EP3058762B1

EP3058762B1 - Verfahren zum betreiben einer anordnung aus schallwandlern nach dem prinzip der wellenfeldsynthese

Info

Publication number: EP3058762B1
Application number: EP14806713.5A
Authority: EP
Inventors: Frank Stefan Schmidt; Helmut Oellers
Original assignee: Holoplot GmbH
Current assignee: Holoplot GmbH
Priority date: 2013-08-10
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2034-09-11
Also published as: WO2015022579A2; DE112014003700A5; EP3058762A2; US20160205474A1; US9843864B2; WO2015022579A3; DE102013013378A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese zur Versorgung eines Publikumsbereiches mit einem Audiosignal und eine Vorrichtung zur Versorgung des Publikumsbereiches.

Hintergrund

Im Veranstaltungstechnikbereich sind Lautsprecheranlagen bekannt, die auf die speziellen Anforderungen der Versorgung auch von großen Publikumsbereichen mit ausreichend hoher akustischer Energie zugeschnitten sind, so genannte Public Address- oder kurz PA- Anlagen. Diese werden als Lautsprechereinheiten realisiert, typischer Weise ausgeführt als Mehrwegesysteme mit jeweils an den Übertragungsbereich angepassten Schallwandlern hohen Wirkungsgrades. Als Ausführungen kommen einzelne Lautsprechereinheiten oder zu einem Großlautsprecher kombinierte Lautsprechereinheiten, sogenannte Line-Arrays, zum Einsatz. Mit ihnen ist es bei entsprechender Dimensionierung möglich, die vom Veranstalter geforderten Schalldrücke auch in den weit von den Lautsprechereinheiten entfernten Publikumsbereichen zu erzeugen.
Weil bei einer einzelnen Lautsprechereinheit die Abstrahlung im Wesentlichen die ungerichtete Abstrahlung einer Punktschallquelle ist, nimmt der Schalldruck systembedingt mit jeder Verdoppelung der Entfernung von der Schallquelle auf die Hälfte, also um 6 dB ab. Daher geht man bei ausgedehnten Publikumsbereichen zunehmend zum Einsatz von Line Arrays über. Im Grundtonbereich erzeugen Line- Arrays Zylinderwellen. Die Oberfläche eines Zylinders wächst nur linear mit dem Radius, nicht quadratisch, wie die einer Kugel. Entsprechend langsamer, nämlich mit 3 dB pro Entfernungsverdoppelung, nimmt ihr Schalldruck mit der Entfernung ab. Erst in vierfacher Entfernung ist er jeweils auf die Hälfte abgesunken. Dazu kommt der Vorteil des Line- Arrays, dass bei den übereinander angeordneten Lautsprechereinheiten der Schall in der Elevationsebene ausgerichtet werden kann. Das vermindert den Anteil des Störschalls, der bei Open- Air- Veranstaltungen über den Publikumsbereich hinaus in das Umfeld, wie z. B. Wohngebiete, abgestrahlt wird. Der Bassbereich wird jedoch ungerichtet von getrennt aufgestellten Subwoofern abgestrahlt.
Am besten kann die Abstrahlung der Wellenfronten auf den Publikumsbereich begrenzt bleiben, wenn sie in der Azimut- und in der Elevationsebene ausgerichtet werden kann. Mit Hilfe des von A. J. Berkhout 1988 in [3] beschriebenen Verfahrens zur Wellenfeldsynthese wird eine noch exaktere Ausrichtung der Wellenfronten möglich.
Wenn dieses Verfahren, wie in [4] beschrieben, in einer zweidimensionalen Anordnung aus Schallwandlern angewendet wird, entsteht der "Akustische Vorhang". Aus einem einzigen Mono Signal können mittels Faltung in eine Impulsantwort, oder aus der entsprechenden Berechnungen von Schallaufzeit und Pegel aus der Distanz zwischen einer virtuellen Schallquelle und dem jeweiligen Schallwandler in einem modellbasierenden Ansatz die Signale gewonnen werden, die ein Lautsprecher von einem unmittelbar hinter einer Position in einer Trennwand angeordneten Mikrofon von einer realen Schallquelle an der Position der virtuellen Schallquelle erhalten würde. Wie durch einen "Vorhang" wird die Wellenfront einer realen Schallquelle rekonstruiert.
