EP1760692A2 - Einrichtung zum Erstellen von akustisch isolierten Hörräumen - Google Patents

Einrichtung zum Erstellen von akustisch isolierten Hörräumen Download PDF

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Publication number
EP1760692A2
EP1760692A2 EP06405346A EP06405346A EP1760692A2 EP 1760692 A2 EP1760692 A2 EP 1760692A2 EP 06405346 A EP06405346 A EP 06405346A EP 06405346 A EP06405346 A EP 06405346A EP 1760692 A2 EP1760692 A2 EP 1760692A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lss
signals
signal
sound
rooms
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06405346A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Andreas Elmiger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1760692A2 publication Critical patent/EP1760692A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/175—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using interference effects; Masking sound
    • G10K11/178—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using interference effects; Masking sound by electro-acoustically regenerating the original acoustic waves in anti-phase
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/175—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using interference effects; Masking sound
    • G10K11/178—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using interference effects; Masking sound by electro-acoustically regenerating the original acoustic waves in anti-phase
    • G10K11/1785—Methods, e.g. algorithms; Devices
    • G10K11/17857—Geometric disposition, e.g. placement of microphones

Definitions

  • the invention relates to a method and the required means to equip one or more rooms of a building so that one can generate music and other high-level sound therein, with the adjacent rooms being disturbed as little as possible.
  • the device in its preferred embodiment uses the digital form of signal transmission but is not necessarily reliant on it. In addition, the same device also allows the attenuation of certain disturbing influences in the listening room itself.
  • a special feature of the invention is that it is particularly suitable for low-cost installation with a standard wiring that can be laid during construction, without having to specify the specific forms of future use already.
  • An additional benefit of the device is that at the same time standing waves (modes) in the room itself can be damped.
  • the individual parts of the invention (active absorbers, digital signal processing, fieldbus systems, time synchronization via network, area loudspeakers, etc.) are known, the invention combines these in a special way, which makes possible a structured, production-ready realization of optimally damped listening rooms.
  • the individual, mutually decoupled listening rooms are called SB ("sound boxes").
  • the speakers LS which generate the sound, are preferably incorporated at fixed positions in the walls. On the opposite side of the same wall is also a similar possible speaker.
  • loudspeaker we mean here any device that converts electrical signals into acoustic ones, regardless of the embodiment.
  • Fig. 1 shows this arrangement. Between the speakers LS 1 and LS2 is the damping of the wall (D). This is typically very frequency dependent. If the LS 1 emits a tone of one kilohertz with a level of 60dB and the attenuation D of the wall at that frequency is 40 dB, the loudspeaker LS2 must radiate out of phase with 20 dB to extinguish the sound.
  • LS2 must radiate at 40 dB to achieve extinction.
  • the magnitude of the correction radiation is inversely proportional to the (complex) frequency response of D, here referred to as FDA ("frequency-dependent attenuation").
  • FDA frequency-dependent attenuation
  • the correction signal radiated via LS2 again influences LS1 negatively, ie. H. a correction must also be made for LS1, but it will be considerably weaker.
  • calculating the correction function one must also consider its retroactive effect on the source, which is essentially an infinite, iterative process. But since the influence decreases massively after each step, only a few iterations are required.
  • a simple device which roughly realizes the basic principle of the invention, provides an antiphase coupling of the loudspeakers via a fixed impedance Z, which for symmetry reasons is divided into two equal halves [Fig. 2].
  • the input signal E1 or E2 not only feeds the "own” LS but also generates the correction signal for the opposite LS.
  • Z can be active or passive, but with the loudspeaker it should form a voltage divider that approximates the FDA as well as possible.
  • Z is an ohmic resistance with a weighted average (not all frequencies subjectively interfere equally). Since this value is also dependent on the high frequency-dependent impedance of the LS and typically also causes a frequency-dependent shift of the phase position, this arrangement can only achieve a very rough approximation.
  • the effect is due to the higher speed of sound only at relatively high frequencies of importance in soft building materials and typical insulating mats but it must be considered in the middle frequency band.
  • TPS traveling phase shift
  • the effect of the TPS is proportional to the frequency and thickness of the wall and inversely proportional to the speed of sound in the building material of the wall.
  • the invention in its typical embodiment provides for active compensation. Ideally, this is realized with a sound processor (SP), which in addition to the useful signal for LS 1 also generates a compensation signal for LS2.
  • SP sound processor
  • the parameters of the SP are typically determined by on-site calibration, as many structural influences influence it. In addition to FDA and TPS, there are other effects of lesser importance, which can be recorded by the calibration.
  • a negative feedback of the measured sound by a microphone can be used.
  • this is not the primary concept of the invention and has significant disadvantages, e.g. B. the ability to monitor the rooms through the microphone. In a distributed arrangement with several parties this is a serious weakness.
