EP1175812A1 - Method for the reproduction of sound waves using ultrasound loudspeakers - Google Patents

Method for the reproduction of sound waves using ultrasound loudspeakers

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EP1175812A1
EP1175812A1 EP00925256A EP00925256A EP1175812A1 EP 1175812 A1 EP1175812 A1 EP 1175812A1 EP 00925256 A EP00925256 A EP 00925256A EP 00925256 A EP00925256 A EP 00925256A EP 1175812 A1 EP1175812 A1 EP 1175812A1
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EP
European Patent Office
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ultrasound
signal
frequency
sound
carrier
Prior art date
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EP00925256A
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German (de)
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EP1175812B1 (en
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Wolfgang Niehoff
Vladimir Gorelik
Oliver Gelhard
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Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Original Assignee
Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
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Publication date
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    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/02Synthesis of acoustic waves
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R27/00Public address systems
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2217/00Details of magnetostrictive, piezoelectric, or electrostrictive transducers covered by H04R15/00 or H04R17/00 but not provided for in any of their subgroups
    • H04R2217/03Parametric transducers where sound is generated or captured by the acoustic demodulation of amplitude modulated ultrasonic waves
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2499/00Aspects covered by H04R or H04S not otherwise provided for in their subgroups
    • H04R2499/10General applications
    • H04R2499/13Acoustic transducers and sound field adaptation in vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for reproducing audio sound with ultrasound speakers and a construction of the ultrasound speakers and their application.
  • the phenomenon of the generation of sound waves by means of ultrasound emitters is also known from the magazine Audio, issue 8, 1997, pages 7-8. It is described here that a loudspeaker system emits a first signal of 200 kHz and the loudspeaker system emits a second signal with the same frequency of 200 kHz, the second signal being modulated with the audio sound signal (20 Hz to 20 kHz).
  • the non-linear behavior of the air produces a mixing result when the two signals are superimposed, so that the difference between the two signals can be heard as acoustic sound.
  • the invention has for its object to improve a method for reproducing audio sound and an ultrasound loudspeaker compared to the previous approaches, so that high-quality sound reproduction is possible.
  • the object is achieved with a method according to claim 1 and an ultrasonic loudspeaker according to claim 2.
  • the method according to the invention combines low-frequency audio sound with the strong directional characteristic of ultrasound.
  • the directional characteristic of the loudspeaker is therefore almost independent of the signal frequency.
  • the frequencies of these waves correspond to the sum and difference frequencies of the original waves and multiples thereof (n • ⁇ ⁇ ⁇ m • ⁇ 2 where ⁇ i and ⁇ ⁇ frequencies of the initiated sound waves (tones) and n, m are integers).
  • the sum and difference frequencies occur in every frequency range. Clear advantages Compared to conventional loudspeakers, this results in the ultrasound range in that a very strong directional characteristic of the transducer can be realized and which is outside the human hearing range.
  • the initiating signals - i.e. the ultrasonic waves - are inaudible.
  • a first tone with a frequency of 200 kHz and a second tone with a frequency of 201 kHz is emitted into the air at high sound pressure, so there are sum and difference tones in the overlapping zone of the two tones.
  • the first difference tone is used to generate audible sound
  • the difference tones generated have the property that the propagation of the difference tones (secondary sound) takes place in the direction of the ultrasound to be generated (initiating tones, primary sound). Furthermore, the difference tones are only audible in the area of ultrasound, i.e. the directional characteristic of the difference tones corresponds to that of ultrasound. Finally, the sound pressure of the differential tones increases with the frequency of the ultrasound.
  • the still low-frequency audio signal to be reproduced is first subjected to frequency response linearization (FIG. 1, FIG. 2).
  • This signal is then linked to a carrier signal in the ultrasound frequency range by means of a double sideband amplitude modulation.
  • This ultrasound signal is then subjected to dynamics (error compensation (compression)), the compressed signal is subjected to a second frequency response linearization and this signal is in turn fed to the ultrasound loudspeaker.
  • double-sideband amplitude modulation single-sideband amplitude modulation can be provided, the ultrasound carrier preferably being suppressed by a few dB, for example 12 dB (FIG. 2).
  • the ideal center frequency i.e. the mean value between the ultrasound carrier frequency and the sideband frequency (range) of the emitted ultrasound signal results from the intended application.
  • Two groups can be specified here: A. Use in the close range up to approx. 50cm; B. Use at a distance of more than 50cm up to remote sound.
  • the level of the audible sound pressure depends to a large extent on the sound pressure of the ultrasound signal, the non-linearity parameter of the medium, the frequency of the resulting audio signal and the distance to the source and the attenuation of the medium.
  • the differential frequency wave DFW - the audible sound - builds up with increasing distance from the source. Due to the damping of the ultrasonic wave in the air, the greatest sound pressure is reached at a certain distance until the level drops again as the distance increases due to damping.
  • the damping of the ultrasound in the air in turn depends on the ultrasound frequency. The higher the frequency, the higher the absorption of ultrasound in air.
  • an ideal frequency range of approximately 40 kHz to 500 kHz (or more) can be specified for applications at a distance of greater than 50 cm to a few meters.
  • the frequency range is chosen high enough to produce a DFW as effectively as possible and to ensure a sufficient frequency distance from the audible sound, but on the other hand low enough that the attenuation by the air does not have too great an influence on the audio sound.
  • Another criterion is the directional characteristics of the Ultrasonic emitter. The higher the radiated frequency, the more directional the radiation.
  • a higher frequency makes sense for the close range (smaller than 50 cm), because the absorption of air in the near range is negligible, while the dimensions of the ultrasonic transducer are so small depending on the application that a stronger directivity is not achieved by the shape of the transducer, but can only be realized by increasing the ultrasound frequency.
  • the frequency shift of the low-frequency signal (speech, music, noises, sounds) in the ultrasound range takes place by means of amplitude modulation. This creates a carrier signal and an upper and a lower sideband, which contain the modulated information.
  • the carrier signal e.g. 200kHz and the lower sideband emitted via a converter and superimposed in the air.
  • the non-linear behavior of the air creates a signal whose frequency corresponds to the difference between the carrier and sideband frequencies.
  • the sound pressure of the difference tones increases quadratically with the difference frequency of the emitted ultrasound tones.
  • a high ultrasound frequency can maximize the directivity that can be achieved and increase the frequency distance of the emitted ultrasound from the human hearing range.
  • the sound pressure of the differential frequencies results, among other things, from the product of the signals to be mixed.
  • an amplitude-modulated signal When an amplitude-modulated signal is emitted, the carrier is emitted in full even in the event of a modulation pause, ie when there is no signal at the modulator.
  • the amplitude of the wearer means constant noise pollution for the ears and permanent electrical stress on the transducers.
  • the Carrier is continuously emitted and has a greater amplitude than the sideband that is modulated in time with the low frequency.
  • a noise reduction can be achieved if the amplitude of the carrier is reduced, for example by a filter or already in the modulator by partial carrier suppression, and at the same time the amplitude of the upper sideband is increased. This reduces the continuous level and increases the relative, level-related change in the level due to the modulation. In the event of carrier suppression, the lower sideband must be strongly suppressed to prevent the two sidebands from mixing with one another, which would cause severe distortion.
  • carrier reduction The measure described above can also be generally referred to as "carrier reduction”.
  • the carrier amplitude is modulated with the amplitude of the signal to be transmitted, no signal is emitted in the event of a pause in modulation.
  • An additional controlled compressor stage is then required, which compensates for amplitude errors resulting from the modulation of the carrier.
  • the carrier amplitude can be modulated in time with the signal to be modulated.
  • a problem described above can be countered by compressing the signal to be modulated so that the signal's dynamics are reduced and, in particular, the volume of the quiet signal passages is increased. This allows the modulator to be optimally controlled. After the modulation, the compression must be compensated for by an expansion in order to maintain the original dynamics. With the described compression of the modulation signal before the modulation, very good results could be achieved.
  • the amplitude-modulated low-frequency vibration is emitted with a transducer at high sound pressure.
  • the interaction between the carrier oscillation and the modulated sideband creates a difference frequency spectrum that corresponds to the spectrum of the low frequency.
  • single sideband modulation is particularly preferred. If the carrier is partially suppressed in a conventional two-sideband amplitude modulation, then suppression of the lower sideband is essential because the mixing of the two sidebands with one another brings about additional difference frequencies which are undesirably noticeable in the form of a distortion factor.
  • the radiation of the modulated signal is so narrow-band that the lower sideband is reproduced only very quietly.
  • the mixing of the side bands with each other is therefore negligible in terms of sound pressure.
  • the modulation is implemented either as a conventional double-sideband amplitude modulation or as a single-sideband amplitude modulation, in which the carrier is suppressed by, for example, 12 dB for further function optimization.
  • the relationship between the electrical input signal of the piezoelectric wander and the sound pressure level of the differential tones is not linear.
  • a linear transmission can be achieved with a compensation circuit (dynamic compression).
  • Frequency response linearization which is required in particular in the case of piezoelectric transducers with a strongly nonlinear frequency response, compensates for frequency-dependent amplitude errors in the transmission system.
  • the equalization can take place before the modulation in the low frequency range or after the modulation in the ultrasound range. Equalization after modulation has the advantage that the modulation reserve of the modulator is not restricted when a frequency range is raised.
  • the difference sound wave arises in the emitted ultrasound cone.
  • the cross-section of the cone has an influence on the resulting audio frequency response.
  • the audible signal is generated at an interface that is held into the sound beam.
  • the lower limit frequency depends on the cross-sectional area of the object placed in the beam. In order to achieve a linear frequency response for a reflector on a wall, an equalization matched to the surface of the reflector is necessary (area-related equalization).
  • the maximum of the sound pressure results at a certain distance from the ultrasound source. It occurs at different intervals for different audio frequencies. A linear frequency response can therefore only be achieved for a certain distance by special distance-related equalization.
  • the signal processing must therefore include a special distance-dependent frequency response equalization for a linear frequency response.
  • transducers are connected in parallel. It was found that the arrangement of the transducers plays a major role. So transducers are arranged on a plate as close as possible, so that the depth reproduction of the loudspeaker is quieter than in an arrangement in which the same number of transducers is mounted in a ring.
  • the described analog amplitude modulation can also be implemented digitally.
  • the multiplication of a sinusoidal oscillation (carrier) with a low frequency signal, partial suppression of the carrier as well as the suppression of the lower sideband with a digital signal processor module is possible. Frequency response contours can also be carried out relatively easily when using a digital signal processor.
  • the level of the audio sound pressure also depends, among other things, on the non-linearity parameter of the acoustically permeable medium.
  • the audio sound pressure can also be increased further by other measures. Due to the increasing division of the wavefront in the course of the propagation, which is synonymous with the creation of harmonics. After an energy balance, the energy contained in the harmonics is not available for the differential sound wave. In a way, there is an energy flow from the fundamental to the harmonics. If this energy flow can be slowed down, the audio sound pressure could be increased. A proposal for this is as follows:
  • a sound-permeable medium contains small cavities, which together with the material result in a large number of Helmholz resonators.
  • the resonators are tuned to the first harmonic of the signal and thereby slow down the energy flow higher harmonics. If the cavities are filled with a non-linear medium, for example a liquid, this measure can achieve a higher value for the non-linearity parameters, which would increase the sound pressure of the differential tones.
  • reflectors can be built that passively amplify the sound pressure of the differential tones.
  • the described "damping plate” enables a higher level of audio sound to be achieved with simultaneously reduced ultrasound.
  • the frequencies of these waves correspond to the sum and difference frequencies of the original waves and multiples thereof.
  • the sum and difference frequencies occur in every frequency range.
  • the secondary sound can only be heard in the area of the primary sound, i.e. the directional characteristic of the secondary sound corresponds to that of the primary sound,
  • FIG. 1 and FIG. 2 show block diagrams of an ultrasound loudspeaker, FIG. 2 representing an improved circuit compared to FIG. 1.
  • the low-frequency audio signal is first subjected to frequency response linearization and then subjected to double-sideband amplitude modulation (and / or frequency and / or phase modulation), the carrier frequency being in the ultrasound range. Thereafter, dynamic compression or dynamic error compensation (signal-dependent) is carried out, if necessary. Another frequency response linearization then takes place and the signal that is then output is fed to the ultrasound transducer.
  • the circuit according to FIG. 2 differs from FIG. 1 essentially in that instead of the double sideband amplitude modulation, a single sideband amplitude modulation is carried out, the carrier being suppressed by approximately 12 dB in the ultrasound range.
  • the ideal center frequency i.e. the mean value between carrier frequency and sideband frequency (range) of the emitted ultrasound signal results from the intended application.
  • Two groups can be specified:
  • the level of the audible sound pressure depends on the sound pressure of the ultrasound signal, the non-linearity parameter of the medium, the frequency of the audio signal that is generated, and the distance from the source and the attenuation of the medium.
  • the differential frequency wave builds up with increasing distance from the source. Due to the damping of the ultrasonic wave in the air, the greatest sound pressure is reached at a certain distance until the level drops again as the distance increases due to damping.
  • the attenuation of ultrasound in the air depends on the frequency. The higher the frequency, the higher the absorption of the sound in air.
  • an ideal frequency range of approx. 80 kHz to 180 kHz can be specified for applications at a distance of> 50 cm to a few meters.
  • the frequency range is chosen high enough to produce a DFW as effectively as possible and to ensure a sufficient frequency distance from the audible sound, but on the other hand low enough that the attenuation by the air does not have too great an influence on the audio sound.
  • Another criterion is the directional characteristic of the emitter. The higher the radiated frequency, the more directional the radiation.
  • a higher frequency makes sense for the near range, because the absorption of air in the near range is of negligible size, while the dimensions of the transducer are so small, depending on the application, that a stronger directivity is not achieved by shaping the transducer, but only by increasing it Ultrasonic frequency can be realized.
  • the frequency shift of the low-frequency signal (speech, music, noises, sounds) into the ultrasound range takes place by means of amplitude modulation. This creates a carrier signal and an upper and a lower sideband, which contain the modulated information.
  • the carrier signal e.g. 200kHz
  • the upper sideband emitted via a converter and superimposed in the air.
  • the non-linear behavior of the air creates a signal whose frequency corresponds to the difference between the carrier and the sideband frequency.
  • the sound pressure of the difference tones increases quadratically with the difference frequency of the emitted ultrasound tones.
  • a high ultrasound frequency allows the directivity that can be achieved to be maximized and the frequency distance of the emitted ultrasound from the human hearing range to be increased.
  • Inadequacy in amplitude modulation permanent carrier amplitude
  • the sound pressure of the differential frequencies results, among other things, from the product of the signals to be mixed.
  • the carrier is emitted in full even in the event of a modulation pause, ie when there is no signal at the modulator.
  • the high amplitude of the wearer means constant noise pollution for the ears and permanent electrical stress on the transducers. With a normal amplitude modulation, this is
  • a ⁇ carrier amplitude).
  • the carrier is continuously emitted and has a greater amplitude than the sideband, which is modulated in time with the low frequency. The following measures therefore make sense:
  • Noise reduction can be achieved if the amplitude of the carrier is reduced, e.g. by a filter or already in the modulator by partial carrier suppression, and at the same time the amplitude of the upper sideband is increased. This reduces the continuous level and increases the relative, level-related change in the level due to the modulation. In the event of carrier suppression, the lower sideband must be strongly suppressed to prevent the two sidebands from mixing with one another, which would cause severe distortion.
  • Compression of the signal to be modulated means that the dynamics of the signal are reduced and, in particular, the volume of the quiet signal passages is increased. This allows the modulator to be optimally controlled. After the modulation, the compression must be compensated for by an expansion in order to maintain the original dynamics.
  • the modulator output signal is faded out when no input signal is present.
  • the amplitude-modulated low-frequency vibration is emitted with a transducer at high sound pressure.
  • the interaction between the carrier oscillation and the modulated sideband creates a difference frequency spectrum that corresponds to the spectrum of the low frequency.
  • single sideband modulation is optimal. If the carrier is partially suppressed in the case of an ordinary double-sideband AM, suppression of the lower sideband is essential because the mixing of the two sidebands with one another brings about additional differential frequencies, which are noticeable in the form of distortion.
  • the modulation is therefore realized either as a conventional double-sideband AM or as a single-sideband AM, in which the carrier is suppressed by approximately 12 dB for further function optimization.
  • the relationship between the electrical input signal of the piezoelectric transducers and the sound pressure level of the differential tones is non-linear.
  • a linear transmission can be achieved with a compensation circuit.
  • Frequency response linearization which is required in particular in the case of piezoelectric transducers with a strongly nonlinear frequency response, compensates for frequency-dependent amplitude errors in the transmission system.
  • the equalization can take place before the modulation in the low frequency range or after the modulation in the ultrasound range. Equalization after modulation has the advantage that the modulation reserve of the modulator is not restricted when a frequency range is raised.
  • the difference sound wave arises in the emitted ultrasound cone.
