der Bühne wiedergegeben, wobei für einen jeden Zuhörerraum oder einen Teil des Zuhörerraums eine oder mehrere der folgenden Möglichkeiten oder Kombinationen davon ausgewählt werden.
Der Ort der Lautsprecher 6, die sich im oberen Bereich des Zuhörerraums befinden oder gleichmäßig über den Zuhörerraum verteilt sind, sowie ihre Richtung sind gewöhnlich derart, daß zusammen mit dem Nachhallfeld des Zuhörerraums selbst ein natürlich klingendes Nachhallfeld erzeugt wird. Ein Beispiel hierfür ist in Figur 3 dargestellt.
Die Lautsprecher 6 sind über im Zuhörerraum vorhandenen oder noch vorzusehenden Schallreflektoren derart angebracht, daß die wiedergegebenen Reflexionen und der Nachhall, mit denen aus dem Zuhörerraum vermischt, die Zuhörerschaft und die Bühne erreichen. Vergleiche Figur 4.
Die Lautsprecher sind im Raum oberhalb des Zuhörerraums, beispielsweise der Dachkammer, angeordnet, wo der Schall mit dem an diesem Ort vorhandenen Nachhall gemischt wird und die Zuhörerschaft und die Bühne gewöhnlich über das Nachhallfeld des verwendeten Zuhörerraums durch Öffnungen in der Decke erreicht. Die Öffnungen in der Decke sind im wesentlichen von Belang für Beleuchtungsgalerien und schmale Stege, Ventilationssysteme und/oder wurden für ein System für eine veränderliche Akustik vorgesehen. Ein Beispiel ist in Figur 5 dargestellt.
Die Lautsprecher 6 sind in einein geringen Abstand zur Zuhörerschaft und/oder zur Bühne angeordnet, und sie werden einzeln bis zu einem Pegel eingestellt, bei dem kein Lokalisierungseffekt auftritt, was insbesondere für Zuhörerräume gilt, die von Natur aus ein kleines Nachhallfeld, d. h. einen geringen Rauminhalt oder einen relativ tiefen Raum in den und unter den Balkonen im Verhältnis zur Höhe an diesem Ort, aufweisen, was eine schlechte Kopplung mit dem Nachhallfeld des Zuhörerraums bedeutet. Weiterhin wird in dieser Situation ein Nachhallfeld erzeugt, indem der Schall so weit wie möglich über eine Reflexion von akustisch harten Oberflächen zu den Zuhörern übertragen wird. Siehe Figur 6.
Die Anzahl der Lautsprecher 6 beträgt meistens zehn bis vierzig und kann insbesondere in der gerade beschriebenen Situation bis zu 100 betragen. Das Ziel der Anordnung der Lautsprecher 6 besteht darin, zusammen mit dem Nachhall des Zuhörerraums selbst einen natürlich klingenden Nachhall im Zuhörerraum und auf der Bühne zu erzeugen. Um dies zu erreichen, senden die Lautsprecher einen Schall in Richtung der reflektierenden Oberflächen mit dem Ziel aus, den Schall insbesondere durch eine Reflexion und eine Zerstreuung zu den Zuhörern zu übertragen.
Wie bereits erwähnt, ist das mit dem SIAP-System zu erreichende Ergebnis eine Akustik, die aus den akustischen Eigenschaften des Zuhörerraums zusammen mit den zusätzlichen elektroakustisch durch das SIAP-System erzeugten akustischen Signalen besteht. Die wichtigsten mit den verschiedenen Einstellungen anzustrebenden akustischen Eigenschaften sind für das Zuhörerraumsystem und das SIAP-System gemeinsam in Tabelle A dargestellt. TABELLE A Zielwerte akustischer Eigenschaften
Die Werte in Tabelle A sind in der Akustik im allgemeinen verwendete Zielwerte. Abhängig von dein zu verbessernden Raum ist es auch möglich, in bestimmten Fällen abweichende Werte auszuwählen.
Um die gewünschte Akustik mit dem SIAP-System und dem Zuhörerraum zu verwirklichen, werden die folgenden Parameter in einem bestehenden Zuhörerraum gemessen. Die von der Frequenz abhängige Nachhallzeit (T60), der Laufnachhall (EDT oder T10, der von der Frequenz abhängt), die Verzögerungszeit der ersten Reflexion und die Richtung, aus der sie kommt, mittels Richtmikrophonen und dem richtungsabhängigen Reflexionsmuster (Reflektogramm), und die Sprachverständlichkeit gemäß dem sogenannten RASTI-Verfahren ("Rapid Speech Transmission Index Method" - Schnelle Sprachübermittlung-Indexverfahren).
Durch ein Untersystem im Zuhörerraum wird die Schwingungsgrenze verschiedener Matrizen aus Mikrophonen 2 und Lautsprechern 6 bestimmt, beispielsweise durch gerichtetes Aufnehmen von Schall und Wiedergabe mittels Reflexionen, Aufnehmen von Schall mit Reflexionen, und Aufnehmen von Schall und auf die Zuhörer gerichtete Wiedergabe, und Aufnehmen von Schall mit Reflexionen und Wiedergabe mit Reflexionen, gerichtetes Aufnehmen von Schall und auf die Zuhörer gerichtete Wiedergabe.