  • the arrangement of the microphone (or the microphones) is difficult and often annoying.
  • this option has the advantage that it can also be used to compensate for sound that is not generated by a loudspeaker of the system itself. This includes z. As street noise, voices or a conventional musical instrument. Therefore, this variant is provided as an additional option for cases where the disadvantages are tolerable.
  • the whole unit consisting of signal processor SP, amplifier V and loudspeaker LS can be permanently installed in the wall, so that the parameters of the SP need not be changed once the device is calibrated once.
  • Flat loudspeakers are preferably used as loudspeakers, as amplifiers preferably those in class D to H or in BASH technology in order to keep the heat development in the wall as low as possible.
  • amplifiers preferably those in class D to H or in BASH technology in order to keep the heat development in the wall as low as possible.
  • the amplifier protects the speakers from overload, so that they never have to be removed again [Fig. 4].
  • the invention provides a multilateral design that allows for more extensive compensation and greater flexibility. This is advantageously realized digitally for practical reasons and described below in the following, although this is not a mandatory feature of the invention.
  • the sound of a loudspeaker is not simply compensated by a directly opposite loudspeaker on the same wall, but all loudspeakers of its own and the neighboring rooms are included in the compensation. This can be two-dimensional (limited to one floor) or three-dimensional. All soundboxes, which are part of such a multilateral network, together form a sound box system SBS.
  • a building or acoustically sealed part of a building typically forms an SBS.
  • the DSP Digital Sound Processor
  • the DSP Digital Sound Processor
  • the DSP generates a vector of output signals for the various speakers for each input signal (eg, front left).
  • the sum of all the output signals for a particular speaker is then amplified by a power amplifier and fed to the speaker positioned at the desired location.
  • this creates a matrix [Fig. 5] of the required signals. All values are complex functions (amplitude and phase) of the frequency, those on the diagonal are close to 1, the others are usually much smaller.
  • the generation of these signals is the task of the DSP.
  • the FDA is typically compensated by a FIR filter (digital), TPA by variable delays.
  • the multilateral variant can be realized by a central DSP, which calculates the whole matrix.
  • the separation in assemblies is typically such that LSS units as shown in Fig. 7 are attached to regularly arranged locations of the walls, the design according to Fig. 4 can be used, but without integrating the SP. Instead, a central DSP is provided per sound box or even for the entire SBS, which generates the signals for all affected LSS. This eliminates the need for local sound processors.
  • LSS When in this description of speaker systems LSS is mentioned, it is typically referred to as active units comprising a network receiver RCV, a power amplifier ES V and a sound transducer (LS) [Fig. 7].
  • active units comprising a network receiver RCV, a power amplifier ES V and a sound transducer (LS) [Fig. 7].
  • the signals are usefully not routed via point-to-point connections but via a bus to the LSS, typically Ethernet.
  • Other technologies such as WLAN, USB or Firewire are suitable as a transport system, as long as they allow multicast and thus a time synchronization of the participants is possible.
  • An important method of the soundbox is to decouple the time synchronization of the DSP (s) and LSS from the data transmission itself. This decoupling is not necessary if isochronous (simultaneous) data transmission between all participants can take place without much effort, as in the case of a direct connection. In a packet-oriented bus system, this is generally not easy to ensure, especially if there are hubs, switches, and / or routers in the network. Therefore, this method is an important component of Soundbox.
  • SBP sound box protocol
  • Each LSS is assigned an ID during installation, which is stored persistently in the LSS. This ID must be unique within an SBS and identify the geographic location of the LS. All LSS in an SBS are reachable over the network, being part of the same multicast group (possibly local broadcast). The payload is fed by the DSPs into this network and received by the LSS. Each DSP also has a unique ID.
  • each newly active DSP uses multicast in a first Discovery step to determine which other subscribers are active and available in the network. This is an important input for the DSP. Thanks to this discovery step, both DHCP (common in IPv4) and fixed allocation (more common in IPv6) can be used.
  • packets are addressed directly from the DSP to the addressed LSS.
  • 0 means the sampling rate that the timestamp is in microseconds.
  • the list of samples (signal levels) is transmitted as floating point values. The list can range from 1 to 256 samples.
  • a value of 1.0 should correspond to a sound level of approximately 50 dB SPL at a distance of 1 m. This standardization is not essential to the invention, but facilitates the initial setup and calibration. If an LSS does not receive a level value for a specific sample time, it should interpolate. If it does not receive a new support value until the end of the latency, it should hold the last value for a maximum of 100 ms and then switch to zero (no signal).
  • an LSS receives several packets that contain a level value for the same TS, they are added if they come from different sources (different DSPs). This enables the construction of modular subsystems. Neither the manufacturer of LSS nor the installer of a particular SBS need to know in advance how to configure the system. A seamless connection of alternative or supplementary DSPs is also possible at any time during operation.