  • the cross-section of the cone has an influence on the resulting audio frequency response.
  • the audible signal is generated at an interface that is held into the sound beam.
  • the lower limit frequency depends on the cross-sectional area of the object placed in the beam.
  • the maximum of the sound pressure results at a certain distance from the source. It occurs at different intervals for different audio frequencies. A linear frequency response can therefore only be achieved for a certain distance by special distance-related equalization.
  • the signal processing must therefore include a special distance-dependent frequency response equalization for a linear frequency response.
  • the arrangement of the transducers plays a role here: If the transducers are arranged as close as possible on a plate, the depth reproduction of the loudspeaker is quieter than in an arrangement in which the same number of transducers is attached in a ring.
  • the described analog amplitude modulation can also be implemented digitally. Multiplication of a sine wave (carrier) with a low-frequency signal, partial suppression of the carrier and suppression of the lower sideband are possible with a DSP module - FIG. 3 -. Frequency response corrections can also be carried out relatively easily.
  • Nonlinearity parameter
  • the level of audio sound pressure depends, among other things. on the nonlinearity parameter of the medium.
  • a sound pressure that is 4000 times higher can theoretically be achieved.
  • a suitable medium between the ultrasound emitter and the listener can increase the sound pressure of the audio signal.
  • the audio sound pressure can be increased by another measure. Due to the increasing division of the wavefront in the course of the propagation, which is synonymous with the creation of harmonics. After an energy balance, the energy contained in the harmonics is not available for the differential sound wave. In a way, there is an energy flow from the fundamental to the harmonics. If this energy flow can be slowed down, the audio sound pressure could be increased.
  • a sound-permeable medium contains small cavities, which together with the material result in a large number of Heimholtz resonators.
  • the resonators are tuned to the first harmonics of the signal and thereby brake the energy flow to higher harmonics. If the cavities are filled with a non-linear medium, e.g. a liquid, this measure allows a higher value for the nonlinearity parameter to be achieved, as a result of which the sound pressure of the differential tones has been increased.
  • This technology makes it possible to build reflectors that passively pass through Increase the sound pressure of the differential tones.
  • the described “damping plate” enables a higher level of audio sound to be achieved with simultaneously reduced ultrasound.
  • the spatially separated radiation of carrier and sideband signals via own transducers enables an almost point-like "projection" of the sound.
  • the radiation of both signals via a single transducer or a transducer array changes the point-like into a linear characteristic along the direction of propagation of the ultrasound.
  • the transducer can, for example, be arranged above the object and can only be heard within a small area around the object surrounding area does not occur.
  • Active noise compensation for cars, planes, buses, trains The ambient noise is recorded and analyzed with a microphone. With an electronic circuit, a signal with the opposite phase is generated and with the ultrasound transmission method it is emitted in a directional and seat-dependent manner. The superimposition of the sound with the counter-sound produced reduces the ambient noise.
  • Conference systems for spatially addressable sound in different languages In conference rooms, the individual seats are selectively sounded without the respective neighbor being disturbed. Different languages can be transmitted simultaneously without headphones.
  • Loudspeakers in the airplane, bus, train as a replacement for headphones The strong directional effect of the ultrasound loudspeaker enables sound to be delivered using loudspeakers instead of headphones. This is possible through the implementation of electrically or mechanically swiveling spotlights and allows "audio on demand”.
  • Surround speakers exploitation of wall reflections: "projection" of the Surround information on the room walls where virtual sound sources are to be located.
  • the rear speakers do not necessarily have to be placed behind the listener.
  • PA systems for PA applications Acoustic "illumination” of very specific zones. Thereby, delimitation of the surrounding areas (audio on demand).
  • Hands-free system in the car for telephoning: Due to the strong directivity of the loudspeaker, the microphone can be attached appropriately so that there is no acoustic feedback between the loudspeaker sound and the recorded microphone sound.
  • Combination of ultrasound loudspeaker and directional microphone to avoid acoustic feedback The loudspeaker is arranged above the listener, for example, while the directional microphone is directed towards the speaker. The strongly directed sound of the ultrasound loudspeaker does not reach the microphone, so that there can be no acoustic feedback (e.g. in TV studios for viewer questions.
  • Non-linear effects in the air produce audible sound at high sound pressure and the superposition of two ultrasonic waves.
  • the high frequency of ultrasound in comparison to conventional audio signals has the effect that the radiation of the sound is relative because of its small wavelength and in comparison to it large transducer dimensions are strongly spatially directed.
  • the frequency dependence of the directional characteristics of conventional loudspeakers spherical emitters at low frequencies, directional emitters at high frequencies hardly occurs with this loudspeaker.
  • the process combines low-frequency audio sound with the strong directional characteristic of ultrasound.
  • the directional characteristic of the loudspeaker is therefore almost independent of the signal frequency.
  • the modulated signal is emitted using ultrasonic transducers. If the signal is a two-sided modulated AM signal, distortions caused by the principle can be reduced as follows:
  • the filter is omitted in the case of narrowband converters, since the transfer function of the converters is already equivalent to that of a narrowband filter.
  • the system is to be tuned so that the carrier frequency comes to lie approximately at the -6dB point of the filter edge. Cutting the lower sideband reduces the distortion.
  • Temperature-dependent drift of the filter flank of narrowband converters and filters must be compensated for by tracking the carrier frequency.
  • the carrier frequency is updated as far as possible in signal pauses.
  • the audio signal to be modulated should be filtered to increase speech intelligibility.
  • the filter is to be designed in such a way that an attenuation of 3dB / oct. he follows. Reduction of distortion due to the converter geometry
  • the transducer dimensions exceed the value of approx.% Of the lowest low-frequency wavelength to be emitted, distortions due to time differences of the signals increasingly occur in the near field of the transducer.
  • the dimensions of the transducer should therefore be dimensioned smaller than the wavelength mentioned.
  • An even more directed radiation of the audio tape can be achieved as follows:
  • the sound pressure of the audio band depends on the product of the sound pressure of the carrier signal and the sideband. By increasing the sound pressure - either the carrier or the sideband - the resulting sound pressure increases in the audio frequency range. The emission of a wide frequency range at high sound pressure poses certain difficulties.
  • the radiation from the carrier and sideband via a transducer or a transducer group places great demands on the transducers. Due to almost identical radiation conditions of the carrier and the sideband, the audio wave is generated in the entire overlapping area of the signals. This leads to a relatively broad radiation. An even sharper directional effect can be achieved by radiating the carrier and side band via separate transducers:
  • a special, very narrow-band, sensitive and very directional converter generates the carrier signal, while the sideband is overlaid with a broadband converter / converter array. Since the audio sound pressure results from the product of the two ultrasonic sound pressures to be superimposed, adjust the sound pressure of the wearer within wide limits the sound pressure of the audio wave and at the same time reduce the level of the ultrasound wearer at low volume levels. However, the superposition of the sound waves and the generation of mixed products takes place only in the area where both sound waves equally fill the room. The very strong possible directional characteristic of the carrier radiator also results in a very pronounced directional effect for the audio wave.
  • a certain path is required along which the wave demodulates in the air. If the ultrasound has covered the required distance, a filter that is permeable to audio frequencies but impermeable to ultrasound means that although the audio wave is clearly audible, the ultrasound signal is strongly attenuated. The filter has no significant effect on the directional characteristic of the converter.
  • the filter must be designed in such a way that it strongly attenuates frequencies above the listening area, while audio frequencies experience only a slight attenuation. It is sensibly arranged at the end of the generation zone.
  • the lower limit frequency of the audio signal can be varied by varying the distance between the converter and the absorber.
  • the modulator contains a circuit that fulfills this function.
  • escalator or similar can be carried by swiveling the transducer, so that only the moving listener is sonicated, but not the surrounding area.
  • Moving the audio sound can also take place with a connection of ultrasound emitters located above the listener, which are synchronized with the running speed of the treadmill / escalator, and which only sound at the areas of the room in which the listener is currently moving.
  • the method is a combination of the "phased array” technique and the “ultrasound loudspeaker” described above.
  • FIGS. 4a and 4b show the propagation of an audio sound wave that is generated by an ultrasound transducer.
  • virtual audio sound sources virtual loudspeakers
  • Small loudspeakers are mounted close to each other on a bar, all of which can emit audio sound as spherical emitters (FIG. 5) and which are controlled with the same audio signal with a time delay.
  • the sound coming from the first loudspeaker is amplified by the second, etc.
  • the large number of loudspeakers an infinite number of virtual sound sources arise in the ultrasound beam, which are switched on depending on the location with the duration of the sound, results in a very strong bundling of the audio sound.
  • the audio sound in the ultrasound beam according to the invention is generated in the ultrasound beam itself.
  • the length of the active zone of audio sound generation in the ultrasound beam determines the lower limit frequency of the directional audio sound source. There must be at least as many virtual sound sources that the active zone is several wavelengths long at the lower cut-off frequency. For this reason, audio frequencies below 100 Hz require large distances between the listener and the ultrasound emitter (and therefore also high output powers).
  • the level and the lower reproduction frequency of the audio signal are location-dependent.
  • the high ultrasound level which is in principle necessary for generating the audio sound, only has to be present in the active zone of the ultrasound beam.
  • the ultrasound component can be eliminated with an acoustic low-pass filter (ultrasound absorber that is permeable to audio sound).
  • FIGS. 6a and 6b show typical application examples of the ultrasound emitter, which is arranged under a ceiling and which directs ultrasound beams modulated with audio signals onto a wall, of which an ultrasound-absorbing coating (ultrasound reflection coating) is oriented so that ultrasound is absorbed. The then reflected audio signals are free of ultrasound and can be heard by people in front of the wall.
  • an ultrasound-absorbing coating ultrasound reflection coating
  • a conventional ultrasonic transducer can be used for the ultrasonic transducer itself.
  • ultrasound foil converters are also particularly suitable which, in the manner of a capacitor (electret) transducer, have a foil and a correspondingly designed counter electrode (with grooves or holes).
  • the embodiment variant is also advantageous, in which a distance measuring device to an ultrasonic measuring device is used to determine where a listener to be exposed to is located. If this is in a critical area of the ultrasound beam that could be harmful to health, the ultrasound reproduction is switched off so that the person (or the animal) is not exposed to excessive ultrasound levels. If the ultrasound is to be directed to a specific area and if this area is also moving (this is the case, for example, with a single listener who is moving on a stage and is to be irradiated), it is advantageous for this if a device is designed by means of which the listener to be sonicated can currently be localized, so that the sonication then preferably only to the localized one Area.
  • the listener to be sonicated carries a transmitting device with navigation (e.g. GPS) and thus constantly sends his own navigation data to a receiving device, which in turn is used to control the pivoting of the ultrasound beam.
  • the listener to be sounded could also be equipped with a so-called TAG identifier, the exact position of which is determined by a corresponding interogator (interrogation unit for the TAG), which in turn controls the pivoting of the ultrasound beams.
  • TAG identifier the exact position of which is determined by a corresponding interogator (interrogation unit for the TAG)
  • all other technical possibilities for localizing a single area or several areas can also be used to control the swiveling of an ultrasound beam, so that the audio reproduction can then only be heard in the desired narrow area, but not outside the desired area.
  • Such applications are particularly advantageous in a theater (for the prompter) or in the television studio for a TV show, if the moderator moving across the stage is to receive instructions that should not be audible to the rest of the audience.
  • the ultrasound beam can be swiveled using the different techniques described in this application, that is to say by swiveling the ultrasound emitter or by a swiveling reflector or by the so-called “phased array” control, the ultrasound beams being determined electronically in the direction.

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Abstract

Method involves using ultrasonic generator, whereby audio signal to be reproduced is combined with carrier signal in ultrasonic frequency range by sideband amplitude modulation. There is arrangement for subjecting modulated ultrasonic signal to dynamic error compensation and the compensated signal can be subjected to frequency path linearization if appropriate and then fed to a loudspeaker. There is a carrier reduction arrangement. An independent claim is also included for a use of an ultrasonic reproduction device.

Description

Verfahren zur Wiedergabe von Audioschall mit Ultraschall-LautsprechernMethod of reproducing audio sound with ultrasound speakers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiedergabe von Audioschall mit Ultraschall-Lautsprechern sowie eine Konstruktion der Ultraschall-Lautsprecher und ihrer Anwendung.The invention relates to a method for reproducing audio sound with ultrasound speakers and a construction of the ultrasound speakers and their application.
Aus J. Acoust. Soc. Am., Vol. 73, No. 5, Mai 1983 "The audio Spotlight: An application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of loudspeaker design" ist bereits bekannt, einen Lautsprecher aus mehreren Ultraschallstrahlern aufzubauen. Mittels solcher Ultraschallstrahler kann Audioschall in einem Frequenzbereich abgestrahlt werden, indem der Audioschall selbst nicht mehr vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden kann. Durch nichtlineare Effekte in der Luft wird bei hohem Schalldruck und Überlagerung zweier Ultraschallwellen ein hörbarer Schall erzeugt. Die im Vergleich zu üblichen Audiosignalen hoher Frequenz des Ultraschalls bewirkt, daß die Abstrahlung des Schalls wegen seiner kleinen Wellenlänge und der im Vergleich dazu großen Wandlerabmessungen des Ultraschallstrahlers stark räumlich gerichtet erfolgt. Die Frequenzabhängigkeit der Richtcharakteristik herkömmlicher Lautsprecher - Kugelstrahler bei tiefen Frequenzen, Richtstrahler bei hohen Frequenzen - tritt bei einem Ultraschall- Lautsprecher kaum auf.From J. Acoust. Soc. Am., Vol. 73, No. May 5, 1983 "The audio spotlight: An application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of loudspeaker design" is already known to build a loudspeaker from several ultrasound emitters. Using such ultrasound emitters, audio sound can be emitted in a frequency range in that the audio sound itself can no longer be perceived by the human ear. Nonlinear effects in the air cause a high sound pressure and the superposition of two ultrasonic waves audible sound is generated. The high frequency of the ultrasound in comparison to conventional audio signals means that the sound is emitted in a highly spatially directed manner because of its small wavelength and the transducer dimensions of the ultrasound radiator, which are large in comparison. The frequency dependence of the directional characteristics of conventional loudspeakers - spherical emitters at low frequencies, directional emitters at high frequencies - hardly occurs with an ultrasound loudspeaker.
Ferner ist ein verschiebener Effekt im Konferenzband AES, 26.-29. September 1998, San Francisco, Californien, "The Use of Airborne Ultrasonics for Generating Audible Sound Beams" beschrieben. Auch hieraus sind Überlegungen zur Erzeugung eines hörbaren Schalls basierend auf der Abstrahlung des Audioschalls mittels Ultraschall bekannt.There is also a shifting effect in the conference volume AES, 26.-29. September 1998, San Francisco, California, "The Use of Airborne Ultrasonics for Generating Audible Sound Beams". From this, too, considerations for generating audible sound based on the radiation of the audio sound by means of ultrasound are known.
Ferner ist das Phänomen der Erzeugung von Schallwellen mittels Ultraschallstrahlern auch aus der Zeitschrift Audio, Heft 8, 1997, Seiten 7-8, bekannt. Hierbei wird beschrieben, daß mittels eines Lautsprechersystems ein erstes Signal von 200 kHz abgestrahlt wird und das Lautsprechersystem ein zweites Signal mit derselben Frequenz von 200 kHz abstrahlt, wobei das zweite Signal mit dem Audioschallsignal (20 Hz bis 20 kHz) moduliert ist. Durch das nichtlineare Verhalten der Luft wird bei der Überlagerung der beiden Signale ein Mischergebnis erzeugt, so daß die Differenz beider Signale voneinander als akustischer Schall hörbar ist.Furthermore, the phenomenon of the generation of sound waves by means of ultrasound emitters is also known from the magazine Audio, issue 8, 1997, pages 7-8. It is described here that a loudspeaker system emits a first signal of 200 kHz and the loudspeaker system emits a second signal with the same frequency of 200 kHz, the second signal being modulated with the audio sound signal (20 Hz to 20 kHz). The non-linear behavior of the air produces a mixing result when the two signals are superimposed, so that the difference between the two signals can be heard as acoustic sound.