Mittels der aus Messungen und/oder Berechnungen bekannten Eigenschaften des Zuhörerraums wird bestimmt, welche Ergänzungen erwünscht sind, beispielsweise eine erste starke seitliche Reflexion, seitliche Reflexionen im Zeitraum zwischen der ersten Reflexion und dem Beginn des Nachhallschwanzes, die ursprüngliche Lautstärke des Nachhalls, die Nachhallzeit und die Frequenzabhängigkeit des hinzuzufügenden Signals.
Mit diesen Ausgangspunkten wird das System für den Zuhörerraum ausgelegt. Die Anzahl und die Zusammensetzung der Untersysteme, die Orte der Mikrophone und der Lautsprecher werden an dieser Stufe im Prinzip festgelegt.
Nachdem das SIAP-System im Zuhörerraum eingerichtet wurde, kann das abschließende Abstimmen stattfinden. Für jedes Untersystem finden die folgenden Arbeitsgänge statt: ein Festlegen der Schwingungsgrenze, ein Entzerren der Frequenzkennlinie zum Verbessern der Wiedergabequalität, insbe- sondere um ein Verfärben zu verhindern, und ein Minimieren der Schwingung, und ein mögliches Anpassen des Orts und der Richtung der Mikrophone 2 und der Lautsprecher 5, ein Programmieren der akustischen Parameter im Prozessor oder in den Prozessoren 4, ein Steuern der Verstärkung und ein Messen des Beitrags des Untersystems für die Akustik des Zuhörerraums.
Nach dem Abstimmen der Untersysteme wird das vollständige SIAP-System abgestimmt. Dies bedeutet, daß Änderungen weiterhin für ein jedes Untersystem möglich sind, da das Gesamtergebnis einen Zielwert erreichen muß. Dieser Teil wird durch Messungen abgeschlossen.
Falls es eine Möglichkeit gibt, wird das System durch Live-Musik weiter überprüft. Die Einstellungen können innerhalb der Grenzen der dargelegten akustischen Kriterien für jede einzelne Verwendung an die Wünsche der Anwender angepaßt werden. Durch Organisieren eines oder mehrerer Probekonzerte kann die Feinabstimmung des Systems in der Situation, für die es bestimmt ist, nämlich im Zuhörerraum mit einer anwesenden Zuhörerschaft, stattfinden. Während dieses Test können Messungen durchgeführt werden, um das erreichte Ergebnis aufzuzeichnen.
Das SIAP-System kann in Zuhörerräumen, Studios, Kirchen und vergleichbarem verwendet werden, kurzum in allen Räumen, bei denen die Akustik für Musik wegen eines Mangels an Nachhall und/oder Reflexionen, insbesondere seitlicher Reflexionen im gesamten hörbaren Frequenzspektrum oder eines Teils davon, zu wünschen übrig läßt. Die Anwendung des Systems ist auch in Räumen möglich, in denen die Nachhallzeit für Sprache zu kurz ist.
In Zuhörerräumen, in denen der Nachhall selbst für Sprache zu kurz ist, kann dieser auf den gewünschten Wert verlängert werden. Das Ziel hiervon besteht darin, die einzelnen Silben und Wörter durch den Nachhall zu verbinden, einerseits, um den melodischen Zügen der Sprache zu dienen und andererseits, um einen Schall aus dein Zuhörerraum durch den Nachhall für den Sprecher besser verständlich zu machen (was beispielsweise Bedingungen für Schauspieler sind, um sich selbst und einander zu hören).
Beispiele sind Zuhörerräume mit einem zu geringen Nachhall und/oder einer zu geringen seitlichen Reflexion für Musik, jedoch mit einer guten Sprachverständlichkeit, wie Theater- und Konferenz-Zuhörerräume, die auch für musikalisches Theater und Konzerte verwendet werden, Zuhörerräume, wie Konzertsäle, die an einigen Punkten akustische Verbesserungen erfordern, Konzertsäle mit einer guten Akustik für gewisse Musikarten, die jedoch bei anderen Musikarten Mängel aufweisen, Kirchen mit einem zu kurzen Nachhall und/oder einer unzulänglichen räumlichen Akustik für Chor und Orgelmusik, Räume, bei denen der Nachhall nicht durch bauliche Maßnahmen oder ein auf einer optischen Rückkopplung beruhendes Nachhallsystem, wie ein MCR-System, verlängert werden kann, da in diesem Fall die Lautstärke zu hoch wird, Zuhörerräume, bei denen eine Multifunktionalität ein Hauptaugenmerk ist und ein elektroakustisches System wegen seiner zahlreichen möglichen Einstellungen im Zusammenwirken mit einer schnellen und einfachen Arbeitsweise eine angemessene Lösung bieten kann, Zuhörerräume, bei denen die akustische Kopplung zwischen dein Bühnenbereich und dem Zuhörerbereich nicht optimal ist, beispielsweise ein Bühnenhaus mit einem hohen Maß an Nachhall und ein Zuhörerraum mit einem geringen Nachhall oder umgekehrt, Zuhörerräume, Studios und vergleichbares, bei denen für jedes einzelne Musikstück eine unterschiedliche Einstellung wünschenswert sein kann.
Die beiden nachfolgend angeführten Beispiele beschreiben das Überprüfen in zwei Theater-Zuhörerräumen während Konzerten, wobei ein System mit begrenzten Abmessungen verwendet wird.