  • the discovery step is repeated periodically to detect changes to the current configuration.
  • the SBP provides for a typical period of one second.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um einen oder mehrere Räume eines Gebäudes so auszurüsten, dass man dieses optimal beschallen kann (z. B. als Heimkino), wobei einerseits akustische Schwächen des Hörraumes aktiv bedämpft und andererseits die Lärmemission in die benachbarten Räume gegenüber konventionellen Massnahmen stark reduziert wird. Die Einrichtung nutzt die Möglichkeiten der digitalen Tontechnik, basiert aber nicht zwingend darauf. Sie eignet sich besonders zur kostengünstigen, strukturierten Einrichtung mehrerer solcher Räume (Wohnungen, Zonen, Hotelzimmer etc.) wobei die Nutzung jederzeit geändert werden kann, ohne Einrichtungen oder Kabel neu verlegen zu müssen.
Die Erfindungen beschreibt alle erforderlichen Einrichtungen, um dieses Verfahren in zwei typischen Anordnungen (bilateral und multilateral) anwenden zu können, beschreibt aber auch die Möglichkeit, Teile der Einrichtung so durch alternative Geräte und Verfahren zu ergänzen bzw. zu ersetzen, dass der Nutzen der Erfindung als Ganzes erhalten bleibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die erforderliche Einrichtung, um einen oder mehrere Räume eines Gebäudes so auszurüsten, dass man darin Musik und anderen Schall mit hohem Pegel erzeugen kann, wobei die benachbarten Räume möglichst wenig gestört werden. Die Einrichtung verwendet in seiner bevorzugten Ausführung die digitale Form der Signalübertragung, ist aber nicht zwingend auf diese angewiesen. Zusätzlich ermöglich die gleiche Einrichtung auch die Dämpfung gewisser störender Einflüsse in Hörraum selbst.
  • Diese Isolation zu den benachbarten Räumen wird zwar primär durch die Schalldämmung der Wände bewirkt, durch die geschilderte Erfindung wird deren Wirkung bedeutend erhöht. Eine Besonderheit der Erfindung ist auch, dass sie sich besonders zur kostengünstigen Installation mit einer normieren Verkabelung eignet, die bereits beim Bau fest verlegt werden kann, ohne die speziellen Formen der späteren Nutzung bereits festlegen zu müssen.
  • Ein zusätzlicher Nutzen der Einrichtung besteht darin, dass damit gleichzeitig auch stehende Wellen (Moden) im Raum selbst gedämpft werden können.
  • Der Nutzen der Erfindung tritt besonders hervor, wenn die Beschallung durch Lautsprecher erfolgt, welche fest in die Wände eingebaut werden, z. B. Flächenlautsprecher.
  • Die einzelnen Teile der Erfindung (aktive Absorber, digitale Signalaufbereitung, Feldbussysteme, Zeitsynchronisation über Netzwerk, Flächenlautsprecher etc.) sind bekannt, die Erfindung kombiniert diese auf eine besondere Weise, die eine strukturierte, serientaugliche Realisierung optimal gedämpfter Hörräume möglich macht.
  • Die einzelnen, voneinander entkoppelten Hörräume werden SB ("Soundboxen") genannt. Die Lautsprecher LS, welche den Schall erzeugen, sind vorzugsweise an festen Positionen in die Wände eingearbeitet. Auf der gegenüberliegenden Seite derselben Wand befindet sich ebenfalls ein möglichst gleichartiger Lautsprecher. Unter Lautsprecher verstehen wir hier jede Einrichtung, welche elektrische Signale in akustische umwandelt, unabhängig von der Ausführungsform.
  • Diese gegenüberliegenden Lautsprecher wirken gegenseitig als aktive Absorber, d. h. sie vernichten die unerwünschten Schallwellen durch gegenphasiges Schwingen. Abb. 1 zeigt diese Anordnung. Zwischen den Lautsprechern LS 1 und LS2 befindet sich die Dämpfung der Wand (D). Diese ist typischerweise stark frequenzabhängig. Falls der LS 1 einen Ton von einem Kilohertz mit einem Pegel von 60dB abstrahlt und die Dämpfung D der Wand bei dieser Frequenz 40 dB beträgt, muss der Lautsprecher LS2 gegenphasig mit 20 dB strahlen, um den Schall auszulöschen.