Als weiterer Stand der Technik sei auf Druckschriften US-A-4,872,148, US-A- 4,439,642, US-A-4,439,641, US-A-4,409,441, US-A-4,280,204, US-A-4, 199,246, WO-A-85/02748, EP-A-0 164 342, EP-A-0 154 256, CA 1 274 619, CA 1 215 164, CA 1 195 420, CA 1 120 578, AU-A-28287/77, AU-A-510193, WO98/39209, WO98/02976, WO98/02977, WO98/02978, WO98/26405, GB-A-2 225 426, DE-A- 27 39 748, US-A-5,375,099, CA 1 274 619, DE-A-196 28 849, US-1 ,616,639, US- A-1 ,951 ,669, US-A-2, 461 ,344, US-A-3,398,810 hingewiesen. Weitere Merkmale der Ultraschall-Lautsprecher sind in den vorgenannten Literaturstellen beschrieben.As further prior art, reference is made to documents US-A-4,872,148, US-A-4,439,642, US-A-4,439,641, US-A-4,409,441, US-A-4,280,204, US-A-4, 199,246, WO-A- 85/02748, EP-A-0 164 342, EP-A-0 154 256, CA 1 274 619, CA 1 215 164, CA 1 195 420, CA 1 120 578, AU-A-28287/77, AU- A-510193, WO98 / 39209, WO98 / 02976, WO98 / 02977, WO98 / 02978, WO98 / 26405, GB-A-2 225 426, DE-A-27 39 748, US-A-5,375,099, CA 1 274 619 , DE-A-196 28 849, US-1, 616,639, US A-1, 951, 669, US-A-2, 461, 344, US-A-3,398,810. Further features of the ultrasound loudspeakers are described in the aforementioned literature references.
Obwohl es verschiedene Ansätze für Ultraschall-Lautsprecher gegeben hat, hat sich ein solches Produkt bislang am Markt nicht etablieren können. Dies hängt auch damit zusammen, daß trotz der besonderen Eigenschaften von Ultraschall- Lautsprechern einige Probleme auftauchen, die zum Teil mit dem Wesen der Ultraschallausbreitung zusammenhängen, andererseits aber auch mit dem Ultraschallstrahler selbst.Although there have been various approaches to ultrasonic loudspeakers, such a product has not yet been able to establish itself on the market. This is also due to the fact that despite the special properties of ultrasound loudspeakers, some problems arise that are partly related to the nature of the ultrasound propagation, but also with the ultrasound emitter itself.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wiedergabe von Audioschall sowie einen Ultraschall-Lautsprecher gegenüber den bisherigen Ansätzen zu verbessern, so daß eine qualitativ hochwertige Schallwiedergabe möglich ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einem Ultraschall-Lautsprecher nach Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen und in der nachstehenden Beschreibung beschrieben.The invention has for its object to improve a method for reproducing audio sound and an ultrasound loudspeaker compared to the previous approaches, so that high-quality sound reproduction is possible. The object is achieved with a method according to claim 1 and an ultrasonic loudspeaker according to claim 2. Advantageous further developments are described in the subclaims and in the description below.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet niederfrequenten Audioschall mit der starken Richtcharakteristik des Ultraschalls. Die Richtcharakteristik des Lautsprechers ist damit nahezu unabhängig von der Signalfrequenz. Zum Verständnis der Erfindung und ihres Wesens sei auf folgendes hingewiesen: Mathematisch kann mit Formeln der nichtlinearen Akustik gezeigt werden, daß bei hohem Schalldruckpegel (p > 110 dB bei 40 kHz) infolge der Nichtlinearität des Mediums Luft neue Wellen entstehen, wenn mehrere Wellen in Wechselwirkung zueinander stehen. Die Frequenzen dieser Wellen entsprechen der Summen- und der Differenzfrequenz der ursprünglichen Wellen sowie Vielfachen davon (n • ©ι ± m • ω2 wobei ωi und ω Frequenzen der initiierten Schallwellen (Töne) und n, m ganze Zahlen sind). Die Summen- und Differenzfrequenzen treten in jedem Frequenzbereich auf. Deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lautsprechern ergeben sich im Ultraschallbereich, indem eine sehr starke Richtcharakteristik der Wandler realisiert werden kann und die außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegt. Die initiierenden Signale - also die Ultraschallwellen - sind dabei unhörbar.The method according to the invention combines low-frequency audio sound with the strong directional characteristic of ultrasound. The directional characteristic of the loudspeaker is therefore almost independent of the signal frequency. To understand the invention and its nature, the following should be pointed out: Mathematically, with formulas of nonlinear acoustics, it can be shown that at high sound pressure levels (p> 110 dB at 40 kHz), new waves are generated due to the nonlinearity of the medium, when several waves interact to stand by each other. The frequencies of these waves correspond to the sum and difference frequencies of the original waves and multiples thereof (n • © ι ± m • ω 2 where ωi and ω frequencies of the initiated sound waves (tones) and n, m are integers). The sum and difference frequencies occur in every frequency range. Clear advantages Compared to conventional loudspeakers, this results in the ultrasound range in that a very strong directional characteristic of the transducer can be realized and which is outside the human hearing range. The initiating signals - i.e. the ultrasonic waves - are inaudible.
Wenn z.B. ein erster Ton mit einer Frequenz von 200 kHz und ein zweiter Ton mit einer Frequenz von 201 kHz beim hohen Schalldruck in die Luft abgestrahlt wird, so entstehen in der Überlagerungszone der beiden Töne Summen- und Differenztöne. Der erste Summenton (f=200kHz+201kHz=401kHz) ist nicht hörbar. Zur Erzeugung von hörbarem Schall wird der erste DifferenztonIf e.g. A first tone with a frequency of 200 kHz and a second tone with a frequency of 201 kHz is emitted into the air at high sound pressure, so there are sum and difference tones in the overlapping zone of the two tones. The first sum tone (f = 200kHz + 201kHz = 401kHz) is not audible. The first difference tone is used to generate audible sound
(f=200kHz-201 Hz=1 kHz) ausgenutzt (Figur 4). Dieser Differenzton ist viel lauter als alle anderen bei der Wechselwirkung entstehenden Töne. Summen- und Differenztöne entstehen erst in einem nichtlinearen Medium wie Luft als Verzerrungsprodukte.(f = 200kHz-201 Hz = 1 kHz) used (Figure 4). This difference tone is much louder than all other tones resulting from the interaction. Sum and difference tones only emerge in a nonlinear medium such as air as distortion products.
Die erzeugten Differenztöne haben hierbei die Eigenschaft, daß die Ausbreitung der Differenztöne (Sekundärschall) in Richtung des zu erzeugenden Ultraschalls (initiierende Töne, Primärschall) erfolgt. Ferner sind die Differenztöne nur im Bereich des Ultraschalls hörbar, d.h., die Richtcharakterstik der Differenztöne entspricht der des Ultraschalls. Schließlich steigt der Schalldruck der Differenztöne mit der Frequenz des Ultraschalls an.The difference tones generated have the property that the propagation of the difference tones (secondary sound) takes place in the direction of the ultrasound to be generated (initiating tones, primary sound). Furthermore, the difference tones are only audible in the area of ultrasound, i.e. the directional characteristic of the difference tones corresponds to that of ultrasound. Finally, the sound pressure of the differential tones increases with the frequency of the ultrasound.
Bei der technischen Realisierung eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Lautsprechers, wird zunächst einmal das wiederzugebende noch niederfrequente Audiosignal einer Frequenzganglinearisierung unterworfen (Figur 1 , Figur 2). Dieses Signal wird dann durch eine Zweiseitenband-Amplitudenmodulation mit einem Trägersignal im Ultraschallfrequenzbereich verknüpft. Anschließend wird dieses Ultraschallsignal einer Dynamik (-Fehler-Kompensation (Kompression)) unterworfen, das komprimierte Signal einer zweiten Frequenzganglinearlisierung unterzogen und dieses Signal wiederum dem Ultraschall-Lautsprecher zugeführt. Alternativ zu der vorbeschriebenen Bildung des Ultraschallsignals kann statt der Zweiseitenband-Amplitudenmodulation eine Einseitenband-Amplitudenmodulation vorgesehen werden, wobei der Ultraschallträger vorzugsweise um einige dB, beispielsweise 12dB, unterdrückt wird (Figur 2).In the technical implementation of an ultrasound loudspeaker according to the invention, the still low-frequency audio signal to be reproduced is first subjected to frequency response linearization (FIG. 1, FIG. 2). This signal is then linked to a carrier signal in the ultrasound frequency range by means of a double sideband amplitude modulation. This ultrasound signal is then subjected to dynamics (error compensation (compression)), the compressed signal is subjected to a second frequency response linearization and this signal is in turn fed to the ultrasound loudspeaker. As an alternative to the above-described formation of the ultrasound signal, instead of double-sideband amplitude modulation, single-sideband amplitude modulation can be provided, the ultrasound carrier preferably being suppressed by a few dB, for example 12 dB (FIG. 2).
Die ideale Mittenfrequenz, d.h. der Mittelwert zwischen der Ultraschallträgerfrequenz und der Seitenbandfrequenz(-Bereich) des abgestrahlten Ultraschallsignals ergibt sich aus der beabsichtigten Anwendung. Es können hierbei maßgeblich zwei Gruppen angegeben werden: A. Anwendung im Nahbereich bis ca. 50cm; B. Anwendung im Abstand von mehr als 50cm bis zur Fernbeschallung.The ideal center frequency, i.e. the mean value between the ultrasound carrier frequency and the sideband frequency (range) of the emitted ultrasound signal results from the intended application. Two groups can be specified here: A. Use in the close range up to approx. 50cm; B. Use at a distance of more than 50cm up to remote sound.
Aus dieser Bereichsunterteilung lassen sich unterschiedliche Anforderungen an die Mittenfrequenz ableiten. Die Höhe des hörbaren Schalldrucks hängt maßgeblich ab vom Schalldruck des Ultraschallsignals, dem Nichtlinearitätsparameter des Mediums, der Frequenz des entstehenden Audiosignals sowie vom Abstand zur Quelle und der Dämpfung des Mediums. Die Differenzfrequenzwelle DFW - also der hörbare Schall - baut sich mit zunehmendem Abstand zur Quelle auf. Bedingt durch die Dämpfung der Ultraschallwelle in der Luft wird in einer bestimmten Entfernung der größte Schalldruck erreicht, bis der Pegel bei größer werdender Entfernung infolge Dämpfung wieder abfällt. Die Dämpfung des Ultraschalls in der Luft hängt wiederum von der Ultraschallfrequenz ab. Je höher die Frequenz ist, desto höher ist auch die Absorption des Ultraschalls in Luft.Different requirements for the center frequency can be derived from this division of the range. The level of the audible sound pressure depends to a large extent on the sound pressure of the ultrasound signal, the non-linearity parameter of the medium, the frequency of the resulting audio signal and the distance to the source and the attenuation of the medium. The differential frequency wave DFW - the audible sound - builds up with increasing distance from the source. Due to the damping of the ultrasonic wave in the air, the greatest sound pressure is reached at a certain distance until the level drops again as the distance increases due to damping. The damping of the ultrasound in the air in turn depends on the ultrasound frequency. The higher the frequency, the higher the absorption of ultrasound in air.
Für praktische Anwendungen bedeutet dies, daß für Anwendungen im Abstand von größer als 50cm bis einige Meter ein idealer Frequenzbereich von ca. 40kHz bis 500kHz (oder mehr) angegeben werden kann. Der Frequenzbereich ist einerseits hoch genug gewählt, um möglichst effektiv eine DFW zu erzeugen und einen ausreichenden Frequenzabstand zum hörbaren Schall zu gewährleisten, andererseits aber niedrig genug, daß die Dämpfung durch die Luft keinen zu großen Einfluß auf den Audioschall hat. Ein weiteres Kriterium ist die Richtcharakterstik des Ultraschallstrahlers. Je höher die abgestrahlte Frequenz ist, desto gerichteter erfolgt die Abstrahlung.For practical applications, this means that an ideal frequency range of approximately 40 kHz to 500 kHz (or more) can be specified for applications at a distance of greater than 50 cm to a few meters. On the one hand, the frequency range is chosen high enough to produce a DFW as effectively as possible and to ensure a sufficient frequency distance from the audible sound, but on the other hand low enough that the attenuation by the air does not have too great an influence on the audio sound. Another criterion is the directional characteristics of the Ultrasonic emitter. The higher the radiated frequency, the more directional the radiation.
Für den Nahbereich (kleiner als 50cm) ist eine höhere Frequenz sinnvoll, denn die Absorption der Luft ist im Nahbereich von vernachlässigbarer Größe, während die Dimensionen des Ultraschallwandlers je nach Anwendung so klein sind, daß eine stärkere Richtwirkung nicht durch die Formgebung des Wandlers erreicht, sondern nur durch Erhöhung der Ultraschallfrequenz realisiert werden kann.A higher frequency makes sense for the close range (smaller than 50 cm), because the absorption of air in the near range is negligible, while the dimensions of the ultrasonic transducer are so small depending on the application that a stronger directivity is not achieved by the shape of the transducer, but can only be realized by increasing the ultrasound frequency.
Die Frequenzverschiebung des Niederfrequenzsignals (Sprache, Musik, Geräusche, Klänge) in dem Ultraschallbereich erfolgt durch eine Amplitudenmodulation. Dabei entsteht ein Trägersignal sowie ein oberes und ein unteres Seitenband, die die modulierte Information enthalten. Bei hohem Schalldruck wird das Trägersignal, z.B. 200kHz und das untere Seitenband über einen Wandler abgestrahlt und in der Luft überlagert. Durch das nichtlineare Verhalten der Luft entsteht dabei ein Signal, dessen Frequenz der Differenz aus der Träger- und Seitenbandfrequenz entspricht. Je höher die Frequenzen der abgestrahlten Töne bei konstanter Amplitude sind, desto lauter sind die entstehenden Differenztöne. Der Schalldruck der Differenztöne steigt quadratisch mit der Differenzfrequenz der abgestrahlten Ultraschalltöne. Durch eine hohe Ultraschallfrequenz läßt sich die erzielbare Richtwirkung maximieren und der Frequenzabstand des abgestrahlten Ultraschalls zum menschlichen Hörberereich vergrößern.The frequency shift of the low-frequency signal (speech, music, noises, sounds) in the ultrasound range takes place by means of amplitude modulation. This creates a carrier signal and an upper and a lower sideband, which contain the modulated information. At high sound pressure, the carrier signal, e.g. 200kHz and the lower sideband emitted via a converter and superimposed in the air. The non-linear behavior of the air creates a signal whose frequency corresponds to the difference between the carrier and sideband frequencies. The higher the frequencies of the emitted tones with constant amplitude, the louder the resulting difference tones. The sound pressure of the difference tones increases quadratically with the difference frequency of the emitted ultrasound tones. A high ultrasound frequency can maximize the directivity that can be achieved and increase the frequency distance of the emitted ultrasound from the human hearing range.
Der Schalldruck der Differenzfrequenzen ergibt sich u.a. aus dem Produkt der zu mischenden Signale. Bei der Abstrahlung eines amplitudenmodulierten Signals erfolgt auch im Fall einer Modulationspause, d.h. wenn kein Signal am Modulator anliegt, die Abstrahlung des Trägers in voller Höhe. Die Amplitude des Trägers bedeutet eine ständige Geräuschbelastung für die Ohren und eine permanente elektrische Belastung der Wandler. Bei einer gewöhnlichen Amplitudenmodulation beträgt die Amplitude eines Seitenbandes mxAτ/2 (mit m=Modulationsindex und Aτ=Trägeramplitude). Der Träger wird ständig abgestrahlt und hat eine größere Amplitude als das Seitenband, daß im Takt der Niederfrequenz moduliert ist. Diese vorgenannten Probleme können mit den folgenden beschriebenen Maßnahmen sinnvoll beseitigt werden. Eine Geräuschreduktion läßt sich erreichen, wenn die Amplitude des Trägers reduziert wird, z.B. durch einen Filter oder bereits im Modulator durch eine teilweise Trägerunterdrückung, und gleichzeitig die Amplitude des oberen Seitenbandes erhöht wird. Dadurch wird der Dauerpegel reduziert und die relative, auf den Träger bezogene Änderung des Pegels durch die Modulation größer. Für den Fall einer Trägerunterdrückung muß das untere Seitenband stark unterdrückt werden, um eine Mischung der beiden Seitenbänder untereinander zu verhindern, welche starke Verzerrungen hervorrufen würde. Die vorbeschriebene Maßnahme kann auch allgemein als "Trägerreduktion" bezeichnet werden.The sound pressure of the differential frequencies results, among other things, from the product of the signals to be mixed. When an amplitude-modulated signal is emitted, the carrier is emitted in full even in the event of a modulation pause, ie when there is no signal at the modulator. The amplitude of the wearer means constant noise pollution for the ears and permanent electrical stress on the transducers. With a normal amplitude modulation, the amplitude of a sideband is mxA τ / 2 (with m = modulation index and A τ = carrier amplitude). The Carrier is continuously emitted and has a greater amplitude than the sideband that is modulated in time with the low frequency. These above-mentioned problems can be sensibly eliminated with the measures described below. A noise reduction can be achieved if the amplitude of the carrier is reduced, for example by a filter or already in the modulator by partial carrier suppression, and at the same time the amplitude of the upper sideband is increased. This reduces the continuous level and increases the relative, level-related change in the level due to the modulation. In the event of carrier suppression, the lower sideband must be strongly suppressed to prevent the two sidebands from mixing with one another, which would cause severe distortion. The measure described above can also be generally referred to as "carrier reduction".
