DE837117C - Elektroakustische UEbertragungsanlage - Google Patents

Elektroakustische UEbertragungsanlage

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DE837117C
DE837117C DES5275A DES0005275A DE837117C DE 837117 C DE837117 C DE 837117C DE S5275 A DES5275 A DE S5275A DE S0005275 A DES0005275 A DE S0005275A DE 837117 C DE837117 C DE 837117C
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DE
Germany
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frequency
loudspeaker
microphone
cut
microphones
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DES5275A
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English (en)
Inventor
Dr-Ing Friedrich Spandoeck
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)

Description

  • Elektroakustische Übertragungsanlage Die Erfindung betrifft eine elektroakustische Vbertragungsanlage, die im wesentlichen ein oder mehrere N-likrofone, wenigstens einen Verstärker und eilieii oder inelirere Lautsprecher aufweist. Die Lautsprecher kiinn",ti dabei in demselben Ratun wie die \likrofoiie angeordnet sein, zu dein Zweck, die Wiedergabe all durch direkten Sehall unzureichend @crsorgten 1'1ä tz-en zu verbessern; dies ist insbesondere in großen Räumen oder in solchen sclilecliter Iliirsainkeit voll Bedeutung. Die Lautsprecher können ferner auch in anderen, vorn Aufnalinieort mehr oder weniger weit entfernten bäumen angeordnet sein. Zwischen der Aufnahme-und Wiedergabeeinrichtung können weitere Einrichtungen zur Schallaufzeichnung eingeschaltet sein, so daß die Wiedergabe zu einem wählbaren späteren Zeitpunkt erfolgen kann, wie z. 13. beim Rundfunk.
  • Bei diesen Anlagen wurde bisher im allgemeinen ein von der Frequenz unabhängiges Gesamtübertragungsmaß angestrebt, wobei das Übertragungsmaß sich immer nur auf den Schalldruck in der Mittelsenkrechten vom Mikrofon bzw.Lautsprecher bezog. Lediglich bei der Übertragung von Sprache wurden bisweilen die Tiefen unterhalb 300 Hz abgeschnitten, weil die ungeschwächte Wiedergabe der Tiefen oft einen halligen Charakter der wiedergegebenen Sprache hervorrief und so die Verständlichkeit beeinträchtigte.
  • Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß eine Übertragung mit einem von der Frequenz unabhängigen Übertragungsmaß in einem Raum mit Nachhall deshalb lautsprecherhaft klingt, weil die tiefen Frequenzen zu stark nach allen Seiten abgestrahlt und durch den frequenzabhängigen Nachhall noch verstärkt werden, während die hohen Frequenzen nur direkt in geringem Maße auf die Zuhörerteile abgestrahlt werden, die sich in der Schallrichtung befinden. Wegen der Eigenschaften des menschlichen Ohres werden aber die tiefen Frequenzen lautstärkemäßig überbetont, und die Übertragung klingt unnatürlich dumpf. Diese Erscheinungen zeigten sich insbesondere bei Untersuchungen, die im Zusammenhang mit der praktischen Einführung der Schallveilentechnik gemacht wurden, bei der eine Anzahl von Lautsprechern oder Mikrofonen, beispielsweise nach Art einer geraden Strahlergruppe, angeordnet sind.
  • Die Erfindung beruht nun auf der neuartigen Erkenntnis, daß ein Lautsprecher oder insbesondere eine Lautsprecherzeile die einzelnen Frequenzen entsprechend dem Verhältnis von Zeilenlänge zur jeweiligen Wellenlänge verschieden stark gerichtet abstrahlt und es besser ist, die tieferen Frequenzen, die in den gesamten Raum strahlen, weniger stark zu übertragen, da der Hörer durch den Nachhall auch die seitlich abgestrahlten Anteile indirekt noch zusätzlich zugetragen bekommt, während er die hohen Frequenzen infolge der schärferen Richtwirkung immer nur direkt zugestrahlt erhält. Es kommt ferner hinzu, daß ein Abschneiden aller Sprachfrequenzen unterhalb iooo Hz noch 85% Silbenverständlichkeit ergibt, während ein Abschneiden über iooo Hz nur .4o% Verständlichkeit ergibt, d. h daß die Prägnanz der Sprache und damit die Verständlichkeitserhöhung vor allem durch die hohen Frequenzanteile gegeben ist und es somit offenbar für das Gehör genügt, die tieferen Formantgebiete zum Teil auch aus dein Nachhall zu entnehmen.