  • Wenn bei einer anderen Frequenz, z. B. bei 100 Hz, die Dämpfung D lediglich 20 dB beträgt, muss LS2 mit 40 dB strahlen, um eine Auslöschung zu erreichen. Die Stärke der Korrekturabstrahlung, ist umgekehrt proportional zum (komplexen) Frequenzgang von D, hier als FDA ("frequency dependent attenuation") bezeichnet. Natürlich beeinflusst das über LS2 abgestrahlte Korrektursignal wiederum LS1 negativ, d. h. es muss auch bei LS1 eine Korrektur vorgenommen werden, die aber bedeutend schwächer ausfällt. Bei der Berechnung der Korrekturfunktion muss man also auch deren Rückwirkung auf die Quelle berücksichtigen, was im Prinzip ein unendlicher, iterativer Prozess ist. Da der Einfluss aber nach jedem Schritt massiv abnimmt, sind nur wenige Iterationen erforderlich.
  • Die obigen Schilderungen gelten natürlich auch umgekehrt von LS2 zu LS 1, d. h. die Anordnung ist symmetrisch. Dies gilt auch für alle folgenden Ausführungen, auch wenn nicht immer ausdrücklich auf diese Symmetrie hingewiesen wird.
  • Eine einfache Einrichtung, welche das grundlegende Prinzip der Erfindung grob realisiert, sieht eine gegenphasige Kopplung der Lautsprecher über eine feste Impedanz Z vor, die aus Symmetriegründen in zwei gleiche Hälften aufgeteilt ist [Abb. 2]. Das Einganssignal E1 bzw. E2 speist dabei nicht nur den "eignen" LS sondern erzeugt auch das Korrektursignal für den gegenüberliegenden LS.
  • Z kann aktiv oder passiv sein, sollte aber mit dem Lautsprecher einen Spannungsteiler bilden, welcher die FDA möglichst gut annähert. Im einfachsten Fall ist Z ein ohmscher Widerstand mit einem gewichteten Mittelwert (nicht alle Frequenzen stören subjektiv gleich stark). Da dieser Wert u. a. auch abhängig ist von der stark frequenzabhängigen Impedanz der LS und typischerweise auch eine frequenzabhängige Verschiebung der Phasenlage bewirkt, kann diese Anordnung nur eine sehr grobe Approximation erzielen.
  • Die zur Auslöschung erforderliche Phasendrehung beträgt nicht genau 180° zwischen LS 1 und LS2, da bei höheren Frequenzen die Laufzeit durch die Wand mit berücksichtigt werden muss. Bei einer Frequenz von 1 kHz genügen bereits rund 15cm in Luft, um eine Phasendrehung um 180° (=gegenphasig) zu erreichen. Bei festem Baumaterial, wie Holz, Ziegelsteinen oder Beton ist der Effekt wegen der höheren Schallgeschwindigkeit erst bei relativ hohen Frequenzen von Bedeutung, bei weichen Baustoffen und typischen Isoliermatten muss er aber auch im mittleren Frequenzband berücksichtigt werden. Im Rahmen dieser Erfindung wird der Effekt TPS ("travelling phase shift") genannt. Der Effekt der TPS ist proportional zur Frequenz und zur Dicke der Wand sowie umgekehrt proportional zur Schallgeschwindigkeit im Baustoff der Wand.
  • Um sowohl FDA als auch TPS korrekt berücksichtigen zu können, sieht die Erfindung in ihrer typischen Ausführung eine aktive Kompensation vor. Idealerweise wird diese mit einem Sound Prozessor (SP) realisiert, welcher zusätzlich zum Nutzsignal für LS 1 auch ein Kompensationssignal für LS2 erzeugt. Die Parameter des SP werden typischerweise durch Kalibrierung vor Ort ermittelt, da viele bauliche Einflüsse darauf Einfluss haben. Neben FDA und TPS gibt es noch weitere Effekte von meist geringerer Bedeutung, die von der Kalibrierung mit erfasst werden können.
  • Als zusätzliches Hilfsmittel kann auch eine Gegenkopplung des gemessenen Schalls durch ein Mikrophon verwendet werden. Dies ist aber nicht das primäre Konzept der Erfindung und hat wesentliche Nachteile, z. B. die Abhörbarkeit der Räume durch das Mikrophon. In einer verteilten Anordnung mit mehreren Parteien ist das eine gravierender Schwäche. Ausserdem ist die Anordnung des Mikrophons (bzw. der Mikrophone) schwierig und oft lästig. Diese Option hat aber den Vorteil, dass damit auch Schall kompensiert werden kann, der nicht durch einen Lautsprecher des Systems selbst erzeugt wird. Dazu gehört z. B. Strassenlärm, Stimmen oder ein herkömmliches Musikinstrument. Darum wird diese Variante als zusätzliche Option für die Fälle vorgesehen, wo die Nachteile tolerierbar sind.