Wird die Trägeramplitude mit der Amplitude des zu übertragenden Signals moduliert, so wird im Fall einer Modulationspause kein Signal abgestrahlt. Erforderlich ist dann eine zusätzlich gesteuerte Kompressorstufe, die Amplitudenfehler ausgleicht, die sich aus der Modulation des Trägers ergeben. Zur Beseitigung des oben beschriebenen Problems kann also eine Modulation der Trägeramplitude im Takt des zu modulierenden Signals vorgenommen werden.If the carrier amplitude is modulated with the amplitude of the signal to be transmitted, no signal is emitted in the event of a pause in modulation. An additional controlled compressor stage is then required, which compensates for amplitude errors resulting from the modulation of the carrier. To eliminate the problem described above, the carrier amplitude can be modulated in time with the signal to be modulated.
Ferner kann einem oben beschriebenen Problem begegnet werden, indem eine Komprimierung des zu modulierenden Signals erreicht wird, so daß das Signal in seiner Dynamik verringert wird und damit insbesondere die leisen Signalpassagen in ihrer Lautstärke angehoben werden. Dadurch läßt sich der Modulator optimal aussteuern. Nach der Modulation muß die Komprimierung durch eine Expandierung wieder ausgeglichen werden, um die Originaldynamik zu erhalten. Mit der beschriebenen Komprimierung des Modulationssignals vor der Modulation konnten sehr gute Ergebnisse erzielt werden.Furthermore, a problem described above can be countered by compressing the signal to be modulated so that the signal's dynamics are reduced and, in particular, the volume of the quiet signal passages is increased. This allows the modulator to be optimally controlled. After the modulation, the compression must be compensated for by an expansion in order to maintain the original dynamics. With the described compression of the modulation signal before the modulation, very good results could be achieved.
Eine weitere Maßnahme zur Beseitigung des obigen Problems besteht darin, in Modulationspausen eine Ansteuerung der Wandler mit dem Trägersignal zu unterdrücken (Stummschaltung), so daß das Modulator-Ausgangssignal ausgeblendet wird, wenn kein Eingangssignal anliegt.Another measure to eliminate the above problem is in Modulation pauses to suppress control of the converter with the carrier signal (muting), so that the modulator output signal is faded out when no input signal is present.
Die amplitudenmodulierte Niederfrequenzschwingung wird bei hohem Schalldruck mit einem Wandler abgestrahlt. In der Luft entsteht durch die Wechselwirkung zwischen der Trägerschwingung und dem modulierten Seitenband ein Differenzfrequenz- Spektrum, das dem Spektrum der Niederfrequenz entspricht. Um einen niedrigen Klirrfaktor zu erzielen, ist eine Einseitenbandmodulation in besonders bevorzugter Weise geeignet. Wird der Träger in einer gewöhnlichen Zweiseitenband- Amplitudenmodulation teilweise unterdrückt, so ist eine Unterdrückung des unteren Seitenbandes unerläßlich, weil die Mischung der beiden Seitenbänder untereinander zusätzliche Differenzfrequenzen bewirkt, die sich in Form eines Klirrfaktors unerwünscht bemerkbar machen.The amplitude-modulated low-frequency vibration is emitted with a transducer at high sound pressure. In the air, the interaction between the carrier oscillation and the modulated sideband creates a difference frequency spectrum that corresponds to the spectrum of the low frequency. In order to achieve a low distortion factor, single sideband modulation is particularly preferred. If the carrier is partially suppressed in a conventional two-sideband amplitude modulation, then suppression of the lower sideband is essential because the mixing of the two sidebands with one another brings about additional difference frequencies which are undesirably noticeable in the form of a distortion factor.
Mit piezoelektrischen Wandlern ist die Abstrahlung des modulierten Signals jedoch so schmalbandig, daß das untere Seitenband nur sehr leise wiedergegeben wird. Die Mischung der Seitenbänder untereinander ist dadurch schalldruckmäßig vernachlässigbar. Das setzt aber voraus, daß der Träger so laut ist, daß die Mischung von Träger und Seitenband ein viel lauteres Signal ergibt als die Mischung der Seitenbänder untereinander. Die Modulation wird demnach entweder als gewöhnliche Zweiseitenband-Amplitudenmodulation realisiert oder als Einseitenband- Amplitudenmodulation, bei der der Träger zur weiteren Funktionsoptimierung um beispielsweise 12dB unterdrückt wird.With piezoelectric transducers, however, the radiation of the modulated signal is so narrow-band that the lower sideband is reproduced only very quietly. The mixing of the side bands with each other is therefore negligible in terms of sound pressure. However, this presupposes that the carrier is so loud that the mixture of carrier and sideband gives a much louder signal than mixing the sidebands with each other. Accordingly, the modulation is implemented either as a conventional double-sideband amplitude modulation or as a single-sideband amplitude modulation, in which the carrier is suppressed by, for example, 12 dB for further function optimization.
Der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Eingangssignal der piezoelektrischen Wander und dem Schalldruckpegel der Differenztöne ist nicht linear. Mit einer Kompensationsschaltung läßt sich hierbei eine lineare Übertragung erzielen (Dynamikkompression). Mit einer Frequenzganglinearisierung, die insbesondere bei piezoelektrischen Wandlern mit stark nichtlinearem Frequenzgang erforderlich ist, werden frequenzabhängige Amplitudenfehler des Übertragungssystems ausgeglichen. Die Entzerrung kann vor der Modulation im Niederfrequenzbereich erfolgen oder nach der Modulation im Ultraschallbereich. Die Entzerrung nach der Modulation hat den Vorteil, daß dadurch die Aussteuerungsreserve des Modulators bei einer Anhebung eines Frequenzbereiches nicht eingeschränkt wird.The relationship between the electrical input signal of the piezoelectric wander and the sound pressure level of the differential tones is not linear. A linear transmission can be achieved with a compensation circuit (dynamic compression). Frequency response linearization, which is required in particular in the case of piezoelectric transducers with a strongly nonlinear frequency response, compensates for frequency-dependent amplitude errors in the transmission system. The equalization can take place before the modulation in the low frequency range or after the modulation in the ultrasound range. Equalization after modulation has the advantage that the modulation reserve of the modulator is not restricted when a frequency range is raised.
Im abgestrahlten Ultraschallkegel entsteht die Differenztonwelle. Der Querschnitt des Kegels hat dabei einen Einfluß auf den resultierenden Audio-Frequenzgang. An einer Grenzfläche, die in den Schallstrahl hineingehalten wird, entsteht das hörbare Signal. Die untere Grenzfrequenz hängt dabei von der Querschnittsfläche des in den Strahl gebrachten Gegenstandes ab. Um für einen Reflektor an einer Wand einen linearen Frequenzgang zu erzielen, ist eine auf die Fläche des Reflektors abgestimmte Entzerrung notwendig (flächenbezogene Entzerrung).The difference sound wave arises in the emitted ultrasound cone. The cross-section of the cone has an influence on the resulting audio frequency response. The audible signal is generated at an interface that is held into the sound beam. The lower limit frequency depends on the cross-sectional area of the object placed in the beam. In order to achieve a linear frequency response for a reflector on a wall, an equalization matched to the surface of the reflector is necessary (area-related equalization).
Das Maximum des Schalldrucks ergibt sich in einer bestimmten Entfernung von der Ultraschallquelle. Es tritt für verschiedene Audiofrequenzen in unterschiedlichen Abständen auf. Ein linearer Frequenzgang kann sich deshalb für eine bestimmte Entfernung nur durch eine spezielle entfernungsbezogene Entzerrung einstellen. Die Signalverarbeitung muß deshalb für einen linearen Frequenzgang eine spezielle entfernungsabhängige Frequenzgangsentzerrung beinhalten.The maximum of the sound pressure results at a certain distance from the ultrasound source. It occurs at different intervals for different audio frequencies. A linear frequency response can therefore only be achieved for a certain distance by special distance-related equalization. The signal processing must therefore include a special distance-dependent frequency response equalization for a linear frequency response.
Um einen hohen Ultraschall-Pegel zu erzeugen, wird eine größere Anzahl von Wandlern parallelgeschaltet. Es konnte hierbei herausgefunden werden, daß die Anordnung der Wandler eine große Rolle spielt. So sind Wandler auf einer Platte dichtestmöglich angeordnet, so daß die Tiefenwiedergabe des Lautsprechers leiser als bei einer Anordnung ist, bei der die gleiche Anzahl von Wandlern ringförmig angebracht ist. Die beschriebene analoge Amplitudenmodulation läßt sich auch digital realisieren. Hierbei ist die Multiplikation einer Sinusschwingung (Träger) mit einem Niederfrequenzsignal, teilweise Unterdrückung des Trägers sowie die Unterdrückung des unteren Seitenbandes mit einem digitalen Signalprozessor-Baustein möglich. Frequenzgangkonturen lassen sich ebenfalls beim Einsatz eines Digitalsignalprozessors relativ leicht durchführen.To generate a high level of ultrasound, a larger number of transducers are connected in parallel. It was found that the arrangement of the transducers plays a major role. So transducers are arranged on a plate as close as possible, so that the depth reproduction of the loudspeaker is quieter than in an arrangement in which the same number of transducers is mounted in a ring. The described analog amplitude modulation can also be implemented digitally. The multiplication of a sinusoidal oscillation (carrier) with a low frequency signal, partial suppression of the carrier as well as the suppression of the lower sideband with a digital signal processor module is possible. Frequency response contours can also be carried out relatively easily when using a digital signal processor.
Die Höhe des Audioschalldrucks hängt unter anderem aber auch vom Nichtlinearitätsparameter des akustisch durchlässigen Mediums ab. Für Luft beträgt der Parameter _= 1 ,2. Für das Medium Wasser beträgt _=3,5. Es konnte nun gefunden werden, daß bei einem Wasserluftblasengemisch ein Extremwert von _ von über 5000 angegeben werden kann, was bedeutet, daß gegenüber dem Medium Luft mit einem Wasser/Luftgemisch der Schalldruck um den Faktor 4000 erhöht werden kann. Auf diese Art ist es möglich, beispielsweise ein Wasser/Luftgemisch in einer Kopfhörermuschel zu realisieren, so daß das Wasser/Luftgemischmedium zwischen dem Ultraschallstrahler und dem Hörer angeordnet ist und den Schalldruck des Audiosignals erhöht.The level of the audio sound pressure also depends, among other things, on the non-linearity parameter of the acoustically permeable medium. For air, the parameter is _ = 1, 2. For the medium water is _ = 3.5. It has now been found that an extreme value of _ of over 5000 can be given for a water-air mixture, which means that the sound pressure can be increased by a factor of 4000 compared to the medium air with a water / air mixture. In this way it is possible, for example, to implement a water / air mixture in a headphone cup, so that the water / air mixture medium is arranged between the ultrasound emitter and the receiver and increases the sound pressure of the audio signal.
Der Audioschalldruck kann auch durch andere Maßnahmen noch weiter vergrößert werden. Bedingt durch die zunehmende Aufsteilung der Wellenfront im Zuge der Ausbreitung, was gleichbedeutend ist mit der Entstehung von Oberwellen. Nach einer Energiebilanz steht die Energie, die in den Oberwellen steckt, nicht für die Differenztonwelle zur Verfügung. Es erfolgt gewissermaßen ein Energiefluß von der Grundwelle zu den Oberwellen. Wenn es gelingt, diesen Energiefluß zu bremsen, so ließe sich der Audioschalldruck vergrößern. Ein Realisierungsvorschlag hierfür sieht wie folgt aus:The audio sound pressure can also be increased further by other measures. Due to the increasing division of the wavefront in the course of the propagation, which is synonymous with the creation of harmonics. After an energy balance, the energy contained in the harmonics is not available for the differential sound wave. In a way, there is an energy flow from the fundamental to the harmonics. If this energy flow can be slowed down, the audio sound pressure could be increased. A proposal for this is as follows:
Ein schalldurchlässiges Medium enthält kleine Hohlräume, welche zusammen mit dem Material eine Vielzahl von Helmholz-Resonatoren ergibt. Die Resonatoren sind auf der ersten Oberwelle des Signals abgestimmt und bremsen dadurch den Energiefluß zu höheren Oberwellen. Füllt man die Hohlräume mit einem nichtlinearen Medium, z.B. einer Flüssigkeit, so läßt sich durch diese Maßnahme ein höherer Wert für die Nichtlinearitätsparameter erzielen, wodurch der Schalldruck der Differenztöne erhöht würde.A sound-permeable medium contains small cavities, which together with the material result in a large number of Helmholz resonators. The resonators are tuned to the first harmonic of the signal and thereby slow down the energy flow higher harmonics. If the cavities are filled with a non-linear medium, for example a liquid, this measure can achieve a higher value for the non-linearity parameters, which would increase the sound pressure of the differential tones.
Durch diese Technologie lassen sich Reflektoren bauen, die auf passive Weise den Schalldruck der Differenztöne verstärken.With this technology, reflectors can be built that passively amplify the sound pressure of the differential tones.
Für einen in die Kopfstütze eines Autos eingebauten Ultraschall-Lautsprecher läßt sich durch die beschriebene "Dämpfungsplatte" ein höherer Audioschall bei gleichzeitig reduziertem Ultraschall erreichen. Für kabellose Kopfhörer wäre es denkbar, unhörbaren Ultraschall drahtlos zu übertragen und über den oben beschriebenen Absorber die Differenztöne auf einen ausreichenden Pegel zu bringen.For an ultrasound loudspeaker built into the headrest of a car, the described "damping plate" enables a higher level of audio sound to be achieved with simultaneously reduced ultrasound. For wireless headphones, it would be conceivable to transmit inaudible ultrasound wirelessly and to bring the differential tones to a sufficient level via the absorber described above.
Mathematisch kann mit Formeln der nichlinearen Akustik gezeigt werden, daß bei hohem Schalldruckpegel (p>110dB bei 40kHz) infolge der Nichlinearität des Mediums Luft neue Wellen entstehen, wenn mehrere WeHen in Wechselrichtung zueinander stehen.Mathematically, with formulas of nonlinear acoustics, it can be shown that at high sound pressure levels (p> 110dB at 40kHz) new waves arise due to the nonlinearity of the medium air, if several woes are mutually interrelated.
Die Frequenzen dieser Wellen entsprechen der Summen- und der Differenzfrequenz der ursprünglichen Wellen sowie Vielfachen davon.The frequencies of these waves correspond to the sum and difference frequencies of the original waves and multiples thereof.
(n * ω, + m (ö! mit ωι, ω∑: Frequenzen der initiieren Töne und n, m: gaäne Zahlen).(n * ω, + m (ö! with ωι, ω∑: frequencies of the initiated tones and n, m: gaäne numbers).
Die Summen- und Differenzfrequenzen treten in jedem Frequenzbereich auf. Deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lautsprechern ergeben sich im Ultraschallbereich, in dem eine sehr starke Richtcharakteristik der Wandler realisiert werden kann und der außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegt; die initiierenden Signale sind dabei unhörbar.The sum and difference frequencies occur in every frequency range. There are clear advantages over conventional loudspeakers in the ultrasound range, in which a very strong directional characteristic of the transducers can be realized and which is outside the human hearing range; the initiating signals are inaudible.
Beispiel: Wird ein Ton der Frequenz 200kHz und ein zweiter Ton der Frequenz 201 kHz bei hohem Schalldruck in die Luft abgestrahlt, so entstehen in der Überlagerungszone der beiden Töne Summen- und Differenztöne. Der erste Summenton (f=200kHz+201kHz=401 kHz) ist nicht hörbar. Zur Erzeugung von hörbarem Schall wird der erste Differenzton (f=200kHz-201kHz=1kHz) ausgenutzt. Er ist außerdem viel lauter als alle anderen bei der Wechselwirkung entstehenden Töne. Erst in einem nichtlinearen Medium wie Luft entstehen Verzerrungsprodukte, die Summen- und Differenztöne ergeben.Example: If a tone with a frequency of 200 kHz and a second tone with a frequency of 201 kHz are emitted into the air at high sound pressure, sum and difference tones are produced in the overlapping zone of the two tones. The first sum tone (f = 200kHz + 201kHz = 401 kHz) is not audible. The first differential tone (f = 200kHz-201kHz = 1kHz) is used to generate audible sound. It is also much louder than all the other tones generated by the interaction. It is only in a nonlinear medium such as air that distortion products emerge that produce sum and difference tones.
Eigenschaften der erzeugten DifferenztöneProperties of the generated differential tones
- Die Ausbreitung des Sekundärschalls (der Differenztöne) erfolgt in Richtung des Primärschalls (der initiierenden Töne),- The propagation of the secondary sound (the differential tones) takes place in the direction of the primary sound (the initiating tones),
Der Sekundärschall ist nur im Bereich des Primärschalls hörbar, das heißt, die Richtcharakteristik des Sekundärschalls entspricht der des Primärschalls,The secondary sound can only be heard in the area of the primary sound, i.e. the directional characteristic of the secondary sound corresponds to that of the primary sound,
- Der Schalldruck der Differenztöne steigt mit der Frequenz der initiierenden Töne.- The sound pressure of the differential tones increases with the frequency of the initiating tones.