Beispiel 1

Ein Konzert mit einer anwesenden Zuhörerschaft im Stadsschouwburg Casino in 's-Hertogenbosch, Niederlande. Es wurden vier Kondensormikrophone mit einem Kardioid-Polarmuster etwa 6 in oberhalb der Bühne, vier Schallfeld-Prozessoren, vier Leistungsverstärker (mit einem Effektivwert von 100 W) und vier auf die Decke und die Seitenwände gerichtete Lautsprecher auf der Brücke oberhalb des großen Schallreflektors verwendet. In der nachfolgenden Tabelle B ist die gemessene Nachhallzeit aufgeführt. Es wurde ein Untersystem verwendet. TABELLE B Gemessene Nachhallzeit (s)
1) - mit Rosa-Rauschen als Schallsignal
2) - mit einem Chor (etwa 100 Personen), einem Symphonie- Orchester und 800 Besuchern (ausverkauftes Haus)
- mit den Schlußakkorden der Musik als Schallquelle

Bemerkungen

- der Mittelwert der Oktavbänder von 500 und 1000 Hz wird normalerweise als ein Berechnungskriterium verwendet
- die Schallfeld-Prozessoren waren auf 1,8 s mit einem bei 500/1000 Hz zu erreichendem Ziel von 1,7 - 1,8 s eingestellt
- das Eingangssignal wurde im Frequenzbereich von 50 - 4000 Hz verarbeitet.