  • In der bisher geschilderten bilateralen Variante sind immer nur zwei gegenüberliegende Lautsprecher auf die geschilderte Weise gegenseitig kompensiert. Die Einspeisung des Korrektursignals erfolgt wenn immer möglich vor dem Verstärker V, der sinnvollerweise (aber nicht zwingend) mit dem Lautsprecher zu einer aktiven Einheit verbunden wird. Bei dieser bilateralen Ausführung ist es zweckmässig auch den SP mit dem Verstärker zu integrieren [Fig. 3], so dass eine modulare Einheit entsteht, wobei aus der Sicht des Benützers sowohl LS 1 als auch LS2 unabhängig voneinander wie normale aktive Lautsprecher angesteuert werden können.
  • Die ganze Einheit bestehend aus Signalprozessor SP, Verstärker V und Lautsprecher LS kann fest in die Wand eingebaut werden, so dass die Parameter des SP nicht verändert werden müssen, sobald die Einrichtung einmal kalibriert ist. Als Lautsprecher werden vorzugsweise flache Flächenstrahler verwendet, als Verstärker bevorzugt solche in Klasse D bis H oder in BASH Technik, um die Wärmeentwicklung in der Wand möglichst gering zu halten. Zur Wärmeableitung kann ein grossflächiges Kupfergeflecht dienen, das unter dem Verputz eingemauert wird, der Verstärker schützt die Lautsprecher vor Überlast, so dass diese nie wieder ausgebaut werden müssen [Fig. 4].
  • Die Erfindung sieht eine multilaterale Ausführung vor, die umfassendere Kompensationen und höhere Flexibilität erlaubt. Diese wird aus praktischen Gründen mit Vorteil digital realisiert und im folgenden auch so beschrieben, obwohl dies kein zwingendes Merkmal der Erfindung ist. In der multilateralen Ausführung wird der Schall eines Lautsprechers nicht einfach von einem direkt gegenüberliegenden Lautsprecher an derselben Wand kompensiert, vielmehr sind alle Lautsprecher des eigenen und der benachbarten Räume in die Kompensation einbezogen. Dies kann zweidimensional (auf eine Etage beschränkt) oder dreidimensional erfolgen. Alle Soundboxen, welche Teil eines solchen multilateralen Netzwerks sind, bilden zusammen ein Soundboxsystem SBS. Ein Gebäude oder ein in sich akustisch abgeschlossener Teil eines Gebäudes bildet typischerweise ein SBS.
  • Bei dieser Anordnung erzeugt der DSP (digital sound processor) zu jedem Eingangs-Signal (z. B. vorne links) einen Vektor von Ausgangs-Signalen für die verschiedenen Lautsprecher. Die Summe aller Ausgangssignale für einen bestimmten Lautsprecher wird dann von einer Endstufe verstärkt und dem an der gewünschten Stelle positionierten Lautsprecher zugeführt. Bei mehrkanaligem Sound (stereo, surround sound etc.) entsteht so eine Matrix [Fig. 5] der benötigten Signale. Alle Werte sind komplexe Funktionen (Amplitude und Phase) der Frequenz, diejenigen auf der Diagonalen liegen nahe bei 1, die andern sind normalerweise wesentlich kleiner. Die Erzeugung dieser Signale ist Aufgabe des DSP. Die FDA wird typischerweise durch ein FIR-Filter (digital), TPA durch variable Delays kompensiert.
  • Mit der gleichen Anordnung können ohne zusätzliche Einrichtungen auch stehende Wellen im Hörraum selbst (sog. Moden) kompensiert werden. Dieser Nutzen wird erhöht, wenn noch zusätzliche LSS vorinstalliert werden, die nicht direkt zur Beschallung sondern zur Bedämpfung von stehenden Wellen eingesetzt werden. Dies ist besonders bei tiefen Frequenzen von grossem Nutzen, da dort die natürliche Dämpfung durch poröse Materialien wenig wirkt. Konsequenterweise werden dann die Räume einer SB in regelmässigen Abständen mit Lautsprechersystemen LSS ausgerüstet, die teilweise zur Beschallung und teilweise zur aktiven Absorption eingesetzt werden. [Fig. 6]. Die Anzahl LSS pro SB ist durch die Erfindung nicht festgelegt, sie ermöglicht im Gegenteil eine freie Anzahl und räumliche Anordnung der LSS, je nach den vorliegenden Erfordernissen. Die Beschallung kann dann auch durch reine Änderung in der Parametrierung der DSPs so geändert werden, dass z. B. ein 7.1 Surround-System einmal die eine Wand, dann eine andere als Frontseite hat.
  • Bei grösseren (Multiroom-) Systemen kann man den Soll-Wert für jeden Lautsprecher als eine Kolonne (Vektor) betrachten. Die so entstehende Matrix ist oft sehr gross und auch wenn viele Zellen (geographisch entfernte Lautsprecher) praktisch 0 sind und die Zellen der Diagonalen nahezu 1, so entsteht doch ein sehr grosser Rechenaufwand für den DSP, um alle Signale in Echtzeit zu generieren.