  • Entsprechend diesen Erkenntnissen werden daher gemäß der Erfindung die den Frequenzgang der Anlage bestimmenden Teile so bemessen und ausgebildet, daß das Übertragungsmaß der Anlage von der tiefsten Frequenz des gesamten zu übertragenden Frequenzbandes vorzugsweise proportional mit der Frequenz ansteigt bis zu einer Grenzfrequenz, die zwischen etwa iooo Hz und der höchsten zu übertragenden Frequenz des gesamten Frequenzbandes liegt.
  • Iii demselben Maße, in dem die Bündelung steigt, nämlich linear mit der Frequenz bei konstanter Zeilenlänge, ist es besonders zweckmäßig, eine lineare Frequenzbandbeschneidung vorzunehmen. Mit anderen Worten, es wird ein solcher Frequenzgang vorgesehen, daß bei konstantem Schalldruck auf der Aufnahmeseite die von einem Lautsprecher oder einer Lautsprecherzeile abgestrahlte Schallleistung, integriert über jede durch die frequenzabhängige Richtcharakteristik des Lautsprechers bzw. der Zeile gegebene, für die jeweilige Frequenz maßgebliche Hüllfläche, d. h. über den gesamten Übertragungsbereich, im wesentlichen konstant ist. Man kann auch sagen, daß die Frequenzkurven von Mikrofon- und Lautsprecherzeilen im diffusen Schallfeld annähernd horizontal verlaufen sollen.
  • Die erfindungsgemäßen Maßnahmen wirken sich naturgemäß besonders günstig bei Lautsprechern mit stärkerer Richtwirkung aus, d. h. insbesondere bei Lautsprecherzeilen z. B. nach Art der geraden Strahlergruppe, vorzugsweise mit einseitiger Richtwirkung. Man erzielt dabei nicht nur den Vorteil einer größeren Verständlichkeit, insbesondere in halligen Räumen, sondern es wird auch die Gefahr einer akustischen Rückkopplung zwischen Mikrofon und Lautsprecher wesentlich herabgesetzt.
  • Ein Frequenzgang bei einer Anlage gemäß der Erfindung läßt sich auf verschiedene' Weise erreichen. So ist es z. B. möglich, einen oder mehrere Lautsprecher so zu dimensionieren, daß ihr Übertragungsmaß von der tiefsten Frequenz des gesamten zu übertragenden Frequenzbandes bis zu der gewünschten Grenzfrequenz ansteigt. Wird z. B. die Membraneigenresonanz eines Lautsprechers so gelegt, daß sie etwa mit der Grenzfrequenz zusammenfällt, so ergibt sich für den Bereich unterhalb der Membraneigenresonanz der gewünschte Frequenzgang. Die Lautsprechermembran kann so ausgebildet sein, daß das erste Maximum des Strahlungswiderstandes etwa mit der Grenzfrequenz zusammenfällt; diese Maßnahme kann auch in Verbindung mit einer entsprechend gelegten Membraneigenresonanz angewendet werden, so daß sich verschiedene Möglichkeiten für den Verlauf des mit der Frequenz ansteigenden Teiles der Frequenzkurve ergeben.