Solch ein "Akustischer Vorhang" nach dem modellbasierenden Ansatz ist bekannt. Kennzeichnend für dieses Verfahren ist es, dass jede virtuelle Schallquelle hinter dieser Anordnung nach Huygens Prinzip aus einer Vielzahl einzelner Schallwandler physikalisch rekonstruiert wird. Die Krümmung der Wellenfront entspricht der einer Wellenfront, die von einer realen Schallquelle an der Position der virtuellen Schallquelle ausgehen würde. Die virtuelle Schallquelle verändert deshalb ihren Ausgangspunkt nicht, wie die Phantomschallquellen bei den psychoakustisch basierten Verfahren, mit der Position des Zuhörers.
Deshalb ist sie, von Beugungseffekten aufgrund der endlichen Fläche der Vorrichtung aus Schallwandlern abgesehen, auch nur in dem Bereich hörbar, in dem sich die virtuelle Schallquelle vom Zuhörer aus gesehen innerhalb der Vorrichtung aus Schallwandlern befindet.
Auf dem Gebiet der Veranstaltungstechnik ist es prinzipiell möglich, diesen Umstand als deutlichen Vorteil gegenüber den oben beschriebenen PA(Public Address)-Anlagen zu nutzen. Die Abstrahlrichtung des Signals und der Öffnungswinkel der Wellenfront in Bezug auf die Vorrichtung aus Schallwandlern lassen sich mit der Position der virtuellen Schallquelle sehr einfach festlegen. So kann die Abstrahlung in der Azimut- und Elevationsebene direkt auf den Publikumsbereich ausgerichtet werden. Dazu wird eine virtuelle Schallquelle weit hinter der Anordnung aus Schallwandlern positioniert. Die Krümmung der Wellenfront entspricht dann dem Kugelausschnitt im Bereich der Anordnung aus Schallwandlern. Eine unendlich weit entfernte virtuelle Schallquelle erzeugt eine parallele Wellenfront, deren Schallpegel theoretisch nicht mit der Entfernung zum Schallwandler abnimmt.
Dabei arbeitet die Vorrichtung aus Schallwandlern im Bassbereich wie ein Kolbenstrahler. Selbst große Wellenlängen des Signals können, abhängig von der Gesamtgröße der Vorrichtung aus Schallwandlern, noch auf den Publikumsbereich ausgerichtet werden. So kann die in Azimut- und Elevationsebene steuerbare Ausrichtung der Wellenfronten den Störschallanteil deutlich reduzieren, der bei open Air- Veranstaltungen über das Veranstaltungsgelände hinausgeht.
Zudem entspringen alle Wellenfronten einem gemeinsamen Ausgangspunkt. Damit treten die deutlich wahrnehmbaren Phasenprobleme, die eine räumlich getrennte Aufstellung diverser Lautsprechereinheiten unweigerlich mit sich bringt, nicht auf. Der große Kolbenstrahler, der im Bassbereich aus den Einzelstrahlern entsteht, kann so schnell arbeiten wie jeder einzelne Lautsprecher. Die auf einer großen Lautsprechermembran sonst unvermeidlichen Partialschwingungen entstehen nicht.
In der praktischen Anwendung hat diese elektronisch steuerbare Abstrahlung des Schalls weitere Vorteile gegenüber fest ausgerichteten Systemen. Wegen der gezielteren Ausrichtung der Wellenfronten wird beim Zuhörer der Anteil des Direktschalles im Verhältnis zu den diffus von den Reflexionsflächen zurückgeworfenen Schallanteilen deutlich erhöht. Das erhöht das Deutlichkeitsmaß der Übertragung und verbessert die Sprachverständlichkeit. Vor allem unter ungünstigen akustischen Verhältnissen am Aufführungsort ist das unabdingbar für eine hochwertige Übertragung. Zudem löst eine Abstrahlung mit geringem Öffnungswinkel auch das Problem der konventionellen PA-Anlagen, das nahe am Bühnenbereich oft gesundheitsgefährdend hohe Schalldruckpegel erzeugt werden, wenn weiter entfernte Publikumsbereiche mit ausreichend hohem Schalldruckpegel versorgt werden sollen.
Trotzdem wird das Prinzip des "Akustischen Vorhanges" mit einer Anordnung aus Einzelstrahlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese bisher im PA Bereich nicht kommerziell angewendet. Die Vorteile der Abstrahlung mit geringem Öffnungswinkel gehen verloren, wenn ein ausgedehnter Publikumsbereich mit Schall versorgt werden muss.