  • Um diesen Rechaufwand bei grossen Systemen zu reduzieren, kann man dieses entlang der Matrix-Diagonale in Teilsysteme aufspalten, wobei man die äusseren Zellen nicht berücksichtigt, die in der Regel nahezu Null sind. Jedes Teilsystem kann dann seinen eigenen DSP enthalten. So lassen sich auch autonomere Baugruppen bilden. Die multilaterale Variante kann aber in jedem Fall durch einen zentralen DSP realisiert werden, welcher die ganze Matrix berechnet.
  • Bedingt durch die aufwändige Berechnung der Ausgangssignale ist eine gewisse Latenzzeit unvermeidlich (Verzögerung des Ausgangs gegenüber dem Eingang). Die Grösse der Latenzzeit ist weniger wichtig als deren Konstanz für alle Zellen der Matrix. Um dies zu erreichen, werden die neu berechneten Werte zwischengepuffert und über ein synchrones Sampling exakt gleichzeitig ausgegeben bzw. übernommen. Das ist notwendig, damit keine ungewollten Phasenverschiebungen der Signale gegeneinander auftreten. Das gleiche ist auch für normale DSPs z. B. von Dolby-Decodern erforderlich, gilt hier aber für alle LSS des ganzen SBS. Während Phasenfehler (bzw. Laufzeitunterschiede) bei herkömmlichen Mehrkanalanlagen lediglich die Präzision der Ortung von der Instrumente verschlechtert, reduziert sie im Falle der Soundbox direkt die Wirksamkeit des Verfahrens.
  • Bei der multilateralen Variante ist die Auftrennung in Baugruppen typischerweise so, dass an regelmässig angeordneten Stellen der Wände LSS Einheiten gemäss Abb. 7 angebracht werden, wobei die Bauform gemäss Abb. 4 verwendet werden kann, allerdings ohne den SP mit zu integrieren. Pro Soundbox oder gar für das ganze SBS wird vielmehr ein zentraler DSP vorgesehen, welcher die Signale für alle betroffenen LSS erzeugt. Daher entfällt die Notwendigkeit lokaler Sound-Prozessoren. Wenn in dieser Beschreibung von Lautsprechersystemen LSS die Rede ist, sind damit typischerweise aktive Einheiten gemeint, welche einen Netzwerkempfänger RCV, einen Endverstärker ES V und einen Schallwandler (LS) umfassen [Fig. 7]. Irgendwo in diesem LSS System findet normalerweise ein Umwandlung von digital zu analog statt. Diese Stufe ist nicht eingezeichnet, da viele Varianten möglich sind und ihre Auswahl für die Erfindung unerheblich ist.
  • Die Signale werden sinnvollerweise nicht über Punkt-zu-Punkt Verbindungen sondern über einen Bus zu den LSS geführt, typischerweise Ethernet. Auch andere Technologien wie WLAN, USB oder Firewire sind als Transportsystem geeignet, sofern sie Multicast zulassen und damit eine Zeitsynchronisierung der Teilnehmer möglich ist.
  • Ein wichtiges Verfahren der Soundbox besteht darin, die Zeitsynchronisation der DSP(s) und LSS von der Datenübertragung selbst zu entkoppeln. Diese Entkopplung ist nicht nötig, wenn ohne grosse Mühe eine isochrone (zeitgleiche) Datenübermittlung zwischen allen Teilnehmern erfolgen kann, wie im Fall einer direkten Verbindung. Bei einem paketorientierten Bussystem ist dies in der Regel nicht leicht sicherzustellen, besonders wenn sich Hubs, Switches und/oder Router im Netzwerk befinden. Daher stellt dieses Verfahren eine wichtige Komponente von Soundbox dar.
  • Die Teilnehmer am SBS Netzwerk bestehen aus den DSPs und den LSSs. Diese einigen sich gemäss IEEE 1588 auf einen synchronen Clock, der mindestens auf 0.1 Mikrosekunden genau erfolgt und einen gemeinsamen Startpunkt definiert (t=O). Systeme wie EtherCAT oder Powerlink können verwendet werden. Jedes LSS verwendet in der Folge eine Sampling Rate von typischerweise 96 kHz (auch 48 bzw. 44.1 kHz sind zulässig) und die einzelnen Samples werden zusammen mit einem Timestamp übermittelt, welcher entweder die Sample-Nummer oder die relative Zeit im Mikrosekunden angibt. Die letztere Methode wird bevorzugt, weil sie die Kombination verschiedener Sample-Raten erlaubt (automatisches Resampling). Dabei wird ein Datenpaket in einfachsten Fall einfach demjenigen Sample zugeordnet, zu dem der Timestamp am nächsten liegt. Wenn die Leistung des LSS ausreicht, sollte jedoch eine logarithmische oder zumindest lineare Interpolation verwendet werden.