Beispiel II

Ein Konzert mit einem Publikum im Sociaal Cultureel Centrum De Lievekamp von Oss, Niederlande. Es wurden zwei Kondensormikrophone auf der Seite der Bühne mit einem Kardioid-Polarmuster im Zentrum der fahrbaren Brücke in einer Höhe von etwa 7 in oberhalb der Bühne, vier Schallfeld-Prozessoren, vier Leistungsverstärker (mit einem Effektivwert von 100 W) und vier Lautsprecher verwendet. Es wurden zwei Untersysteme verwendet. Der Schall wurde in der Dachstube oberhalb des Zuhörerraums wiedergegeben und trat wiederum über die Öffnungen in der Decke, hauptsächlich der Beleuchtungsgalerie, in den Zuhörerraum ein. Die gemessene Nachhallzeit ist in Tabelle C dargestellt. Tabelle C Gemessene Nachhallzeit (s)
1) - mit Symphonieorchester und 400 Besuchern
- mit Rosa-Rauschen als Schallsignal
- die Schallfeld-Prozessoren waren für mittlere Frequenzen auf 1,8 s eingestellt; das Eingangssignal wurde im Frequenzbereich von 100 - 2500 Hz verarbeitet
2) Messung nicht zuverlässig (Signal-zu-Rausch-Verhältnis).
Die beiden Beispiele haben gezeigt, daß die im SIAP- System eingestellte Nachhallzeit erreicht wird, daß höhere Werte als die in den Schallfeld-Prozessoren eingestellten infolge des Beitrags eines natürlichen Nachhalls des Zuhörer raums selbst auftreten können, daß lange Nachhallzeiten von beispielsweise 3 5 und mehr in der Praxis möglich sind und daß die Nachhallzeit ebenso wie bei einem natürlichen Nachhall von der Sitzbelegung des Zuhörerraums (der Zuhörerschaft) abhängt, da der Nachhall des Zuhörerraums selbst verwendet wird.
Es ist insbesondere wichtig, festzustellen, daß nicht nur eine Erhöhung der Nachhallzeit erreicht wird, sondern daß der Nachhall auch zusammen mit dem Nachhall des Zuhörerraums selbst sehr natürlich klingt und daß die Räumlichkeit des Schalls wegen des Anwachsens seitlicher Reflexionen und der Tatsache, daß der Nachhall überall in der Zuhörerschaft wahrgenommen wird, erhöht ist.
Während des Abstimmens des Systems vor dem Konzert wird der Einfluß der Verwendung von Reflexionen bei der Aufnahme und der Wiedergabe in beiden Beispielen überprüft. Testsignale in der Art eines Rauschens, eines Geräusches einer Alarmpistole und in einem reflexionsfreien Raum aufgenommener und durch Lautsprecher auf der Bühne (künstliches Orchester) wiedergegebener Musik dienten als Schallguellen. Im Beispiel 1 war es weiter möglich, während einiger Proben des Orchesters zu experimentieren. Es wurden Situationen getestet, bei denen die Mikrophone 2 im Zusammenwirken mit auf die Zuhörer gerichteten Lautsprechern 6 zur Aufnahme des direkten Schalls mit so wenig Reflexionen wie möglich ausgerichtet waren&sub1; wobei die Mikrophone 2 im Zusammenwirken mit auf die Wände und die Decke gerichteten Lautsprechern 6 zur Aufnahme des direkten Schalls mit so wenigen Reflexionen wie möglich ausgerichtet waren und wobei die Mikrophone 2 zur Aufnahme des Schalls mit Reflexionen ausgerichtet waren und die Lautsprecher 6 auf die Wände und die Decke gerichtet waren.
Diese Experimente haben gezeigt, daß die natürliche Qualität des Nachhalls durch Vergrößern des Abstands zwischen den Mikrophonen 2 und der Schallquelle hörbar verbessert wird, wodurch die Reflexionsdichte der Ausgangssignale der Prozessoren 4 erhöht wird, da die Eingangssignale der Prozessoren 4 in diesem Fall mehr Reflexionen aufweisen, daß die natürliche Qualität des Nachhalls und die Räumlichkeit des Schalls hörbar verbessert werden, da der Schall aus den Lautsprechern 6 über Reflexionen zur Zuhörerschaft übertragen wird, wobei nur auf diese Weise erreicht werden kann, daß der Zuhörerraum "nachklingt", und daß das beste Ergebnis durch ein Zusammenwirken der für einen Empfang des direkten Schalls und des reflektierten Schalls ausgerichteten Mikrophone 2 und der auf die reflektierenden Oberflächen gerichteten Lautsprecher 6 erreicht wird, und auch, daß es leicht ist, zu hören, wo sich die Lautsprecher 6 befinden (Lokalisierung), falls sie auf die Zuhörerschaft gerichtet sind.