  • Eine weitere Möglichkeit, um den gewünschten Frequenzgang zu erhalten, besteht darin, für den Lautsprecher eine verhältnismäßig kleine Schallwand vorzusehen, so daß im Bereich unterhalb der Grenzfrequenz akustischer Kurzschluß eintritt. Auch diese Maßnahme kann in Verbindung mit einer entsprechend gewählten Membraneigenresönanz und/oder einer Membran kleinen Strahlungswiderstandes angewendet werden. Die Anwendung dieser Maßnahmen ist nicht nur auf Einzellautsprecher beschränkt, sondern es ist auch durchaus möglich, sie bei den obenerwähnten Lautsprecherzeilen anzuwenden.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung besitzt der Verstärker der Anlage eine Verstärkung, die von der tiefsten Frequenz des gesamten zu übertragenden Frequenzbandes vorzugsweise proportional mit der Frequenz bis zur Grenzfrequenz ansteigt. Dies läßt sich z. B. in an sich bekannter Weise durch entsprechend bemessene RC-Glieder oder durch frequenzabhängige Gegenkopplung erreichen. Gegebenenfalls wird ein solcher Verstärker in Verbindung mit Lautsprechern betrieben, die ebenfalls gemäß den durch die Erfindung gegebenen technischen Regeln dimensioniert sind. l')ei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden ein oder mehrere Mikrofone derart an den Verstärker angepaßt, daß das Übertragungsmaß von der tiefsten Frequenz bis zur Grenzfrequenz ansteigt. Bei einem Kondensatormikrofon wird z. B. der Eingangswiderstand der Schaltung so gewählt, (laß er gleich dem Scheinwiderstand des -Mikrofons bei der gewünschten Grenzfrequenz ist. Das Übertragungsmaß der Anlage fällt dann unterhalb der Grenzfrequenz proportional mit der Frequenz als. Schließlich ist es auch möglich, ein oder mehrere Mikrofone zu verwenden, dessen bzw. deren Übertragungsmaß entsprechend dem vorher geschilderten Frequenzgang verläuft.
  • Die Erfindung und dazugehörige Einzelheiten werden an Hand der Fig. i bis 5 beispielsweise erläutert.
  • Die Fig. i und 2 zeigen im Längsschnitt einen Raum R, in dessen linker oberer Ecke eine Lautsprecherzeile angeordnet ist. Die Lautsprecherzeile besteht beispielsweise aus einer schmalen langgestreckten Schallwand S, an der übereinander eine Anzahl Lautsprecher I_ befestigt sind. In den Figuren sind jeweils drei Lautsprecher eingezeichnet; es können jedoch selbstverständlich auch eine größere Anzahl von Lautsprechern in dieser Weise angeordnet sein. Die Lautsprecherzeile ist schräg nach unten geneigt, so daß das Maximum der Richtwirkung auf die schematisch angedeuteten Zuhörerplätze Z gerichtet ist. Die Anordnung in Fig. i besitzt in der Hauptstrahlrichtung ein von der Frequenz unabhängiges Übertragungsmaß, so daß die Richtcharakteristiken für die Tiefen T1 und für die Höhen H sich in dieser Richtung überdecken. Der durch direkten Schall hervorgerufene Schalldruck an den Zuhörerplätzen Z ist also für alle Frequenzen gleich groß.
  • Bei der 2lnordnung nach Fig. 2 sind dagegen die Tiefen geschwächt, so daß bei unveränderter Richtcharakteristik H für die Höhen die Richtcharakteristik T2 für die Tiefen in der Hauptstrahlrichtung ein wesentlich kleineres Übertragungsmaß aufweist als bei der Anordnung nach Fig. i. Der den Zuhörern direkt zugetragene Schall ist also für die Tiefen bedeutend schwächer als für die Höhen; durch Reflexionen an der Decke und an den Wänden des Raumes wird den Zuhörern jedoch ein weiterer Anteil an den Tiefen zugestrahlt, der den durch entsprechende Reflexionen von Höhen zugetragenen Anteil beträchtlich überwiegt, da die Bündelung für die Tiefen nicht so scharf ist. Es ist somit durch entsprechende Schwächung der Tiefen gemäß der Erfindung möglich, die Summe des direkten und indirekten Schalls an den Plätzen für alle Frequenzen etwa gleich zu machen und so einen natürlichen Klangeindruck hervorzurufen.