Technische Realisierung (Beispielhafte Ausführung der Erfindung):Technical implementation (exemplary embodiment of the invention):
Figur 1 und Figur 2 zeigen Blockschaltbilder eines Ultraschall-Lautsprechers, wobei Figur 2 eine verbesserte Schaltung gegenüber Figur 1 darstellt.FIG. 1 and FIG. 2 show block diagrams of an ultrasound loudspeaker, FIG. 2 representing an improved circuit compared to FIG. 1.
Wie in Figur 1 zu sehen, wird zunächst einmal das niederfrequente Audiosignal einer Frequenzganglinearisierung unterzogen und dann einer Zweiseitenband- Amplitudenmodulation (und/oder einer Frequenz- und/oder Phasenmodulation) unterzogen, wobei die Trägerfrequenz im Ultraschallbereich liegt. Hiernach wird gegebenenfalls eine Dynamikkompression bzw. Dynamik-Fehler-Kompensation (signalabhängig) durchgeführt. Anschließend erfolgt nochmals eine weitere Frequenzganglinearisierung und daß dann ausgegebene Signal wird dem Ultraschallwandler zugeführt. Die Schaltung nach Figur 2 unterscheidet sich von Figur 1 im wesentlichen dadurch, daß statt der Zweiseitenband-Amplitudenmodulation eine Einseitenband- Amplitudenmodulation durchgeführt wird, wobei der Träger im Ultraschallbereich um ca. 12dB unterdrückt wird.As can be seen in FIG. 1, the low-frequency audio signal is first subjected to frequency response linearization and then subjected to double-sideband amplitude modulation (and / or frequency and / or phase modulation), the carrier frequency being in the ultrasound range. Thereafter, dynamic compression or dynamic error compensation (signal-dependent) is carried out, if necessary. Another frequency response linearization then takes place and the signal that is then output is fed to the ultrasound transducer. The circuit according to FIG. 2 differs from FIG. 1 essentially in that instead of the double sideband amplitude modulation, a single sideband amplitude modulation is carried out, the carrier being suppressed by approximately 12 dB in the ultrasound range.
Die ideale Mittenfrequenz, d.h. der Mittelwert zwischen Trägerfrequenz und Seitenbandfrequenz (-bereich) des abgestrahlten Ultraschallsignals ergibt sich aus der beabsichtigten Anwendung. Es können zwei Gruppen angegeben werden:The ideal center frequency, i.e. the mean value between carrier frequency and sideband frequency (range) of the emitted ultrasound signal results from the intended application. Two groups can be specified:
1. Anwendungen im Nahbereich bis ca. 50cm1. Applications in the close range up to approx. 50cm
2. Anwendungen im Abstand > 50cm und Fernbeschallung2. Applications at a distance> 50cm and remote sound
Aus dieser Bereichsunterteilung lassen sich unterschiedliche Anforderungen an die Mittenfrequenz ableiten. Die Höhe des hörbaren Schalldrucks hängt ab vom Schalldruck des Ultraschallsignals, dem Nichlinearitätsparameter des Mediums, der Frequenz des entstehenden Audiosignals sowie vom Abstand zur Quelle und der Dämpfung des Mediums. Die Differenzfrequenzwelle baut sich mit zunehmendem Anstand zur Quelle auf. Bedingt durch die Dämpfung der Ultraschallwelle in der Luft wird in einer bestimmten Entfernung der größte Schalldruck erreicht, bis der Pegel bei größer werdender Entfernung infolge Dämpfung wieder abfällt. Die Dämpfung des Ultraschalls in der Luft hängt wiederum von der Frequenz ab. Je höher die Frequenz ist, desto höher ist auch die Absorption des Schalls in Luft.Different requirements for the center frequency can be derived from this division of the range. The level of the audible sound pressure depends on the sound pressure of the ultrasound signal, the non-linearity parameter of the medium, the frequency of the audio signal that is generated, and the distance from the source and the attenuation of the medium. The differential frequency wave builds up with increasing distance from the source. Due to the damping of the ultrasonic wave in the air, the greatest sound pressure is reached at a certain distance until the level drops again as the distance increases due to damping. The attenuation of ultrasound in the air depends on the frequency. The higher the frequency, the higher the absorption of the sound in air.
Für praktische Anwendungen bedeutet dies, daß für Applikationen im Abstand >50cm bis einige Meter ein idealer Frequenzbereich von ca. 80kHz bis 180kHz angegeben werden kann. Der Frequenzbereich ist einerseits hoch genug gewählt, um möglichst effektiv eine DFW zu erzeugen und einen ausreichenden Frequenzabstand zum hörbaren Schall zu gewährleisten, andererseits aber niedrig genug, daß die Dämpfung durch die Luft keinen zu großen Einfluß auf den Audioschall hat. Ein weiteres Kriterium ist die Richtcharakteristik des Strahlers. Je höher die abgestrahlte Frequenz ist, desto gerichteter erfolgt die Abstrahlung.For practical applications, this means that an ideal frequency range of approx. 80 kHz to 180 kHz can be specified for applications at a distance of> 50 cm to a few meters. On the one hand, the frequency range is chosen high enough to produce a DFW as effectively as possible and to ensure a sufficient frequency distance from the audible sound, but on the other hand low enough that the attenuation by the air does not have too great an influence on the audio sound. Another criterion is the directional characteristic of the emitter. The higher the radiated frequency, the more directional the radiation.
Für den Nahbereich ist eine höhere Frequenz sinnvoll, denn die Absorption der Luft ist im Nahbereich von vernachlässigbarer Größe, während die Dimensionen des Wandlers je nach Anwendung so klein sind, daß eine stärkere Richtwirkung nicht durch die Formgebung des Wandlers erreicht, sondern nur durch Erhöhen der Ultraschallfrequenz realisiert werden kann.A higher frequency makes sense for the near range, because the absorption of air in the near range is of negligible size, while the dimensions of the transducer are so small, depending on the application, that a stronger directivity is not achieved by shaping the transducer, but only by increasing it Ultrasonic frequency can be realized.
Frequenzverschiebung des NiederfrequenzsignalsFrequency shift of the low frequency signal
Die Frequenzverschiebung des Niederfrequenzsignals (Sprache, Musik, Geräusche, Klänge) in den Ultraschallbereich erfolgt durch eine Amplitudenmodulation. Dabei entsteht ein Trägersignal sowie ein oberes und ein unteres Seitenband, die die modulierte Information enthalten.The frequency shift of the low-frequency signal (speech, music, noises, sounds) into the ultrasound range takes place by means of amplitude modulation. This creates a carrier signal and an upper and a lower sideband, which contain the modulated information.
Bei hohem Schalldruck wird das Trägersignal, z.B. 200kHz, und das obere Seitenband über einen Wandler abgestrahlt und in der Luft überlagert. Durch das nichtlineare Verhalten der Luft entsteht dabei ein Signal, dessen Frequenz der Differenz aus der Träger- und der Seitenbandfrequenz entspricht. Je höher die Frequenzen der abgestrahlten Töne bei konstanter Amplitude sind, desto lauter sind die entstehenden Differenztöne. Der Schalldruck der Differenztöne steigt quadratisch mit der Differenzfrequenz der abgestrahlten Uitraschalltöne. Durch eine hohe Ultraschallfrequenz läßt sich die erzielbare Richtwirkung maximieren und der Frequenzabstand des abgestrahten Ultraschalls zum menschlichen Hörbereich vergrößern.At high sound pressure, the carrier signal, e.g. 200kHz, and the upper sideband emitted via a converter and superimposed in the air. The non-linear behavior of the air creates a signal whose frequency corresponds to the difference between the carrier and the sideband frequency. The higher the frequencies of the emitted tones with constant amplitude, the louder the resulting difference tones. The sound pressure of the difference tones increases quadratically with the difference frequency of the emitted ultrasound tones. A high ultrasound frequency allows the directivity that can be achieved to be maximized and the frequency distance of the emitted ultrasound from the human hearing range to be increased.
Unzulänglichkeit bei der Amplitudenmodulation: permanente Trägeramplitude Der Schalldruck der Differenzfrequenzen ergibt sich u.a. aus dem Produkt der zu mischenden Signale. Bei der Abstrahlung eines amplitudenmodulierten Signals erfolgt auch im Fall einer Modulationspause, d.h. wenn kein Signal am Modulator anliegt, die Abstrahlung des Trägers in voller Höhe. Die hohe Amplitude des Trägers bedeutet eine ständige Geräuschbelastung für die Ohren und eine permanente elektrische Belastung der Wandler. Bei einer gewöhnlichen Amplitudenmodulation beträgt dieInadequacy in amplitude modulation: permanent carrier amplitude The sound pressure of the differential frequencies results, among other things, from the product of the signals to be mixed. When an amplitude-modulated signal is emitted, the carrier is emitted in full even in the event of a modulation pause, ie when there is no signal at the modulator. The high amplitude of the wearer means constant noise pollution for the ears and permanent electrical stress on the transducers. With a normal amplitude modulation, this is
Amplitude eines Seitenbandes m * — (mit m=Modulationsindex undAmplitude of a sideband m * - (with m = modulation index and
Aτ:Trägeramplitude). Der Träger wird ständig abgestrahlt und hat eine größere Amplitude als das Seitenband, das im Takt der Niederfrequenz moduliert ist. Daher sind folgende Maßnahmen sinnvoll:A τ : carrier amplitude). The carrier is continuously emitted and has a greater amplitude than the sideband, which is modulated in time with the low frequency. The following measures therefore make sense:
Trägerreduktioncarrier reduction
Eine Geräuschreduktion läßt sich erreichen, wenn die Amplitude des Trägers reduziert wird, z.B. durch ein Filter oder bereits im Modulator durch eine teilweise Trägerunterdrückung, und gleichzeitig die Amplitude des oberen Seitenbandes erhöht wird. Dadurch wird der Dauerpegel reduziert und die relative, auf den Träger bezogene Änderung des Pegels druch die Modulation größer. Für den Fall einer Trägerunterdrückung muß das untere Seitenband stark unterdrückt werden, um eine Mischung der beiden Seitenbänder untereinander zu verhindern, welche starke Verzerrungen hervorrufen würde.Noise reduction can be achieved if the amplitude of the carrier is reduced, e.g. by a filter or already in the modulator by partial carrier suppression, and at the same time the amplitude of the upper sideband is increased. This reduces the continuous level and increases the relative, level-related change in the level due to the modulation. In the event of carrier suppression, the lower sideband must be strongly suppressed to prevent the two sidebands from mixing with one another, which would cause severe distortion.
Modulation der Trägeramplitude im Takt des zu modulierenden SignalsModulation of the carrier amplitude in time with the signal to be modulated
Wird die Trägeramplitude mit der Amplitude des zu übertragenen Signals moduliert, so wird im Fall einer Modulationspause kein Signal abgestrahlt. Erforderlich ist dann eine zusätzliche gesteuerte Kompressorstufe, die Amplitudenfehler ausgleicht, die sich aus der Modulation des Trägers ergeben. Komprimierung des Modulationssignals vor der ModulationIf the carrier amplitude is modulated with the amplitude of the signal to be transmitted, no signal is emitted in the event of a pause in modulation. An additional controlled compressor stage is then required, which compensates for amplitude errors resulting from the modulation of the carrier. Compression of the modulation signal before the modulation
Mit einer Komprimierung des zu modulierenden Signals ist zu erreichen, daß das Signal in seiner Dynamik verringert wird und damit insbesondere die leisen Signalpassagen in ihrer Lautstärke angehoben werden. Dadurch läßt sich der Modulator optimal aussteuern. Nach der Modulation muß die Komprimierung durch eine Expandierung wieder ausgeglichen werden, um die Originaldynamik zu erhalten.Compression of the signal to be modulated means that the dynamics of the signal are reduced and, in particular, the volume of the quiet signal passages is increased. This allows the modulator to be optimally controlled. After the modulation, the compression must be compensated for by an expansion in order to maintain the original dynamics.
Stummschaltungmute
Um in Modulationspausen eine Ansteuerung der Wandler mit dem Trägersignal zu unterdrücken, wird das Modulator-Ausgangssignal ausgeblendet, wenn kein Eingangssignal anliegt.In order to suppress activation of the converters with the carrier signal during modulation pauses, the modulator output signal is faded out when no input signal is present.
Praktische Auslegung des ModulatorsPractical design of the modulator
Die amplitudenmodulierte Niederfrequenzschwingung wird bei hohem Schalldruck mit einem Wandler abgestrahlt. In der Luft entsteht durch die Wechselwirkung zwischen der Trägerschwingung und dem modulierten Seitenband ein Differenzfrequenz- Spektrum, das dem Spektrum der Niederfrequenz entspricht. Um einen niedrigen Klirrfaktor zu erzielen, ist eine Einseitenbandmodulation optimal. Wird der Träger bei einer gewöhnlichen Zweiseitenband-AM teilweise unterdrückt, so ist eine Unterdrückung des unteren Seitenbandes unerläßlich, weil die Mischung der beiden Seitenbänder untereinander zusätzliche Differenzfrequenzen bewirkt, die sich in Form von Klirrfaktor bemerkbar machen.The amplitude-modulated low-frequency vibration is emitted with a transducer at high sound pressure. In the air, the interaction between the carrier oscillation and the modulated sideband creates a difference frequency spectrum that corresponds to the spectrum of the low frequency. In order to achieve a low distortion factor, single sideband modulation is optimal. If the carrier is partially suppressed in the case of an ordinary double-sideband AM, suppression of the lower sideband is essential because the mixing of the two sidebands with one another brings about additional differential frequencies, which are noticeable in the form of distortion.
Mit piezoelektrischen Wandlern ist die Abstrahlung des modulierten Signals jedoch so schmalbandig, daß das untere Seitenband nur sehr leise wiedergegeben wird. Die Mischung der Seitenbänder untereinander ist dadurch schalldruckmäßig vernachlässigbar. Das setzt aber voraus, daß der Träger so laut ist, daß die Mischung von Träger und Seitenband ein viel lauteres Signal ergibt als die Mischung der Seitenbänder untereinander.With piezoelectric transducers, however, the radiation of the modulated signal is so narrow-band that the lower sideband is reproduced only very quietly. The mixing of the side bands with each other is therefore negligible in terms of sound pressure. But that presupposes that the carrier is so loud that the mixture of carrier and sideband gives a much louder signal than mixing the sidebands with each other.
Die Modulation wird demnach entweder als gewöhnliche Zweiseitenband-AM realisiert oder als Einseitenband-AM, bei der der Träger zur weiteren Funktionsoptimierung um ca. 12dB unterdrückt wird.The modulation is therefore realized either as a conventional double-sideband AM or as a single-sideband AM, in which the carrier is suppressed by approximately 12 dB for further function optimization.
Dynamikkompression (Dynamik-Fehler-Kompensation)Dynamic compression (dynamic error compensation)
Der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Eingangssignal der piezoelektrischen Wandler und dem Schalldruckpegel der Differenztöne ist nichtlinear. Mit einer Kompensationsschaltung läßt sich eine lineare Übertragung erzielen.The relationship between the electrical input signal of the piezoelectric transducers and the sound pressure level of the differential tones is non-linear. A linear transmission can be achieved with a compensation circuit.
Linearisierung des FrequenzgangsLinearization of the frequency response
Mit einer Frequenzganglinearisierung, die insbesondere bei piezoelektrischen Wandlern mit stark nichtlinearem Frequenzgang erforderlich ist, werden frequenzabhängige Amplitudenfehler des Übertragungssystems ausgeglichen. Die Entzerrung kann vor der Modulation im Niederfrequenzbereich erfolgen oder nach der Modulation im Ultraschallbereich. Die Entzerrung nach der Modulation hat den Vorteil, daß dadurch die Aussteuerungsreserve des Modulators bei einer Anhebung eines Frequenzbereiches nicht eingeschränkt wird.Frequency response linearization, which is required in particular in the case of piezoelectric transducers with a strongly nonlinear frequency response, compensates for frequency-dependent amplitude errors in the transmission system. The equalization can take place before the modulation in the low frequency range or after the modulation in the ultrasound range. Equalization after modulation has the advantage that the modulation reserve of the modulator is not restricted when a frequency range is raised.
Flächenbezogene EntzerrungArea equalization
Im abgestrahlten Ultraschallkegel entsteht die Differenztonwelle. Der Querschnitt des Kegels hat dabei einen Einfluß auf den resultierenden Audio-Frequenzgang. An einer Grenzfläche, die in den Schallstrahl hineingehalten wird, entsteht das hörbare Signal. Die untere Grenzfrequenz hängt dabei von der Querschnittsfläche des in den Strahl gebrachten Gegenstandes ab. Um für einen Reflektor an einer Wand einen linearen Frequenzgang zu erzielen, ist eine auf die Fläche des Reflektors abgestimmte Entzerrung notwendig.The difference sound wave arises in the emitted ultrasound cone. The cross-section of the cone has an influence on the resulting audio frequency response. The audible signal is generated at an interface that is held into the sound beam. The lower limit frequency depends on the cross-sectional area of the object placed in the beam. To create a linear for a reflector on a wall To achieve a frequency response, an equalization that is tailored to the surface of the reflector is necessary.