Die wichtigsten Merkmale des SIAP-Systems bestehen darin, daß vorzugsweise Schallreflexionen von den Mikrophonen 2 aufgenommen werden, daß die Lautsprecher 6 vorzugsweise auf reflektierende Oberflächen gerichtet sind, um seitliche Reflexionen der gewünschten Anzahl und der gewünschten Intensität zu erzeugen, daß die akustischen Parameter im Prozessor 4 einstellbar sind, daß die Schwingungsgrenzen der einzelnen Kanäle oder Untersysteme voneinander unabhängig sind, daß die in den Prozessoren 4 eingestellte Nachhallzeit kürzer oder länger sein kann als der im Zuhörerraum gemessene Wert, daß Reflexionen zwischen den Lautsprechern 6 und den Zuhörern verwendet werden, daß die Nachhallzeit von der Belegung des Zuhörerraums abhängt, daß die Abmessungen des System auch durch die Größe des Zuhörerraums bestimmt sind und daß die Abmessungen des Systems auch durch den gewünschten Grad der akustischen Verbesserung bestimmt sind.
Zur Darstellung der Unterschiede zwischen dem SIAP- System, dem ACS-System und dem MCR-System sind in den Figuren 7a, b; 8a, b und 9a, b die Orte der Mikrophone und der Lautsprecher in Draufsicht (a) bzw. in Schnittansicht (b) dargestellt, wobei der Hauptzuschauerraum im Stadsschouwburg Casino in 's-Hertogenbosch, Niederlande (Beispiel I) als Beispiel verwendet wird.
In den Figuren 7a, b (SIAP-System) sind zum Nutzen des Zuhörerraums zehn Paare von Mikrophonen 2 oberhalb des vorderen Teils der Bühne und zehn Paare von Mikrophonen oberhalb der Bühnenöffnung angeordnet, sind zum Nutzen der Bühne 6 Paare von Mikrophonen 2 oberhalb des vorderen Teils der Bühne und 6 Paare von Mikrophonen 2 oberhalb der Bühnen öffnung angeordnet, gibt es eine Orchestereinfassung zum Nutzen der Reflexionen im Bühnenbereich, sind 26 Lautsprecher 6 auf die reflektierenden Oberflächen im Zuhörerraum gerichtet (d. h., oberhalb eines Schallreflektors am Ort von Wänden und auf gegenüberstehende reflektierende Oberflächen gerichtet), sind sechs Lautsprecher an den Seitenwänden der Orchestereinfassung auf der Bühne angeordnet, sind zehn Untersysteme für den Zuhörerraum und sechs für die Bühne vorgesehen und wird Gebrauch vom Raum oberhalb des Balkons gemacht, der zur Entwicklung eines Nachhalls durch Heraufziehen der Vorhänge der Vorrichtung für eine veränderliche Akustik vorgesehen ist, was normalerweise für die Konzertsituation durchgeführt wird (Nachhall zeit 1,1 s).
In den Figuren 8a, b (ACS-System) umfaßt das Nachhallmodul für den Zuhörerraum eine große Anzahl dicht oberhalb der Bühne angeordneter Mikrophone (32 und zwei für den Solisten), ist ein Prozessor für den Zuhörerraum und einer für die Bühne vorgesehen, ist die Bühne zur Vermeidung von Reflexionen von den Bühnenvorhängen umgeben, sind die Lautsprecher auf die Zuhörerschaft gerichtet, sind die Vorhänge für eine veränderliche Akustik heruntergelassen, um durch der Zuhörerraum selbst erzeugte Reflexionen und Nachhall zu vermeiden, was normalerweise für die Bühnensituation (Nachhallzeit 0,8 s) geschieht, und sind zum Nutzen dei Reflexionen auf der Bühne zehn Mikrophone im Zuhörerraum und zehn Lautsprecher auf der Bühne vorgesehen.
In den Figuren 9a, b (MCR-System) sind große Anzahlen von Mikrophonen und Lautsprechern (jeweils 82) im Nachhallfeld angeordnet.