  • In Fig. 3 istein rechtwinkliges Koordinatensystem im doppeltlogarithmischen Maßstab dargestellt; auf der Abszissenachse ist die Frequenz f in Hertz, auf der Ordinatenachse das Übertragungsmaß ü --- p1 fi m der Gesamtanlage in I)ezihel aufgetragen, wobei pl. clen Schalldruck auf der Mittelachse des bzw. der Lautsprecher und pm den Schalldruck auf der Mittelachse des Mikrofons bezeichnet. Die Kurve i gibt den Frequenzgang einer Anlage wieder, deren Grenzfrequenz an der höchsten zu übertragenden Frequenz des gesamten Frequenzbandes, beispielsweise io ooo Hz, liegt, der Anstieg des übertragungsmaßes ü erfolgt dabei proportional mit der Frequenz f. Bei der Kurvet liegt die Grenzfrequenz bei iooo Hz, unterhalb dieser Grenzfrequenz erfolgt ebenfalls ein frequenzproportionaler Abfall des Übertragungsmaßes ü, während im Bereich von i ooo bis i o ooo Hz das Übertragungsmaß ü von der Frequenz unabhängig ist. Die strichpunktierte Kurve 3 gibt einen Frequenzgang wieder, bei dem das Übertragungsmaß zunächst stärker, dann schwächer mit der Frequenz bis zur Grenzfrequenz bei io ooo Hz ansteigt. Außer den dargestellten Frequenzgängen sind natürlich noch weitere möglich, so kann z. B. das Übertragungsmaß ü quadratisch mit der Frequenz ansteigen. Es ist ferner zweckmäßig, regelbare Mittel vorzusehen, z. B. im Verstärker, um bei fertig installierter Anlage den günstigsten Frequenzgang einstellen zu können.
  • Will man den gewünschten Frequenzgang mittels eines besonderen Mikrofons erreichen, so kann beispielsweise ein auf den Druckgradienten ansprechender Elongationsempfänger, z. B. ein Kondensator- oder Kristallmikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik, verwendet werden, der unterhalb der Grenzfrequenz steifegehemmt ist.
  • In Fig. 4 bezeichnet die über der Frequenz f aufgetragene Kurve 4 die Auslenkung einer Membran, die über den gesamten Frequenzbereich mit konstanter Kraft angetrieben wird und deren stark gedämpfte Eigenresonanz bei der Frequenz fg, liegt. Die Resonanzfrequenz fällt etwa mit der Grenzfrequenz zusammen. Unterhalb der Resonanzfrequenz ist die Membran ste-ifegehemmt. Wird diese Membran von beiden Seiten mit Schall beaufschlagt, so daß sie auf den Druckgradienten anspricht, so steigt die auf sie einwirkende resultierende Kraft gemäß Kurve 5 proportional mit der Frequenz an. Für einen gemäß Kurve 4 steifegehemmten Empfänger ergibt sich dann eine Membranauslenkung und damit eine Mikrofonspannung, die etwa bis zur Grenzfrequenz proportional mit der Frequenz f ansteigt und dann horizontal weiterverläuft, wie Kurve 6 zeigt.