Entfernungsbezogene EntzerrungDistance-related equalization
Das Maximum des Schalldrucks ergibt sich in einer bestimmten Entfernung von der Quelle. Es tritt für verschiedene Audiofrequenzen in unterschiedlichen Abständen auf. Ein linearer Frequenzgang kann sich deshalb für eine bestimmte Entfernung nur durch eine spezielle entfernungsbezogene Entzerrung einstellen. Die Signalverarbeitung muß deshalb für einen linearen Frequenzgang eine spezielle entfernungsabhängige Frequenzgangentzerrung beinhalten.The maximum of the sound pressure results at a certain distance from the source. It occurs at different intervals for different audio frequencies. A linear frequency response can therefore only be achieved for a certain distance by special distance-related equalization. The signal processing must therefore include a special distance-dependent frequency response equalization for a linear frequency response.
Erhöhung des Schalldrucks durch große Anzahl von WandlernIncreasing the sound pressure through a large number of transducers
Um den hohen Ultraschall-Pegel zu erzeugen, wird eine größere Anzahl von Wandlern parallelgeschaltet.To generate the high ultrasound level, a larger number of transducers are connected in parallel.
Die Anordnung der Wandler spielt dabei eine Rolle: sind die Wandler auf einer Platte dichtestmöglich angeordnet, so ist die Tiefenwiedergabe des Lautsprechers leiser als bei einer Anordnung, bei der die gleiche Anzahl an Wandlern ringförmig angebracht ist.The arrangement of the transducers plays a role here: If the transducers are arranged as close as possible on a plate, the depth reproduction of the loudspeaker is quieter than in an arrangement in which the same number of transducers is attached in a ring.
Modulation durch Digital Signal ProcessingModulation through digital signal processing
Die beschriebene analoge Amplitudenmodulation läßt sich auch digital realisieren. Multiplikation einer Sinusschwingung (Träger) mit einem Niederfrequenzsignal, teilweise Unterdrückung des Trägers sowie Unterdrückung des unteren Seitenbandes sind mit einem DSP-Baustein möglich - Figur 3 -. Frequenzgangkorrekturen lassen sich ebenfalls relativ einfach durchführen. NichtlinearitätsparameterThe described analog amplitude modulation can also be implemented digitally. Multiplication of a sine wave (carrier) with a low-frequency signal, partial suppression of the carrier and suppression of the lower sideband are possible with a DSP module - FIG. 3 -. Frequency response corrections can also be carried out relatively easily. Nonlinearity parameter
Die Höhe des Audioschalldrucks hängt u.a. vom Nichtlinearitätsparameter des Mediums ab. Für Luft beträgt der Parameter ε =1 ,2. Für das Medium Wasser beträgt ε=3,5, für Wasser mit Luftblasen kann ein Extremwert von ε=5000 angegeben werden. Gegenüber dem Medium Luft kann also theoretisch ein um den Faktor 4000 größerer Schalldruck erreicht werden.The level of audio sound pressure depends, among other things. on the nonlinearity parameter of the medium. For air, the parameter is ε = 1, 2. For the medium water is ε = 3.5, for water with air bubbles an extreme value of ε = 5000 can be specified. Compared to the medium of air, a sound pressure that is 4000 times higher can theoretically be achieved.
Ein geeignetes Medium zwischen Ultraschallstrahler und Hörer kann den Schalldruck des Audiosignals erhöhen.A suitable medium between the ultrasound emitter and the listener can increase the sound pressure of the audio signal.
Der Audioschalldruck kann durch eine weitere Maßnahme vergrößert werden. Bedingt durch die zunehmende Aufsteilung der Wellenfront im Zuge der Ausbreitung was gleichbedeutend ist mit dem Entstehen von Oberwellen. Nach einer Energiebilanz steht die Energie, die in den Oberwellen steckt, nicht für die Differenztonwelle zur Verfügung. Es erfolgt gewissermaßen ein Energiefluß von der Grundwelle zu den Oberwellen. Wenn es gelingt, diesen Energiefluß zu bremsen, so ließe sich der Audioschalldruck vergrößern.The audio sound pressure can be increased by another measure. Due to the increasing division of the wavefront in the course of the propagation, which is synonymous with the creation of harmonics. After an energy balance, the energy contained in the harmonics is not available for the differential sound wave. In a way, there is an energy flow from the fundamental to the harmonics. If this energy flow can be slowed down, the audio sound pressure could be increased.
Ein Realisierungsvorschlag sieht folgendermaßen aus:A proposal for implementation looks like this:
Ein schalldurchiässiges Medium enthält kleine Hohlräume, welche zusammen mit dem Material eine Vielzahl von Heimholtz-Resonatoren ergibt. Die Resonatoren sind auf die ersten Oberwellen des Signals abgestimmt und bremsen dadurch den Energiefluß zu höheren Oberwellen. Füllt man die Hohlräume mit einem nichtlinearen Medium, z.B. einer Flüssigkeit, so läßt sich durch diese Maßnahme ein höherer Wert für den Nichtlinearitätsparameter erzielen, wodurch der Schalldruck der Differenztöne erhöht wurde.A sound-permeable medium contains small cavities, which together with the material result in a large number of Heimholtz resonators. The resonators are tuned to the first harmonics of the signal and thereby brake the energy flow to higher harmonics. If the cavities are filled with a non-linear medium, e.g. a liquid, this measure allows a higher value for the nonlinearity parameter to be achieved, as a result of which the sound pressure of the differential tones has been increased.
Durch diese Technologie lassen sich Reflektoren bauen, die auf passive Weise den Schalldruck der Differenztöne verstärken.This technology makes it possible to build reflectors that passively pass through Increase the sound pressure of the differential tones.
Für einen in die Kopfstütze eines Autos eingebauter Ultraschall-Lautsprecher läßt sich durch die beschriebene „Dämpfungsplatte" ein höherer Audioschall bei gleichzeitig reduziertem Ultraschall erreichen.For an ultrasound loudspeaker built into the headrest of a car, the described “damping plate” enables a higher level of audio sound to be achieved with simultaneously reduced ultrasound.
Für kabellose Kopfhörer ist es denkbar, unhörbaren Ultraschall drahtlos zu übertragen und über den oben beschriebenen Absorber die Differenztöne auf ein hohen Pegel zu verstärken.For wireless headphones, it is conceivable to transmit inaudible ultrasound wirelessly and to amplify the differential tones to a high level using the absorber described above.
Praktische AnwendungenPractical applications
Da hörbarer Schall nur in der Überlagerungszone der gemischten Ultraschallsignale entsteht, ist durch die räumliche getrennte Abstrahlung von Träger- und Seitenbandsignal über eigene Wandler eine nahezu punktförmige „Projektion" des Schalls möglich. Die Abstrahlung beider Signale über einen einzigen Wandler bzw. ein Wandlerarray hingegen verändert die punktförmige in eine linienförmige Charakteristik eintlang der Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls.Since audible sound is only generated in the overlapping zone of the mixed ultrasound signals, the spatially separated radiation of carrier and sideband signals via own transducers enables an almost point-like "projection" of the sound. The radiation of both signals via a single transducer or a transducer array, however, changes the point-like into a linear characteristic along the direction of propagation of the ultrasound.
Praktische Anwendungen des Ultraschall-Lautsprechers sind in erster Linie solche, bei denen die starke Richtwirkung des Lautsprechers ausgenutzt wird. Bei den Anwendungen a) - e) sorgt ein absorbierendes Material hinter dem zu beschallenden Bereich dafür, eine rückwärtige Reflexion des Ultraschalls zu verhindern.Practical applications of the ultrasound speaker are primarily those in which the strong directivity of the speaker is used. In applications a) - e), an absorbent material behind the area to be sonicated prevents backward reflection of the ultrasound.
a) Kunstobjekte die „sprechen" Beschallung eines Kunstobjektes derart, daß der Schall nur in unmittelbarer Umgebung des Objektes hörbar ist. Der Wandler kann bspw. Über dem Objekt angeordnet werden und ist nur innerhalb eines kleinen Bereichs um das Objekt herum hörbar. Eine Beschallung des umliegenden Bereichs erfolgt dadurch nicht. b) Aktive Lärmkompensation für Auto, Flugzeug, Bus, Zug: Mit einem Mikrofon wird das Umgebungsgeräusch aufgenommen und analysiert. Mit einer elektronischen Schaltung wird ein Signal mit entgegengesetzter Phase erzeugt und mit dem Ultraschall-Übertragungsverfahren sitzplatzabhängig und gerichtet abgestrahlt. Die Überlagerung des Schalls mit dem erzeugten Gegenschall bewirkt eine Umgebungsgeräuschminderung.a) Art objects that "speak" sonication of an art object in such a way that the sound can only be heard in the immediate vicinity of the object. The transducer can, for example, be arranged above the object and can only be heard within a small area around the object surrounding area does not occur. b) Active noise compensation for cars, planes, buses, trains: The ambient noise is recorded and analyzed with a microphone. With an electronic circuit, a signal with the opposite phase is generated and with the ultrasound transmission method it is emitted in a directional and seat-dependent manner. The superimposition of the sound with the counter-sound produced reduces the ambient noise.
c) Konferenzsysteme zur räumlich adressierbaren Beschallung in verschiedenen Sprachen: In Konferenzräumen werden die einzelnen Sitzplätze selektiv beschallt, ohne daß der jeweilige Nachbar gestört wird. So lassen sich verschiedene Sprachen gleichzeitig und ohne Kopfhörer übertragen.c) Conference systems for spatially addressable sound in different languages: In conference rooms, the individual seats are selectively sounded without the respective neighbor being disturbed. Different languages can be transmitted simultaneously without headphones.
d) Lautsprecher im Flugzeug, Bus, Zug als Kopfhörerersatz: Die starke Richtwirkung des Ultraschall-Lautsprechers ermöglicht eine Beschallung mit Lautsprechern statt mit Kopfhörern. Dies ist durch Realisierung von elektrisch oder mechanisch schwenkbare Strahler möglich und erlaubt ein .Audio on Demand".d) Loudspeakers in the airplane, bus, train as a replacement for headphones: The strong directional effect of the ultrasound loudspeaker enables sound to be delivered using loudspeakers instead of headphones. This is possible through the implementation of electrically or mechanically swiveling spotlights and allows "audio on demand".
e) Gerichtete Beschallung auf der Bühne (Souffleuse)e) Directed sound on stage (prompter)
f) Im Auto als adressierbarer Lautsprecher (Im Dachhimmel oder Kopfstütze angebrachte Wandler sind über ein Bedienfeld mit Matrixdisplay steuerbar)f) In the car as an addressable loudspeaker (transducers installed in the headlining or headrest can be controlled via a control panel with a matrix display)
g) Beschallung von Computer-Arbeitsplätzen am Monitor. Um die Bildröhre des Monitors herum sind Wandler angebracht. Der Schall ist damit nur direkt vor dem Monitor hörbar.g) Sound from computer workstations on the monitor. Transducers are attached around the picture tube of the monitor. The sound is only audible in front of the monitor.
h) „Ultraschalltapete" oder Ultraschalldecke zur aktiven Lärmkompensation im Heim, Funktion s.o.h) "Ultrasound wallpaper" or ultrasound ceiling for active noise compensation in the home, function see above.
i) Surround-Lautsprecher: Ausnutzung von Wandreflexionen: „Projektion" der Surroundinformation auf die Raumwände, an denen sich virtuelle Schallquellen befinden sollen. Die hinteren Boxen müssen damit nicht zwangsläufig hinter dem Hörer aufgestellt werden.i) Surround speakers: exploitation of wall reflections: "projection" of the Surround information on the room walls where virtual sound sources are to be located. The rear speakers do not necessarily have to be placed behind the listener.
j) Beschallung bei PA-Anwendungen: Akustische „Ausleuchtung" ganz bestimmter Zonen. Dabei Abgrenzung der umliegenden Bereiche (Audio on Demand).j) PA systems for PA applications: Acoustic "illumination" of very specific zones. Thereby, delimitation of the surrounding areas (audio on demand).
k) Freisprecheinrichtung (im Auto zum Telefonieren): Durch die starke Richtwirkung des Lautsprechers läßt sich bei geeigneter Anbringung des Mikrofons erreichen, daß es zwischen Lautsprecherschall und dem aufgenommenen Mikrofonschall zu keiner akustischen Rückkopplung kommt. Kombination aus Ultraschall- Lautsprecher und Richtmikrofon zur Vermeidung einer akustischen Rückkopplung: Der Lautsprecher ist bspw. über dem Zuhörer angeordnet während das Richtmikrofon frontal auf den Sprecher gerichtet ist. Der stark gerichtete Schall des Ultraschall-Lautsprechers erreicht das Mikrofon nicht, so daß keine akustische Rückkopplung entstehen kann (z.B. in TV-studios bei Zuschauerfragen.k) Hands-free system (in the car for telephoning): Due to the strong directivity of the loudspeaker, the microphone can be attached appropriately so that there is no acoustic feedback between the loudspeaker sound and the recorded microphone sound. Combination of ultrasound loudspeaker and directional microphone to avoid acoustic feedback: The loudspeaker is arranged above the listener, for example, while the directional microphone is directed towards the speaker. The strongly directed sound of the ultrasound loudspeaker does not reach the microphone, so that there can be no acoustic feedback (e.g. in TV studios for viewer questions.
I) Ist an jedem Sitzplatz ein Ultraschall-Lautsprecher installiert, so läßt sich einI) If an ultrasound loudspeaker is installed at each seat, one can
Telefonat an jeden Sitzplatz weiterleiten, ohne daß der Telefonhörer weitergereicht werden muß.Forward the call to every seat without having to hand over the phone.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren zur Wiedergabe von Audioschall wird über einen speziellen Wandler ausschließlich unhörbarer Ultraschall in die Luft abgestrahlt.In the method for reproducing audio sound described here, only inaudible ultrasound is emitted into the air via a special transducer.
Durch nichtiineare Effekte in der Luft wird bei hohem Schalldruck und der Überlagerung zweier Ultraschallwellen hörbarer Schall erzeugt. Die im Vergleich zu üblichen Audiosignalen hohe Frequenz des Ultraschalls bewirkt, daß die Abstrahlung des Schalls wegen seiner kleinen Wellenlänge und der im Vergleich dazu relativ großen Wandlerabmessungen stark räumlich gerichtet erfolgt. Die Frequenzabhängigkeit der Richtcharakteristik herkömmlicher Lautsprecher (Kugelstrahler bei tiefen Frequenzen, Richtstrahler bei hohen Frequenzen) tritt bei diesem Lautsprecher kaum auf.Non-linear effects in the air produce audible sound at high sound pressure and the superposition of two ultrasonic waves. The high frequency of ultrasound in comparison to conventional audio signals has the effect that the radiation of the sound is relative because of its small wavelength and in comparison to it large transducer dimensions are strongly spatially directed. The frequency dependence of the directional characteristics of conventional loudspeakers (spherical emitters at low frequencies, directional emitters at high frequencies) hardly occurs with this loudspeaker.
Das Verfahren verbindet niederfrequenten Audioschall mit der starken Richtcharakteristik des Ultraschalls. Die Richtcharakteristik des Lautsprechers ist damit nahezu unabhängig von der Signalfrequenz.The process combines low-frequency audio sound with the strong directional characteristic of ultrasound. The directional characteristic of the loudspeaker is therefore almost independent of the signal frequency.
Reduzierung der Verzerrungen bei AmplitudenmodulationReduction of distortion with amplitude modulation
Die Abstrahlung des modulierten Signals erfolgt mit Ultraschallwandlern. Handelt es sich bei dem Signal um ein zweiseitenmoduliertes AM-Signal, so lassen sich prinzipbedingte Verzerrungen folgendermaßen reduzieren:The modulated signal is emitted using ultrasonic transducers. If the signal is a two-sided modulated AM signal, distortions caused by the principle can be reduced as follows:
1. durch schmalbandige Wandler mit hoher Güte1. through narrowband converters with high quality
2. bei breitbandigen Wandlern durch ein vorgeschaltetes Filter2. with broadband converters through an upstream filter
Bei schmalbandigen Wandlern entfällt das Filter, da die Übertragungsfunktion der Wandler bereits der eines schmalbandigen Filters äquivalent ist.The filter is omitted in the case of narrowband converters, since the transfer function of the converters is already equivalent to that of a narrowband filter.