Claims

1. Elektroakustisches System zum Verbessern der Akustik eines vorgegebenen Raums, wobei das System eine Mikrophonmatrix mit mehreren Mikrophonen (2) und eine Lautsprechermatrix mit mehreren Lautsprechern (6) sowie eine Signalverarbeitungseinheit (4) enthält, die zwischen die Matrizen geschaltet ist und Einrichtungen ftir die Erzeugung von Reflexionen besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß entweder

wenigstens einer der Lautsprecher (6) auf eine reflektierende Oberfläche im vorgegebenen Raum gerichtet ist; oder

wenigstens eines der Mikrophone (2) in der Weise orientiert ist, daß es wenigstens reflektierten Schall von einer Schallquelle im vorgegebenen Raum empfängt und wenigstens einer der Lautsprecher (6) auf eine reflektierende Oberfläche im vorgegebenen Raum gerichtet ist.

2. Elektroakustisches System nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Raum einen Zuhörerraum oder einen Zuhörerbereich und eine Bühne umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Mikrophone (2) einen festen Platz im diffusen Schallfeld des Zuhörerraums oder des Zuhörerbereichs besitzt und daß es auf die Bühne und/oder die reflektierenden Oberflächen im Bühnenbereich gerichtet ist.

3. Elektroakustisches System nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Raum einen Zuhörerraum oder einen Zuhörerbereich und eine Bühne besitzt, oder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Mikrophone (2) einen festen Platz im diffusen Schallfeld der Bühne besitzt und auf den Zuhörerraum oder den Zuhörerbereich und/oder die reflektierenden Oberflächen im Bereich des Zuhörerraums oder des Zuhörerbereichs gerichtet ist.

4. Elektroakustisches System nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Raum einen Zuhörerraum oder einen Zuhörerbereich und eine Bühne enthält, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Mikrophone (2) einen festen Platz im diffusen Schallfeld der Bühne besitzt und auf die Bühne und/oder auf reflektierende Oberflächen im Bühnenbereich gerichtet ist.

5. Elektroakustisches System nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Raum einen Zuhörerraum oder einen Zuhörerbereich und eine Bühne enthält, oder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Mikrophone (2) einen festen Platz im diffusen Schallfeld des Zuhörerraums oder des Zuhörerbereichs besitzt und auf die Zuhörer und/oder auf reflektierende Oberflächen gerichtet ist.

6. Elektroakustisches System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Mikrophonen (2) und den Schallquellen im Bereich von 5-10 m liegt.