  • Im folgenden wird ein spezielles Verfahren beschrieben, um die Signaldaten zu übermitteln. Dabei wird davon ausgegangen, dass die erforderliche Zeitsynchronisation bereits besteht. Dieses Verfahren muss nicht zwingend verwendet werden, definiert aber alle wesentlichen Aufgaben, die zusätzlich zum bisher beschriebenen erforderlich sind, um ein SBS in der typischen Form zu realisieren. Dieses verfahren heisst SBP (sound box protocol).
  • Jedem LSS wird bei der Installation eine ID fest zugeteilt, welche im LSS persistent gespeichert ist. Diese ID muss innerhalb eines SBS eindeutig sein und die geographische Position des LS kennzeichnen. Alle LSS in einem SBS sind über das Netzwerk erreichbar, wobei sie Teil der gleichen Multicast Gruppe sind (ev. lokaler Broadcast). Die Nutzdaten werden von den DSPs in dieses Netz eingespiesen und von den LSS empfangen. Auch jeder DSP hat eine eindeutige ID.
  • Alle Zeichenketten, z. B. IDs, werden im Unicode dargestellt, variabel lang, höchstens 256 Zeichen. Alle variabel langen Objekte werden mit einem Längenfeld eingeleitet, welches die Länge als Integer enthält und zwar ohne das Längenfeld selbst. Integer und Gleitkommazahlen werden in 4 Oktetten dargestellt. Die Pakete haben stets die Form:
    <Typ><Daten>
    wobei <Typ> ein Integer ist und die Art des Paktes festlegt und <Daten> je nach Typ verschieden sein kann.
  • Gemäss diesem Protokoll ermittelt jeder neu aktive DSP in einem ersten Discovery Schritt mittels Multicast, welche anderen Teilnehmer im Netz aktiv und verfügbar sind. Dies ist ein wichtiger Input für den DSP. Dank diesem Discovery Schritt kann sowohl DHCP (üblich bei IPv4) als auch eine feste Zuordnung (eher üblich bei IPv6) eingesetzt werden.
    Paket: Typ=0, Daten=<ID des DSP>
  • In der Antwort melden die Teilnehmer ihre Funktion, ihre ID und im Fall eines LSS die vorgesehene Sampling-Rate.
    Paket: Typ=1, Daten=<Funktion (0=DPP, 1=LSS)><ID><Sampling Rate (1=96k, 2=48k, 3=44.1k)>
  • Danach werden Pakete direkt vom DSP an die angesprochenen LSS adressiert.
    Paket: Typ=2, Daten=<Time Stamp des ersten Samples><Sampling Rate><Liste mit Sample Werten>
    Dabei bedeutet 0 als Sampling-Rate, dass der Timestamp in Mikrosekunden vorliegt. Die Liste der Samples (Signalpegel) wird als Floating-Point Werte übermittelt. Die Liste kann zwischen 1 und 256 Samples umfassen.
  • Wenn keine anderen Normen vorliegen, soll ein Wert von 1.0 etwa einem Schallpegel von ca. 50 dB-SPL in 1 m Entfernung entsprechen. Diese Normierung ist für die Erfindung nicht wesentlich, erleichtert aber die Ersteinrichtung und Kalibrierung. Erhält ein LSS für einen bestimmten Sample-Zeitpunkt keinen Pegelwert, soll er interpolieren. Erhält er bis zum Ende der Latenzzeit keinen neuen Stützwert, soll er den letzten Wert höchstens 100 ms festhalten und dann auf Null wechseln (kein Signal).
  • Erhält ein LSS mehrere Pakete, die einen Pegelwert für den gleichen TS enthalten, werden diese addiert, sofern sie von verschiedenen Quellen stammen (unterschiedliche DSPs). Damit wird der Aufbau von modularen Subsystemen ermöglicht. Weder der Hersteller von LSS noch der Installateur eines bestimmten SBS muss zum Vornherein wissen, wie das System konfiguriert wird. Auch ein nahtloses Zuschalten alternativer oder ergänzender DSPs ist jederzeit im laufenden Betrieb möglich.
  • Der Discovery-Schritt wird periodisch wiederholt, um Änderungen an der aktuellen Konfiguration zu erkennen. Das SBP sieht dafür eine typische Periode von einer Sekunde vor.

Claims (10)

  1. Einrichtung zur Beschallung eines oder mehrerer Hörräume (Soundboxen genannt) dadurch gekennzeichnet, dass störende Signale im Hörraum selbst (z. B. stehende Wellen) und in den benachbarten Räumen (Lärmemission), mittels einer strukturierten Anordnung von Lautsprecher-Systemen LSS aktiv bedämpft werden, wobei jeder dieser LSS sowohl zur Beschallung mit dem Nutzsignal als auch zur Bedämpfung der Störsignale herangezogen wird.