Das System ist so abzustimmen, daß die Trägerfrequenz ca. auf dem -6dB Punkt der Filterflanke zu liegen kommt. Das Abschneiden des unteren Seitenbandes bewirkt eine Reduktion der Verzerrungen.The system is to be tuned so that the carrier frequency comes to lie approximately at the -6dB point of the filter edge. Cutting the lower sideband reduces the distortion.
Temperaturabhängige Drift der Filterflanke von schmalbandigen Wandlern und Filtern muß durch Nachführen der Trägerfrequenz kompensiert werden. Die Nachführung der Trägerfrequenz erfolgt möglichst in Signalpausen.Temperature-dependent drift of the filter flank of narrowband converters and filters must be compensated for by tracking the carrier frequency. The carrier frequency is updated as far as possible in signal pauses.
Bei Sprachwiedergabe sollte zur Erhöhung der Sprachverständlichkeit eine Signalfilterung des zu modulierenden Audiosignals vorgenommen werden. Das Filter ist so auszulegen, daß ab der Signalfrequenz von 1 kHz eine Dämpfung von 3dB/Okt. erfolgt. Reduzierung der Verzerrungen infolge der WandlergeometrieIn the case of speech reproduction, the audio signal to be modulated should be filtered to increase speech intelligibility. The filter is to be designed in such a way that an attenuation of 3dB / oct. he follows. Reduction of distortion due to the converter geometry
Überschreiten die Wandlerabmessungen den Wert von ca. % der niedrigsten abzustrahlenden Niederfrequenz-Wellenlänge, so treten im Nahfeld des Wandlers in zunehmendem Maß Verzerrungen durch Laufzeitunterschiede der Signale auf. Die Abmessungen des Wandlers sollten deshalb kleiner als die genannte Wellenlänge dimensioniert werden.If the transducer dimensions exceed the value of approx.% Of the lowest low-frequency wavelength to be emitted, distortions due to time differences of the signals increasingly occur in the near field of the transducer. The dimensions of the transducer should therefore be dimensioned smaller than the wavelength mentioned.
Ergänzung zur technischen Umsetzung der ModulationSupplement to the technical implementation of the modulation
Eine noch stärker gerichtete Abstrahlung des Audiobandes läßt sich folgendermaßen erreichen:An even more directed radiation of the audio tape can be achieved as follows:
Der Schalldruck des Audiobandes hängt ab vom Produkt der Schalldrücke des Trägersignals und des Seitenbandes. Durch die Erhöhung des Schalldrucks - entweder des Trägers oder des Seitenbandes - erhöht sich der resultierende Schalldruck im Audiofrequenzbereich. Die Abstrahlung eines breiten Frequenzbereichs bei hohem Schalldruck bereitet gewisse Schwierigkeiten.The sound pressure of the audio band depends on the product of the sound pressure of the carrier signal and the sideband. By increasing the sound pressure - either the carrier or the sideband - the resulting sound pressure increases in the audio frequency range. The emission of a wide frequency range at high sound pressure poses certain difficulties.
Die Abstrahlung von Träger und Seitenband über einen Wandler bzw. eine Wandlergruppe stellt große Anforderungen an die Wandler. Durch nahezu identisch Abstrahlungsbedingungen von Träger und Seitenband entsteht die Audiowelle im gesamten Überlagerungsbereich der Signale. Dies führt zu einer relativ breiten Abstrahlung. Eine noch schärfere Richtwirkung läßt sich erreichen, indem man Träger und Seitenband über getrennte Wandler abstrahlt:The radiation from the carrier and sideband via a transducer or a transducer group places great demands on the transducers. Due to almost identical radiation conditions of the carrier and the sideband, the audio wave is generated in the entire overlapping area of the signals. This leads to a relatively broad radiation. An even sharper directional effect can be achieved by radiating the carrier and side band via separate transducers:
Ein spezieller, sehr schmalbandiger, empfindlicher und sehr richtstarker Wandler erzeugt das Trägersignal, während das Seitenband mit einem breitbandigeren Wandler/Wandlerarray überlagert wird. Da sich der Audioschalldruck aus dem Produkt der beiden zu überlagernden Ultraschall-Schalldrücke ergibt, läßt sich über den Schalldruck des Trägers in weiten Grenzen der Schalldruck der Audiowelle einstellen und gleichzeitig bei gering eingestellten Lautstärken der Pegel des Ultraschallträgers reduzieren. Die Überlagerung der Schallwellen und Erzeugung von Mischprodukten erfolgt jedoch nur in dem Bereich, wo beide Schallwellen gleichermaßen den Raum erfüllen. Durch die sehr starke mögliche Richtcharakteristik des Trägerstrahlers ergibt sich daraus auch für die Audiowelle eine sehr ausgeprägte Richtwirkung.A special, very narrow-band, sensitive and very directional converter generates the carrier signal, while the sideband is overlaid with a broadband converter / converter array. Since the audio sound pressure results from the product of the two ultrasonic sound pressures to be superimposed, adjust the sound pressure of the wearer within wide limits the sound pressure of the audio wave and at the same time reduce the level of the ultrasound wearer at low volume levels. However, the superposition of the sound waves and the generation of mixed products takes place only in the area where both sound waves equally fill the room. The very strong possible directional characteristic of the carrier radiator also results in a very pronounced directional effect for the audio wave.
Absorption des Ultraschallsignals durch ein UltraschallfilterAbsorption of the ultrasound signal by an ultrasound filter
Zur Erzeugung des Audiosignals aus dem modulierten Ultraschallsignal ist eine bestimmte Wegstrecke erforderlich, entlang der sich die Welle in der Luft demoduliert. Hat der Ultraschall die erforderliche Wegstrecke zurückgelegt, so bewirkt ein für Audiofrequenzen durchlässiges, jedoch für Ultraschall undurchlässiges Filter, daß zwar die Audiowelle gut hörbar ist, das Ultraschallsignal aber stark bedämpft wird. Auf die Richtcharakteristik des Wandlers hat das Filter keine signifikante Auswirkung.To generate the audio signal from the modulated ultrasound signal, a certain path is required along which the wave demodulates in the air. If the ultrasound has covered the required distance, a filter that is permeable to audio frequencies but impermeable to ultrasound means that although the audio wave is clearly audible, the ultrasound signal is strongly attenuated. The filter has no significant effect on the directional characteristic of the converter.
Das Filter muß so beschaffen sein, daß es Frequenzen oberhalb des Hörbereichs stark bedämpft, während Audiofrequenzen nur eine geringe Dämpfung erfahren. Angeordnet wird es sinnvollerweise am Ende der Generationszone.The filter must be designed in such a way that it strongly attenuates frequencies above the listening area, while audio frequencies experience only a slight attenuation. It is sensibly arranged at the end of the generation zone.
Da für niedrige Audiofrequenzen eine lange Generationszone erforderlich ist, läßt sich durch Variation des Abstandes zwischen Wandler und Absorber die untere Grenzfrequenz des Audiosignals variieren.Since a long generation zone is required for low audio frequencies, the lower limit frequency of the audio signal can be varied by varying the distance between the converter and the absorber.
Anreicherung des Klangbildes durch psychoakustische Effekte Je tiefer die in der Luft demodulierte Frequenz der Audiowelle ist, desto geringer ist der Schalldruck der Welle, bezogen auf konstanten Schalldruck der Ultraschallwellen. Aus physikalischen Gründen können deshalb tiefe Frequenzen nur sehr leise reproduziert werden.Enrichment of the sound image through psychoacoustic effects The lower the frequency of the audio wave demodulated in the air, the lower the sound pressure of the wave, based on the constant sound pressure of the ultrasonic waves. For physical reasons, low frequencies can only be reproduced very quietly.
Um den subjektiven Eindruck zu erzeugen, tiefe Töne zu reproduzieren, welche objektiv gar nicht vorhanden sind, läßt sich durch Signalbearbeitung ein bestimmtes Obertonspektrum erzeugen, welches diesen Eindruck entstehen läßt. Eine Vorverzerrung des Audiosignals ist dafür erforderlich. Der Modulator enthält eine Schaltung, die diese Funktion erfüllt.In order to create the subjective impression of reproducing deep tones that are not objectively present, a certain overtone spectrum can be generated by signal processing, which gives rise to this impression. Predistortion of the audio signal is required for this. The modulator contains a circuit that fulfills this function.
Weitere AnwendungenMore applications
Virtueller LautsprecherVirtual speaker
Um ein Schallobjekt scheinbar im Raum wandern zu lassen, ist es mit herkömmlicher Lautsprechertechnik notwendig, den Lautsprecher im Raum zu bewegen. Wirkungsvoller läßt sich dieser Effekt mit dem Ultraschall-Lautsprecher erzielen.In order to make a sound object appear to move in the room, it is necessary to move the speaker in the room using conventional loudspeaker technology. This effect can be achieved more effectively with the ultrasonic loudspeaker.
Durch Ausnutzung der reflektierenden Eigenschaften für Ultraschall schallharter Oberflächen läßt sich erreichen, daß die Reflexion des Ultraschall-Lautsprechers an einer Wand o.a. ähnlich dem in einem Spiegel reflektierten Lichtstrahl wahrgenommen wird und somit eine virtuelle Quelle entsteht. Z. B. zwei Realisierungen sind möglich:By using the reflective properties for ultrasound hard surfaces, it can be achieved that the reflection of the ultrasound speaker on a wall or the like. similar to the light beam reflected in a mirror is perceived and a virtual source is created. For example, two implementations are possible:
1. Dreh- und schwenkbar aufgehängter US-Lautsprecher1. Rotatable and swivel-mounted US loudspeaker
2. Fest aufgehängter US-Lautsprecher, der auf einen beweglich montierten Reflektor strahlt. Räumliche Signalmitführung durch mitlaufenden Wandler2. Fixed US loudspeaker that shines on a movably mounted reflector. Spatial signal transmission by a moving converter
Bei Bewegung des Zuhörers, z.B. auf einem Laufband, Rolltreppe o.a. läßt sich durch Schwenken des Wandlers das Audiosignal mitführen, so daß nur der sich bewegende Zuhörer beschallt wird, der umgebende Raumbereich jedoch nicht.When the listener moves, e.g. on a treadmill, escalator or similar can be carried by swiveling the transducer, so that only the moving listener is sonicated, but not the surrounding area.
Ein Mitbewegen des Audioschalls kann auch auch mit einem mit der Laufgeschwindigkeit des Laufbandes / der Rolltreppe synchronisierten Zuschalten von über dem Zuhörer befindlichen Ultraschallstrahlern erfolgen, welche immer nur die Raumbereiche beschallen, in denen sich der Zuhörer gerade bewegt.Moving the audio sound can also take place with a connection of ultrasound emitters located above the listener, which are synchronized with the running speed of the treadmill / escalator, and which only sound at the areas of the room in which the listener is currently moving.
Räumliche Signalmitführung durch phased arraySpatial signal transmission through phased array
Durch gezielte Ansteuerung einzelner Wandlerelemente eines array ist eine räumliche Signalmitführung (bei der starken Richtcharakteristik des Ultraschall- Lautsprechers) möglich, ohne dabei den Ultraschallstrahler zu bewegen. Das Verfahren ist eine Kombination aus der Technik des „phased array" und dem oben beschriebenen „Ultraschall-Lautsprecher".By specifically controlling individual transducer elements of an array, it is possible to carry a spatial signal (given the strong directional characteristic of the ultrasound loudspeaker) without moving the ultrasound emitter. The method is a combination of the "phased array" technique and the "ultrasound loudspeaker" described above.
Figur 4a und 4b zeigen die Ausbreitung einer Audioschallwelle, die von einem Ultraschallwandler erzeugt wird. Hierbei wird von dem Ultraschallstrahler (Ultraschallwandler) beispielsweise die Frequenzen f,=101kHz und f2=100kHz gleichzeitig abgestrahlt. Ähnlich einer (nichtlinearen) Mischstufe eines AM- Mittelwellenempfänger entstehen nun im Ultraschallstrahl in der Luft die Mischprodukte f,+f2=201 Hz und f,-f2=1kHz und deren Vielfache. Die Sumenfrequenz f, und f2=201kHz ist für den Menschen nicht hörbar, wohl aber die Differenzfrequenz f,- f2=1kHz. Man kann sich nun leicht vorstellen, daß man f, mit dem Audiofrequenzbereich Δf= 100...20kHz zu f,=100kHz+Δf moduliert. Im Ultraschallstrahl entsteht dann durch die Mischung an der Nichtlinearität der Luft u.a. auch genau die Audiofrequenz 100Hz...20kHz, wobei diese eine ähnlich starke Bündelung besitzt wie sie durch den Ultraschallstrahl vorgegeben ist.FIGS. 4a and 4b show the propagation of an audio sound wave that is generated by an ultrasound transducer. In this case, the frequencies f, = 101 kHz and f 2 = 100 kHz, for example, are emitted simultaneously by the ultrasound emitter (ultrasound transducer). Similar to a (non-linear) mixing stage of an AM medium-wave receiver, the mixed products f, + f 2 = 201 Hz and f, -f 2 = 1kHz and their multiples are created in the ultrasonic beam in the air. The sum frequency f, and f 2 = 201kHz is not audible for humans, but the difference frequency f, - f 2 = 1kHz. It is easy to imagine that one modulates f with the audio frequency range Δf = 100 ... 20kHz to f, = 100kHz + Δf. The mixture of the non-linearity of the air then creates exactly the audio frequency 100Hz ... 20kHz, among other things, whereby this has a similarly strong concentration as it is predetermined by the ultrasound beam.
In der Mischzone des Ultraschallstrahls entstehen virtuelle Audioschallquellen (virtuelle Lautsprecher) die in Richtung des fortlaufenden Ultraschalls aufaddiert werden, denn Ultra- und Audioschall pflanzen sich mit der gleichen Schallgeschwindigkeit (340m/s) fort. Man sich diesen Effekt an einem Modell vorstellen. Auf einer Leiste sind kleine Lautsprecher eng aneinander montiert, die alle als Kugelstrahler Audioschall abstrahlen können (Figur 5) und die zeitverzögert mit dem gleichen Audiosignal angesteuert werden. Die Zeitverzögerung t zwischen zwei Lautsprechern wird so gewählt, daß sie exakt der Zeit entspricht, die die Schallwelle von einem zum nächsten Lautsprecher benötigt. Sie kann durch die Beziehung t=c/lL (c=Schallgeschwindigkeit) bestimmt werden. Der vom ersten Lautsprecher ausgehende Schall wird vom zweiten verstärkt usw. Durch die Vielzahl der Lautsprecher (im Ultraschallstrahl entstehen quasi unendlich viele virtuelle Schallquellen) die mit der Laufzeit des Schalls ortsabhängig zugeschaltet werden, entsteht eine sehr strarke Bündelung des Audioschalls.In the mixing zone of the ultrasound beam, virtual audio sound sources (virtual loudspeakers) are created, which are added up in the direction of the continuous ultrasound, because ultrasound and audio sound propagate at the same speed of sound (340m / s). You can imagine this effect on a model. Small loudspeakers are mounted close to each other on a bar, all of which can emit audio sound as spherical emitters (FIG. 5) and which are controlled with the same audio signal with a time delay. The time delay t between two speakers is chosen so that it corresponds exactly to the time that the sound wave needs from one speaker to the next. It can be determined by the relationship t = c / l L (c = speed of sound). The sound coming from the first loudspeaker is amplified by the second, etc. The large number of loudspeakers (an infinite number of virtual sound sources arise in the ultrasound beam), which are switched on depending on the location with the duration of the sound, results in a very strong bundling of the audio sound.
Der Audioschall beim erfindungsgemäßen Ultraschallstrahl entsteht im Ultraschallstrahl selbst. Im Gegensatz zur Abstrahlung durch einen herkömmlichen Lautsprecher wird er mit zunehmender Entfernung zunächst lauter, bis der Ultraschallpegel soweit abgenommen hat, daß der nichtlineare Effekt der Luft nicht mehr wirkt und somit keine Anteile mehr zur Audioschallerzeugung hinzuaddiert werden. Die Länge der aktiven Zone der Audioschallerzeugung im Ultraschallstrahl bestimmt die untere Grenzfrequenz der gerichteten Audioschallquelle. Es müssen mindestens so viele virtuelle Schallquellen vorhanden sein, daß die aktive Zone mehrere Wellenlängen bei der unteren Grenzfrequenz lang ist. Deshalb erfordern Audiofrequenzen unter 100Hz große Abstände des Zuhörers vom Ultraschallstrahier (und damit auch hohe Ausgangsleistungen). Einen Lösungsansatz bietet die Nutzung psychoakustischer Signalbearbeitung, wie vorstehend beschrieben. Aus den beiden beschriebenen Effekten folgt, daß der Pegel und die untere Wiedergabefrequenz des Audiosignals ortsabhängig sind. Der zur Erzeugung des Audioschalls prinzipiell notwendige hohe Ultraschallpegel muß nur in der aktiven Zone des Ultraschallstrahls vorhanden sein. Ist der gerichtete Audoschallstrahl erst einmal erzeugt, kann man den Ultraschallanteil mit einem akustischen Tiefpaßfilter (audioschalldurchlässiger Ultraschallabsorber) eliminieren.The audio sound in the ultrasound beam according to the invention is generated in the ultrasound beam itself. In contrast to the radiation from a conventional loudspeaker, it initially becomes louder with increasing distance until the ultrasound level has decreased to such an extent that the non-linear effect of the air no longer acts and therefore no more components are added to the audio sound generation become. The length of the active zone of audio sound generation in the ultrasound beam determines the lower limit frequency of the directional audio sound source. There must be at least as many virtual sound sources that the active zone is several wavelengths long at the lower cut-off frequency. For this reason, audio frequencies below 100 Hz require large distances between the listener and the ultrasound emitter (and therefore also high output powers). The use of psychoacoustic signal processing, as described above, offers a solution. It follows from the two effects described that the level and the lower reproduction frequency of the audio signal are location-dependent. The high ultrasound level, which is in principle necessary for generating the audio sound, only has to be present in the active zone of the ultrasound beam. Once the directed audio sound beam has been generated, the ultrasound component can be eliminated with an acoustic low-pass filter (ultrasound absorber that is permeable to audio sound).