7. Elektroakustisches System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Mikrophone (2) 10-40 ist.

8. Elektroakustisches System nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Raum einen Zuhörerraum oder einen Zuhörerbereich und eine Bühne enthält, oder nach irgendeinem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Lautsprecher (6) an einem festen Platz und in einer festen Richtung im oberen Bereich des Zuhörerraums oder des Zuhörerbereichs oder bei gleichmäßiger Verteilung über dem Zuhörerraum oder dem Zuhörerbereich von der Art ist, daß zusammen mit dem Nachhallfeld des Zuhörerraums oder des Zuhörerbereichs selbst ein natürlich klingendes Nachhallfeld verwirklicht werden kann.

9. Elektroakustisches System nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Raum einen Zuhörerraum oder einen Zuhörerbereich und eine Bühne enthält, oder nach irgendeinem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lautsprecher (6) über den im Zuhörerraum oder im Zuhörerbereich angeordneten reflektierenden Oberflächen in der Weise angebracht sind, daß die erzeugten Reflexionen und der erzeugte Nachhall gemischt mit denen des Zuhörerraums oder des Zuhörerbereichs den Zuhörerbereich und die Bühne erreichen können.

10. Elektroakustisches System nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Raum einen Zuhörerraum oder einen Zuhörerbereich und eine Bühne enthält, oder nach irgendeinem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lautsprecher (6) in einem zweiten Raum oberhalb einer mit Öffnungen versehenen Decke des Zuhörerraums oder des Zuhörerbereichs angebracht sind, wobei in dem zweiten Raum der von den Lautsprechern wiedergegebene Schall mit dem dort vorhandenen Nachhall gemischt wird und den Zuhörerraum oder den Zuhörerbereich und die Bühne durch die Öffnungen in der Decke erreichen kann.

11. Elektroakustisches System nach Anspruch 1, wobei der vorgegebene Raum einen Zuhörerraum oder einen Zuhörerbereich und eine Bühne enthält, oder nach irgendeinem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lautsprecher (6) in einem kurzen Abstand vom Zuhörerraum oder dem Zuhörerbereich und/oder der Bühne angebracht sind, wobei die Signalverarbeitungseinheit (4) so beschaffen ist, daß kein Lokalisierungseffekt auftritt, und die Lautsprecher auf reflektierende Oberflächen gerichtet sind.

12. Elektroakustisches System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Lautsprecher (6) 10-40 ist.

13. Elektroakustisches System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Lautsprecher (6) in der Größenordnung von 100 liegt.

14. Elektroakustisches System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (4) wenigstens einen digitalen Schallfeld- Prozessor und wenigstens einen damit verbundenen Leistungsverstärker (5) enthält.

15. Elektroakustisches System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das System aus einer Anzahl getrennter Untersysteme aufgebaut ist, wobei jedes Untersystem wenigstens ein Mikrophon (2), wenigstens einen digitalen Schallfeld- Prozessor (4), wenigstens einen Leistungsverstärker (5) und wenigstens einen Lautsprecher (6) enthält.

16. Elektroakustisches System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Untersysteme kleiner oder gleich so ist.

17. Elektroakustisches System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Untersysteme 2-40 ist.

18. Elektroakustisches System nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Untersystemen für den Zuhörerraum oder den Zuhörerbereich vorgesehen ist und daß eine Anzahl von Untersystemen für die Bühne vorgesehen ist.

19. Elektroakustisches System nach irgendeinem der Ansprüche 15-18, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Mikrophone (2) auf eine Schallquelle gerichtet sind und daß wenigstens einer der Lautsprecher (6) auf Zuhörer gerichtet ist.

20. Elektroakustisches System nach irgendeinem der Ansprüche 15-18, dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens eines der Mikrophone (2) im direkten Schallfeld einer Schallquelle befindet.

21. Elektroakustisches System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Frequenzspektrum-Entzerrer (31, 32, 33, 34) eingefügt ist.

22. Elektroakustisches System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrophone (2) ein Kardioid-Polarmuster besitzen.

23. Elektroakustisches System nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrophone (2) ein Superkardioid-Polarmuster besitzen.