  • Ein ähnlicher Frequenzvorgang läßt sich auch mit einem auf den Druckgradienten ansprechenden Geschwindigkeitsempfänger, z. B. einem Bändchenmikrofon, mit achtförmiger Richtcharakteristik erzielen, der unterhalb der Grenzfrequenz reibungsgehemmt ist. Derartige Mikrofone geben eine Spannung ab, die proportional der Geschwindigkeit der Membran ist. Bei Reibungshemmung ergibt sich unter dem Einfluß ' des mit der Frequenz ansteigenden Druckgradienten eine Membranauslenkung, die der Kurve 4 in Fig. q. entspricht. Infolge der bei konstanter Auslenkung mit der Frequenz ansteigenden Membrangeschwindigkeit ergibt sich für den horizontalen Teil der Kurve 4 eine mit der Frequenz ansteigende Mikrofonspannung, für den abfallenden Teil oberhalb der Grenzfrequenz eine von der Frequenz unabhängige Spannung. Das Übertragungsmaß eines solchen Geschwindigkeitsempfängers entspricht somit der Kurve 6 in Fig. 4.
  • Gemäß der weiteren Ausbildung der Erfindung wird eine solche Zusammenschaltung von eine von der Frequenz unabhängige Empfindlichkeit aufweisenden Druckgradientenempfängern verwendet, daß ihre resultierende Mikrofonspannung der Differenz der Druckgradienten an beiden Mikrofonorten entspricht. Eine derartige Anordnung mit zwei Kondensatormikrofonen, die eine achtförmige Richtcharakteristik besitzen, ist in Fig. 5 dargestellt. Mit 7 und 8 sind die Membranen, mit 9 und io die Gegenelektroden von zwei 1@-likrofonen schematisch angedeutet; die Gegenelektroden 9 und io sind perforiert, so daß der Schall von beiden Seiten auf die Membran 7 bzw. 8 auftreffen kann. Die beiden Membranen liegen an Masse, während die Gegenelektroden 9 und io über einen Koppelkondensator i i am Gitter einer Verstärkerröhre 12 liegen. Zwischen Gitter und Masse liegt ein Gitterableitwiderstand 13; die Gittervorspannung wird an dem durch einen Kondensator 14 überbrückten Kathodenwiderstand 15 erzeugt. Das aus Membran 7 und Gegenelektrode 9 bestehende Mikrofon erhält über einen Hochohmwiderstand 16 eine positive Vorspannung + U,,; das durch Membran 8 und Gegenelektrode io angedeutete Mikrofon über den Hochohmwiderstand 17 eine negative Vorspannung- U, Die beiden auf verschiedenem Gleichspannungspotential befindlichen Gegenelektroden 9 und io sind gleichstrommäßig durch den Kondensator 18 voneinander getrennt. Beide Mikrofone liegen wechselstrommäßig parallel am Gitter des Rohres 12, besitzen jedoch im Luftspalt entgegengesetzt gerichtete elektrische Felder. Sie weisen jedes für sich eine achtförmige Richtcharakteristik auf, deren Minima in Richtung des Pfeiles i9 bzw. entgegengesetzt liegen; bei Schalleinfall in Richtung des Pfeiles i9 oder entgegengesetzt ist die Mikrofonspannung also Null. Trifft dagegen Schall in Richtung des Pfeiles 2o oder entgegengesetzt auf die beiden Mikrofone, so erzeugen sie ihre maximale Spannung; an beiden Mikrofonorten herrschen dahei verschiedene Phasenzustände des Schalldruckes, und wegen der Gegeneinanderschaltung beider Mikrofone wird am Gitter des Rohres 12 die Differenz der Mikrofonspannungen, die dem Druckgradienten zwischen den beiden Mikrofonorten entspricht, wirksam. Der Druckgradient weist einen finit der Frequenz ansteigenden Verlauf auf und somit auch die Empfindlichkeit der Mikrofonanordnung.
  • Entsprechende Anordnungen von Empfängern 1:<>herer Ordnung lassen sich auch mit Kristalltnikrofonen sowie dynamischen Mikrofonen aufbauen. Ferner eignen sich an Stelle von Mikrofonen finit achtförmiger auch solche mit nierenförmiger Richtcharakteristik. Schließlich ist es auch möglich, =11 ikrofonanordntingen in Form der geraden Strahlergruppe so zu bemessen und aufzubauen, daß unterhalb einer gewünschten Grenzfrequenz eine mit der Frequenz ansteigende Empfindlichkeit erhalten wird.