Wird eine virtuelle Schallquelle so positioniert, dass die erzeugte Wellenfront einen ausgedehnten Publikumsbereich versorgt, so muss nahe der Vorrichtung aus Schallwandlern ein entsprechend hoher Schalldruck erzeugt werden, der dann mit der Entfernung stark abnimmt. Deshalb geht der Vorteil, den eine solche Vorrichtung aus Schallwandlern bei der Abstrahlung in einem kleinen Öffnungswinkel hat, verloren, dass weit entfernte Publikumsbereiche nahezu mit dem gleichen Schalldruckpegel versorgt werden können, wie der Bereich unmittelbar vor der Bühne einer Großveranstaltung.
Zudem wird es bei einer solch breiten Abstrahlung einer Wellenfront mit der Anordnung aus Schallwandlern sehr aufwendig, auch in den entfernten Publikumsbereichen einen ausreichenden Schalldruckpegel zu erreichen. Im Bereich großer Wellenlängen, also im Bass- und Mitteltonbereich, hat die großflächige Anordnung aus Schallwandlern den Vorteil der besseren Anpassung an den Wellenwiderstand der Luft. Herkömmliche Lautsprecher haben hier das Problem, dass in diesem Bereich die Luft einfach um die Lautsprechereinheit herum ausweicht. Der erzeugte Schalldruck verteilt sich dann in alle Richtungen, im Bereich der Zuhörer kommt nur ein Bruchteil der erzeugten Energie an. Einzelne Lautsprecherchassis müssen im Bassbereich viel kleiner bleiben als die Wellenlänge des von ihnen erzeugten Signals, weil ihre Membrane sonst instabil würde. Deshalb arbeiten sie in diesem Bereich fast ins Leere, der sich bewegenden Membran setzt sich kaum ein Lastwiderstand entgegen. Wegen dieser Fehlanpassung ist der Wirkungsgrad von einzelnen dynamischen Lautsprechern im Bassbereich sehr niedrig.
Mit einer ausreichend großen, zweidimensionalen Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese ist dieses Problem gelöst. Im Bassbereich arbeiten die einzelnen Schallwandler nahezu synchron, benachbarte Lautsprecher erzeugen zum gleichen Zeitpunkt fast identischen Schalldruck. Die Luft kann nicht mehr zur Seite ausweichen, weil der benachbarte Lautsprecher dort zum gleichen Zeitpunkt den gleichen Luftdruck erzeugt. Der Bewegung der Membran stellt sich nun die Masseträgheit einer Luftsäule, die mit wachsender Gesamtfläche immer weiter vor die Anordnung aus Schallwandlern reicht, als Arbeitswiderstand entgegen. Das verbessert den Wirkungsgrad der Abstrahlung ganz erheblich. Der Effekt ist vergleichbar mit Hornlautsprechern, bei denen die Schallführung ein Ausweichen der Luftsäule verhindert. Auch hier wird die Eigenresonanz des Schallwandlers durch die zusätzliche Luftmasse vor der Membran deutlich nach unten verschoben, der Wirkungsgrad wird deutlich gesteigert.
Leider verliert sich dieser Vorteil der Vorrichtung aus Schallwandlern mit steigender Frequenz. Im oberen Übertragungsbereich kommen auch schon die Durchmesser einzelner Schallwandler in den Bereich der Wellenlängen des abzustrahlenden Signals. Das Problem der Fehlanpassung verliert sich hier, auch Einzelstrahler können in diesem Bereich schon einen hohen Wirkungsgrad, der sich in ihrer Kennempfindlichkeit SPL ausdrückt, erzeugen.
Um mit der Anordnung aus Einzelstrahlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese bei einem breiten Abstrahlwinkel der Wellenfront auch in den weit entfernten Publikumsbereichen am oberen Ende des Übertragungsbereiches vergleichbar hohen Schalldruck zu erzeugen wie mit den üblichen Line Arrays, wären dann in der Anordnung aus Schallwandlern solche Schallwandler einzusetzen, die eine vergleichbar hohe Schallleistung erzeugen können wie ihre Pendants in den konventionellen Applikationen. Wegen der Vielzahl der benötigten Einzelstrahler ist dann der Einsatz der Anordnung aus Einzelstrahlern im PA Bereich ökonomisch nicht sinnvoll.