Figur 6a und 6b zeigen typische Anwendungsbeispiele des Ultraschallstrahlers, welcher unter einer Decke angeordnet ist und die mit Audiosignalen modulierten Ultraschallstrahlen auf eine Wand richtet, von welcher eine ultraschallabsorbierende Beschichtung (Ultraschalireflexionsbelag) so ausgerichtet, daß Ultraschall absorbiert wird, aufweist. Die dann reflektierten Audiosignale sind ultraschallfrei und können vom Menschen vor der Wand gehört werden.FIGS. 6a and 6b show typical application examples of the ultrasound emitter, which is arranged under a ceiling and which directs ultrasound beams modulated with audio signals onto a wall, of which an ultrasound-absorbing coating (ultrasound reflection coating) is oriented so that ultrasound is absorbed. The then reflected audio signals are free of ultrasound and can be heard by people in front of the wall.
Für die Ultraschallwandler selbst kann ein üblicher Ultraschallwandler verwendet werden. Besonders geeignet sind aber auch Ultraschall-Folienwandier, die nach Art eines Kondensator- (Elektret)Wandlers eine Folie und einer entsprechend (mit Rillen oder Löchern) ausgebildeten Gegenelektrode aufweisen.A conventional ultrasonic transducer can be used for the ultrasonic transducer itself. However, ultrasound foil converters are also particularly suitable which, in the manner of a capacitor (electret) transducer, have a foil and a correspondingly designed counter electrode (with grooves or holes).
Vorteilhaft ist auch die Ausführungsvariante, bei der mittels einer Abstandsmesseinrichtung zu einer Ultraschallmesseinrichtung ermittelt wird, wo sich ein zu beschallender Zuhörer befindet. Wenn dieser sich in einem kritischen Bereich Ultraschallstrahls befindet, der gesundheitsschädlich sein könnte, wird die Ultraschallwiedergabe abgeschaltet, damit die jeweilige Person (oder das Tier) nicht zu hohen Ultraschallpegeln ausgesetzt wird. Wenn der Ultraschall auf einen bestimmten Bereich gerichtet werden soll und wenn dieser Bereich sich auch noch bewegt (dies ist z. B. bei einem einzelnen Zuhörer der Fall, welcher sich auf einer Bühne bewegt und beschallt werden soll) so ist es hierfür vorteilhaft, wenn eine Einrichtung ausgebildet ist, mittels der der zu beschallende Zuhörer aktuell lokalisiert werden kann, so dass dann die Beschallung bevorzugt nur auf den lokalisierten Bereich erfolgt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der zu beschallende Hörer eine Sendeeinrichtung mit Navigation (z. B. GPS) mit sich trägt und somit ständig seine eigenen Navigationsdaten an eine Empfangseinrichtung sendet, die ihrerseits zur Steuerung der Schwenkung des Ultraschallstrahls herangezogen wird. Auch könnte der zu beschallende Zuhörer mit einem sogenannten TAG-Identifyer ausgestattet sein, dessen genaue Position von einem entsprechenden Interogator (Abfrageeinheit für das TAG) ermittelt wird, mit welchem dann seinerseits die Schwenkung der Ultraschallstrahlen gesteuert wird. Aber auch alle anderen technischen Möglichkeiten zur Lokalisation eines einzelnen Bereichs oder mehrerer Bereiche können verwendet werden, um die Schwenkung eines Ultraschallstrahls zu steuern, so dass dann immer nur in dem gewünschten engen Bereich die Audiowiedergabe zu hören ist, nicht jedoch außerhalb des gewünschten Bereichs.The embodiment variant is also advantageous, in which a distance measuring device to an ultrasonic measuring device is used to determine where a listener to be exposed to is located. If this is in a critical area of the ultrasound beam that could be harmful to health, the ultrasound reproduction is switched off so that the person (or the animal) is not exposed to excessive ultrasound levels. If the ultrasound is to be directed to a specific area and if this area is also moving (this is the case, for example, with a single listener who is moving on a stage and is to be irradiated), it is advantageous for this if a device is designed by means of which the listener to be sonicated can currently be localized, so that the sonication then preferably only to the localized one Area. This can be achieved, for example, in that the listener to be sonicated carries a transmitting device with navigation (e.g. GPS) and thus constantly sends his own navigation data to a receiving device, which in turn is used to control the pivoting of the ultrasound beam. The listener to be sounded could also be equipped with a so-called TAG identifier, the exact position of which is determined by a corresponding interogator (interrogation unit for the TAG), which in turn controls the pivoting of the ultrasound beams. However, all other technical possibilities for localizing a single area or several areas can also be used to control the swiveling of an ultrasound beam, so that the audio reproduction can then only be heard in the desired narrow area, but not outside the desired area.
Solche Anwendungen sind besonders vorteilhaft in einem Theater (für die Souffleuse) oder auch im Fernsehstudio bei einer TV-Show, wenn der sich über die Bühne bewegende Moderator Hinweisungen erhalten soll, die für das übrige Publikum nicht hörbar sein sollen.Such applications are particularly advantageous in a theater (for the prompter) or in the television studio for a TV show, if the moderator moving across the stage is to receive instructions that should not be audible to the rest of the audience.
Die Schwenkung des Ultraschallstrahls kann mit dem in dieser Anmeldung beschriebenden unterschiedlichen Techniken erfolgen, also durch das Schwenken der Ultraschallstrahler oder durch einen schwenkbarren Reflektor oder durch die sogenannte „Phased Array"-Steuerung, wobei die Ultraschallstrahlen richtungelektronisch bestimmt wird. The ultrasound beam can be swiveled using the different techniques described in this application, that is to say by swiveling the ultrasound emitter or by a swiveling reflector or by the so-called “phased array” control, the ultrasound beams being determined electronically in the direction.

Claims

A n s p r ü c h e Expectations
1. Verfahren und Vorrichtung zur Wiedergabe von Audioschall mittels einer Ultraschall erzeugenden Einrichtung, wobei das wiederzugebene Audiosignal durch eine Seitenband-Amplitudenmodulation mit einem Trägersignal im Ultraschallfrequenzbereich verknüpft wird, wobei Mittel vorgesehen sind, das modulierte Ultraschallsignal einer Dynamik-Fehler-Kompensation zu unterwerfen und das kompensierte Ultraschallsignal gegebenenfalls einer Frequenzganglinearisierung unterzogen wird und dann einem Ultraschall-Wandler (Lautsprecher) zugeführt wird, wobei Mittel vorgesehen sind, die Amplitude des Ultraschallträgersignals zu reduzieren (Trägerreduktion).1. A method and apparatus for reproducing audio sound by means of an ultrasound generating device, the reproduced audio signal being linked by a sideband amplitude modulation to a carrier signal in the ultrasound frequency range, means being provided for subjecting the modulated ultrasound signal to dynamic error compensation and the compensated ultrasound signal is optionally subjected to frequency response linearization and then fed to an ultrasound transducer (loudspeaker), means being provided to reduce the amplitude of the ultrasound carrier signal (carrier reduction).
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruchl , dadurch gekennzeichnet, daß in Modulationspausen, wenn also kein Audiosignal wiedergegeben werden soll, das Ultraschall-Signal unterdrückt (stummgeschaltet) wird.2. The method and device according to claim 1, characterized in that the ultrasound signal is suppressed (muted) in modulation pauses, ie when no audio signal is to be reproduced.
3. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das wiederzugebende (noch niederfrequente) Audiosignal vor der Modulation einer Frequenzgangiinearisierung unterworfen wird.3. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized in that the (still low-frequency) audio signal to be reproduced is subjected to a frequency response linearization before the modulation.
4. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das wiederzugebende Audiosignal einer Zweiseitenband-Amplitudenmodulation oder einer Einseitenband- Amplitudenmodulation unterworfen wird.4. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the audio signal to be reproduced is subjected to a double sideband amplitude modulation or a single sideband amplitude modulation.
5. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, den Ultraschallträger um einen Betrag von etwa 8 bis 20 dB, vorzugsweise 12 dB zu unterdrücken. 5. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that means are provided to suppress the ultrasound carrier by an amount of about 8 to 20 dB, preferably 12 dB.
6. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Ultraschallträgersignals im Bereich von etwa 40 kHz bis 500 kHz liegt.6. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the frequency of the ultrasound carrier signal is in the range of about 40 kHz to 500 kHz.
7. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Zweiseitenband-Amplitudenmodulation Mittel vorgesehen sind, das untere Seitenband zu unterdrücken.7. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that means are provided in a double sideband amplitude modulation to suppress the lower sideband.
8. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, nach der Amplitudenmodulation eine Entzerrung (Frequenzgangiinearisierung) durchzuführen.8. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized in that means are provided to carry out an equalization (frequency response linearization) after the amplitude modulation.
9. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Ultraschall-Wandlern vorgesehen ist, die parallel geschaltet sind.9. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of ultrasonic transducers is provided, which are connected in parallel.
10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler auf einer Platte dichtesmöglich angeordnet sind.10. The method and device according to claim 9, characterized in that the transducers are arranged on a plate as close as possible.
11. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation mittels eines digitalen Signalprozessors durchgeführt wird.11. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the modulation is carried out by means of a digital signal processor.
12. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Ultraschallausbreitungsweg ein Wasserluftblasengemisch angeordnet ist.12. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized in that a water air bubble mixture is arranged in the ultrasonic propagation path.
13. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserluftblasengemisch in einer Kopfhörermuschel ausgebildet ist.13. The method and device according to claim 12, characterized in that the water bubble mixture is formed in a headphone cup.
14. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausbreitungsweg der Ultraschallstrahlen ein schalldurchiässiges Medium angeordnet ist, welches Hohlräume enthält, welche zusammen mit dem Mediummaterial eine Vielzahl von Helmholz-Resonatoren aufweisen, welche bevorzugt auf die erste Oberwelle des Ultraschallsignals abgestimmt sind.14. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized in that a sound-permeable medium is arranged in the propagation path of the ultrasound beams, which contains cavities, which together with the medium material have a plurality of Helmholz resonators, which preferably on the first harmonic of the ultrasound signal are coordinated.
15. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume mit einem nichtlinearen Medium gefüllt sind.15. The method and device according to claim 14, characterized in that the cavities are filled with a non-linear medium.
16. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Ultraschall-Wandlern ringförmig angeordnet sind.16. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of ultrasonic transducers are arranged in a ring.
17. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallträgersignal und das Seitenbandsignai und getrennten Wandlern zugeführt wird.17. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the ultrasound carrier signal and the sideband signal and separate transducers is supplied.
18. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß der Öffnungswinkel eines Ultraschallwandlers etwa im Bereich von 0,5 bis 10°, vorzugsweise 1 ° liegt.18. The method and device according to one of the preceding claims, that the opening angle of an ultrasonic transducer is approximately in the range of 0.5 to 10 °, preferably 1 °.
19. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, das Audiosignal einer Vorverzerrung zu unterziehen. 19. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that means are provided for subjecting the audio signal to predistortion.
20. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel ausgebildet sind, den Ultraschallstrahl in eine gewünschte Richtung zu schwenken.20. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that means are designed to pivot the ultrasound beam in a desired direction.
21. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 20, dass Mittel zum Schwenken des Ultraschallstrahls aus einer mechanischen Schwenkeinrichtung des Ultraschallstrahlers und/oder aus einer elektronischen Ansteuerung der Ultraschallstrahler nach Art eines sogenannten „phased array" besteht und/oder dass ein schwenkbarer Reflektor ausgebildet ist, der den Ultraschall in eine gewünschte Richtung reflektiert.21. The method and device according to claim 20, that means for pivoting the ultrasound beam consists of a mechanical pivoting device of the ultrasound emitter and / or of an electronic control of the ultrasound emitter in the manner of a so-called “phased array” and / or that a pivotable reflector is formed which reflects the ultrasound in a desired direction.
22. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallvorrichtung eine Ultraschalltapete bildet, so dass beim Zuhören der Eindruck entsteht, dass der Schall direkt von der Wand (bzw. der Tapete auf der Wand) kommt.22. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the ultrasound device forms an ultrasound wallpaper, so that when listening, the impression arises that the sound comes directly from the wall (or the wallpaper on the wall).
23. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerband des Ultraschallstrahlband und das Ultraschallstrahlseitenband mit unterschiedlichen Wandlern erzeugt wird.23. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier band of the ultrasound beam band and the ultrasound beam side band is generated with different transducers.
24. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Audio-NF-Signal einer psychoakustischen Vorverarbeitung (insbesondere einer psychoakustischen Vorverzerrung) unterworfen wird und hierzu entsprechende Mittel ausgebildet sind.24. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the audio NF signal is subjected to psychoacoustic preprocessing (in particular psychoacoustic predistortion) and appropriate means are designed for this.
25. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als akustisches Laufband ausgebildet ist, so dass Vorbeibewegung eines Zuhörers eines Ultraschallwandlers nur der bewegte Zuhörer beschallt wird, nicht jedoch der umgebende Raumbereich. 25. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized in that the device is designed as an acoustic treadmill, so that the movement of a listener of an ultrasonic transducer is only sounded the moving listener, but not the surrounding area.
26. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ultraschallwandler vorgesehen ist, welcher ausschließlich oder zusätzlich zur Ultraschallaustrahlung als Sende- und/oder Empfangseinrichtung einer auf Ultraschall basierenden Abstandsmesseinrichtung dient.26. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one ultrasound transducer is provided, which serves exclusively or in addition to the ultrasound radiation as a transmitting and / or receiving device of an ultrasound-based distance measuring device.
27. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften des wiederzugebenden Audiosignals, insbesondere dessen untere Grenzfrequenz durch die Größe der Reflektionsfläche bestimmt wird, um somit bevorzugt die Frequenzgangiinearisierung bzw. die Entzerrung des Audiosignals zu kompensieren.27. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized in that the properties of the audio signal to be reproduced, in particular its lower cut-off frequency, is determined by the size of the reflection surface, in order thus to preferably compensate for the frequency response linearization or the equalization of the audio signal.
28. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wiederzugebende Audiosignal in einem Modulator einer Frequenz- und/oder Phasenmodulation unterzogen wird.28. The method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the audio signal to be reproduced is subjected to frequency and / or phase modulation in a modulator.
29. Verwendung einer Ultraschallwiedergabevorrichtung nach einem der vorhergenden Ansprüche in einer Kunstausstellung und/oder in einem Museum oder zur aktiven Lärmkompensation und/oder in Konferenzsystemen und/oder als Lautsprecher als Kopfhörerersatz und/oder zur gerichteten Beschallung auf einer Bühne (Souffleuse) und/oder als adressierbarer Lautsprecher und/oder zur Beschallung von Computer-Arbeitsplätzen und/oder als Surround-Lautsprecher und/oder zur akustischen Beschallung ganz bestimmter Zonen und/oder in einer Freisprecheinrichtung.29. Use of an ultrasound reproduction device according to one of the preceding claims in an art exhibition and / or in a museum or for active noise compensation and / or in conference systems and / or as a loudspeaker as a headphone replacement and / or for directional sound on a stage (souffleuse) and / or as an addressable loudspeaker and / or for the sound reinforcement of computer workstations and / or as a surround loudspeaker and / or for acoustic sound reinforcement in very specific zones and / or in a hands-free system.
30. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Beschallung eines Bereichs, durch den sich der Zuhörer bewegt bzw. durch den der Zuhörer bewegt wird, wobei der Wiedergabepegel des Ultraschallsignals stets auf den bewegten Zuhörer gerichtet ist. 30. Use according to one of the preceding claims, for sonication of an area through which the listener moves or through which the listener is moved, the reproduction level of the ultrasound signal always being directed at the moving listener.
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