Claims (13)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Elektroakustische Übertragungsanlage, die ein oder mehrere Mikrofone, wenigstens einen Verstärker und einen oder mehrere Lautsprecher aufweist, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung und Ausbildung von ihren den Frequenzgang bestimmenden Teilen, daß das Übertragungsmaß der Anlage von der tiefsten Frequenz des gesamten zu übertragenden Frequenzbandes vorzugsweise proportional mit der Frequenz ansteigt bis zu einer Grenzfrequenz, die zwischen etwa iooo Hz und der höchsten zu übertragenden Frequenz des gesamten Frequenzbandes liegt.
  2. 2. Anlage nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Lautsprecherzeilen, z. B. nach Art der geraden Strahlergruppe, vorzugsweise mit einseitiger Richtwirkung.
  3. 3. Anlage nach Anspruch i oder 2, gekennzeichnet durch einen solchen Frequenzgang, daß bei konstantem Schalldruck auf der Aufnahmeseite die von einem Lautsprecher oder einer Lautsprecherzeile abgestrahlte Schalleistung, integriert über jede durch die frequenzabhängige Richtcharakteristik des Lautsprechers bzw. der Zeile gegebene, für die jeweilige Frequenz maßgebliche Hüllfläche über den gesamten Übertragungsbereich im wesentlichen konstant ist.
  4. 4. Anlage nach einem der Ansprüche i bis 3, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Lautsprecher, deren Übertragungsmaß unterhalb der gewünschten Grenzfrequenz mit der Frequenz abfällt.
  5. 5. Anlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Lautsprecher, dessen i\-lembraneigenresonanz etwa finit der Grenzfrequenz zusammenfällt.
  6. 6. Anlage nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Lautsprecher mit einer Membran, bei der das erste Maximum des Strahlungswiderstandes etwa finit der Grenzfrequenz zusammenfällt.
  7. 7. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch eine verhältnismäßig kleine Schallwand für den Lautsprecher, so daß im Bereich unterhalb der Grenzfrequenz akustischer Kurzschluß eintritt. B.
  8. Anlage nach einem der Ansprüche i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine unterhalb der Grenzfrequenz abfallende Verstärkung besitzt, z. B. durch entsprechend bemessene RC-Glieder oder frequenzabhängige Gegenkopplung.
  9. 9. Anlage nach einem der :Ansprüche i bis 3, gekennzeichnet durch eine solche Anpassung des oder der Mikrofone an den Verstärker, daß unterhalb der Grenzfrequenz das Übertragungsmaß mit der Frequenz abfällt. tue. .1i@lage nach einem der Ansprüche i bis 3, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Mikrofone, dessen bzw. deren Übertragungsmaß unterhalb der gewünschten Grenzfrequenz mit der Frequenz abfällt. i i.
  10. Anlage nach Anspruch io, gekennzeichnet durch einen auf den Druckgradienten ansprechenden Elongationsempfänger, z. B.
  11. Kondensator- oder Kristallmikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik, der unterhalb der Grenzfrequenz steifegehemmt ist.
  12. 12. Anlage nach Anspruch io, gekennzeichnet durch einen auf den Druckgradienten ansprechenden Geschwindigkeitsempfänger, z. B.
  13. Bändchenmikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik, der unterhalb der Grenzfrequenz reibungsgehemmt ist. 13. Anlage nach Anspruch io, gekennzeichnet durch eine solche Zusammenschaltung von eine von der Frenquenz unabhängige Empfindlichkeit aufweisenden Druckgradientenempfängern, daß ihre resultierende Mikrofonspannung der Differenz der Druckgradienten an beiden Mikrofonorten entspricht.
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