Erfindungsgemäß ist deshalb eine Lösung zu beschreiben, bei der auch am oberen Ende des Übertragungsbereiches jeder Einzelstrahler effizienter arbeitet als ein einzelner Strahler gleichen Typs in einer konventionellen Anordnung.
Zudem sollte der Vorteil erhalten bleiben, dass in den weit von der Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese entfernten Publikumsbereichen annähernd der gleiche Schalldruck erzeugt werden kann wie in den Bereichen unmittelbar vor der Bühne.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorstehenden Aufgaben sowie weitere, der Beschreibung zu entnehmende Aufgaben werden von einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in nachfolgenden Zeichnungen und in einer detaillierten Beschreibung dargestellt, soll aber die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzen.
Die zugehörige Vorrichtung aus Schallwandlern umfasst typischerweise eine Anordnung von Lautsprechern, typischerweise dynamischen Lautsprechern, die in einer ebenen Fläche angeordnet sind. Jedoch ist auch der Einsatz anderer Wandlerprinzipien, wie elektrostatischen oder piezoelektrischen Wandlern oder auch Microelectromechanical Systems (MEMS) [1] [2] möglich. Auch eine Krümmung der Fläche oder eine abgewinkelte Anordnung von ebenen Teilflächen ist denkbar, selbst eine unregelmäßige Anordnung der Schallwandler an definierten Raumpunkten könnte nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese eine definierte Wellenfront erzeugen. Ein Sonderfall ist die Ausführung der Fläche als eine einzelne Lautsprecherreihe. Bei ihr ist das beschriebene Verfahren nur bedingt wirksam.
Verschiedene Publikumsbereiche können auch mit unterschiedlichem Signalinhalt oder auch mit angepassten Pegel- und Entzerrungswerten bei gleichem Signalinhalt von einer gemeinsamen Vorrichtung aus Schallwandlern versorgt werden. Dadurch wird es möglich, in entfernten Publikumsbereichen nahezu gleiche Schalldrücke zu erzeugen wie unmittelbar vor dem Bühnenbereich einer Großveranstaltung.
Erfindungsgemäß strahlt die Vorrichtung zur Versorgung eines ausgedehnten Publikumsbereiches nicht eine einzelne Wellenfront ab, die sich in breitem Abstrahlwinkel über den gesamten Publikumsbereich ausdehnt, sondern der zu versorgende Bereich wird von einer Vielzahl einzelner virtueller Schallquellen, die von der Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese erzeugt werden, in engem Abstrahlwinkel versorgt. Alle diese virtuellen Schallquellen haben den Signalinhalt der einen virtuellen Schallquelle, die sonst den gesamten Publikumsbereich versorgen müsste. Das hat einerseits den Vorteil, dass der Schalldruck der einzelnen Wellenfronten bei dem geringen Öffnungswinkel kaum mit der Entfernung abnimmt. Zweitens kann wegen der inkohärenten Addition der Einzelsignale in der Ebene der Anordnung aus Lautsprechern der Pegel jeder einzelnen dieser virtuellen Schallquellen weit höher sein, als es ihrem Anteil an der sonst für den breiten Abstrahlwinkel notwendigen einen virtuellen Schallquelle entspricht. Bei einer Vielzahl virtueller Schallquellen mit gleichem Signalinhalt ist es nicht zu vermeiden, dass sich die Versorgungsgebiete der einzelnen Bereiche überlappen. Soweit dann die Ausgangspunkte der betreffenden Wellenfronten unterschiedlichen Abstand zum Zuhörer haben, subtrahieren und addieren sich die Signale entsprechend ihrer Phasenlage zueinander. Es entstehen Kammfiltereffekte im resultierenden Frequenzgang. Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die einzelnen virtuellen Schallquellen mit gleichem Signalinhalt an solchen Positionen erzeugt werden, die gleich weit von einem Punkt in der Mitte des Überlappungsbereiches entfernt sind.
Gemäß der erfindungsgemäßen Lösung werden die Signale virtueller Quellen mit gleichem Signalinhalt so gegeneinander verzögert, dass ihre Signale gleichzeitig an dem Punkt in der Mitte des Überlappungsbereiches eintreffen. Auch dadurch werden die Kammfiltereffekte in diesem Bereich minimiert, das Versorgungsgebiet kann aber durch die größere Freiheit bei der Positionierung der virtuellen Schallquellen gegebenenfalls besser an die Form des Publikumsbereiches angepasst werden.