  2. Einrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei möglichst gleichartige LSS an der gleichen Wand auf der gegenüberliegenden Seite angebracht sind, wobei das eine LSS die störenden Einflüsse des anderen kompensiert, indem es mit einem im Wesentlichen gegenphasigen Signal angesteuert wird, das die ungenügende Dämpfung der Wand frequenzabhängig und möglichst phasenstarr kompensiert. Bei dieser "bilateralen" Ausführungsform der Erfindung sind immer jeweils zwei LSS zu einem Paar kombiniert, d. h. sie bilden ein geschlossenes System, das keine weiteren Schallquellen einbezieht. Ein Hörraum kann mehrere solche Paare von LSS enthalten, wobei jedes Paar für sich allein arbeitet.
  3. Einrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere LSS im Hörraum und in den angrenzenden Räumen in die Kompensation der Störsignale, einbezogen werden, wobei jedes LSS wahlweise ein zu seiner Position passendes Nutzsignal abstahlt, Störsignale von anderen LSS kompensiert oder beides.
  4. Einrichtung gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die LSS in den Räumen an regelmässigen Stellen positioniert werden, ohne bereits einer bestimmten Aufgabe zugeordnet zu werden, so dass die akustische Nutzung des Raumes ohne physische Umstellung geändert werden kann, wobei trotzdem stets eine Auslöschung der stehenden Wellen und eine Kompensation der Emission in die Nachbarräume gewährleistet ist.
  5. Einrichtung gemäss den Ansprüchen 2, 3 oder 4, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie keine Sensoren (Mikrophone) zur Messung der aktuellen Störsignale enthält sondern eine reine Vorwärtskorrektur verwendet, welche mit Signalprozessor(en) aufgrund fest eingegebener Parameter (einmalige Kalibrierung) oder adaptiv nachgeführter Parameter die optimalen Signale für alle eingebundenen LSS berechnet.
  6. Einrichtung gemäss 5, welche zusätzlich Sensoren oder Hilfseingänge verwendet, um auch Geräusche kompensieren zu können, die von anderen Schallquellen stammen, wie z. B. Strassenlärm, Flugzeuge, Stimmen etc.
  7. Einrichtung gemäss den Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktives Lautsprechersystem als LSS verwendet wird, wobei die Endstufe mit dem Schallwandler (möglichst grossflächige Strahler) integriert ist, diesen sowohl optimal ansteuert als auch vor Überlast schützt und über einfache, analoge oder digitale Signale angesteuert werden kann und, wo sinnvoll, samt der Verkabelung direkt in die Wände eingebaut werden kann. Zu diesem Zweck werden die Endstufen vorzugsweise in Klasse D bis H oder BASH Technik realisiert, um den Ruhestrom und die Wärmeentwicklung gering zu halten. Die Stromversorgung erfolgt vorzugsweise mit niederspannigem Gleichstrom (z. B. 48 V single supply).
  8. Einrichtung gemäss Anspruch 2, 3, 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass über ein geeignetes Bus-System (Ethernet, WLAN, USB, Firewire etc.) einerseits eine Zeitsynchronisierung (z.B. gemäss IEEE 1588) und andererseits ein Protokoll zum Streamen der Audio-Daten verwendet wird.
  9. Einrichtung gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein spezielles Protokoll SBP zum Streamen verwendet, das eine isochrone Abstrahlung der gesampelten Signale ermöglicht, das Hinzufügen von zusätzlichen Signalquellen während des Betriebs gestattet und resistent ist gegenüber verlorenen Paketen und Overrun.
  10. Einrichtung gemäss Anspruch 2, 3, 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere digitale Signal-Prozessoren DSP zur Aufbereitung der Signale verwendet werden, um u. a. mittels Signalverzögerung und FIR Filter die erforderlichen Korrektursignale zu berechnen. Diese DSPs können entweder in einem autonomen Gerät implementiert werden oder mit der Signalquelle, z. B. einem PC oder Media Center kombiniert werden.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007049407A1 (de) * 2007-10-15 2009-04-23 Helmut-Schmidt-Universität Universität der Bundeswehr Hamburg Verfahren zum Steuern von parallelen Flachlautsprechern
CN114361750A (zh) * 2022-01-18 2022-04-15 东南大学 基于参量放大的非磁性人工spp隔离器

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DE102007049407B4 (de) * 2007-10-15 2014-09-25 Helmut-Schmidt-Universität Universität der Bundeswehr Hamburg Verfahren zum Steuern von parallelen Flachlautsprechern
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