Mit den in engerem Winkel abgestrahlten Wellenfronten kann gegenüber einer Versorgung des gesamten Publikumsbereiches mit einer einzelnen virtuellen Quelle die Forderung, dass die weit von der Vorrichtung aus Schallwandlern entfernten Publikumsbereiche nahezu mit dem gleichen Schalldruckpegel versorgt werden können, wie der Bereich unmittelbar davor, dadurch erfüllt werden, dass die Pegel der einzelnen Wellenfronten getrennt regelbar sind.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung aus Schallwandlern und Betrieb derer nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese ist es möglich, die zu versorgenden Bereiche sowohl in der Azimut Ebene als auch in der Elevationsebene voneinander zu trennen. So können für nahe der Bühne gelegene Publikumsbereiche abwärts ausgerichtete Wellenfronten erzeugt werden, deren Pegel abgesenkt wird, während die darüber liegenden Wellenfronten für die hinteren Publikumsbereiche mit höherem Pegel abgestrahlt werden. Auch eine getrennte Entzerrung des Frequenzganges, beispielsweise um den Höhenabfall durch die Luftschalldämmung für die weiter entfernten Publikumsbereiche auszugleichen, wird mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich.
Die weitere Aufgabenstellung, dass mit einer gegebenen Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese jeder einzelne Schallwandler auch im oberen Frequenzbereich des Wiedergabespektrums effizienter arbeitet als bei der Reproduktion einer einzigen, breit abgestrahlten Wellenfront, wird mit der erfindungsgemäßen Lösung realisiert. Dazu wird der nachfolgend beschriebene Effekt angewendet.
Man kann sich die eine virtuelle Schallquelle, die einen großen Publikumsbereich in weitem Abstrahlwinkel versorgen muss, auch als Addition von n virtuellen Schallquellen in einem gemeinsamen Punkt vorstellen. Prinzipiell ließen sich diese n virtuellen Schallquellen dann räumlich auch so verteilen, dass sie mit einzelnen, in einem engeren Winkel abgestrahlten Wellenfronten wieder den ursprünglichen Bereich versorgen könnten. Soweit der Pegel jeder einzelnen virtuellen Schallquelle dann der n-te Teil des Pegels der ursprünglichen einen virtuellen Quelle wäre, hätte sich an den Verhältnissen prinzipiell nichts geändert.
Diese erfindungsgemäße Lösung kann aber nun von dem physikalischen Effekt profitieren, das sich die Pegel von mehreren virtuellen Schallquellen mit gleichem Signalinhalt in den einzelnen Schallwandlern nur dann linear addieren, wenn sie gleiche Phasenlage haben. Solange alle n Ausgangspunkte der virtuellen Schallquellen an der gleichen geometrischen Position sind, addieren sich all ihre Signalanteile in jedem Punkt der Anordnung aus Schallwandlern linear als kohärente Signalanteile.
Wenn die gleichen Einzelsignale aber von unterschiedlichen Raumpositionen ausgehen, so liegen sie mit unterschiedlichen Laufzeiten an jedem Schallwandler an. Deshalb addieren und subtrahieren sich ihre Anteile. Im Unterschied zur Addition phasengleicher Signale ergibt sich für die Addition zweier nicht phasenkorrelierter Signalanteile nicht mehr eine Verdoppelung des Signalpegels, sondern nur eine Vektoraddition auf den Wert von Wurzel aus 2 = 1,414, das entspricht nur +3 dB Pegelanhebung. Noch deutlicher wird dieser Unterschied zur linearen Addition bei einer großen Zahl virtueller Quellen mit gleichem Signalinhalt an unterschiedlichen Positionen. So ergibt zum Beispiel der Addition von 256 kohärenten Signalquellen einen Pegelanstieg um +48 dB, die Addition von 256 inkohärenten Quellen aber nur einen Pegelanstieg von +24 dB. Um die Differenz zwischen beiden Werten, in diesem Fall also um +24 dB, kann nun erfindungsgemäß der anteilige Pegel der räumlich verteilten virtuellen Schallquellen mit dem Signalinhalt der einen ursprünglichen virtuellen Schallquelle angehoben werden, ohne dass die einzelnen Schallwandler überlastet werden.
Somit wird es möglich, auch mit Schallwandlern geringer Leistung und Kennempfindlichkeit in einer Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese ausreichend hohe Schallpegel in einem ausgedehnten Zuschauerbereich zu realisieren. Nur im Zentrum der Anordnung aus Schallwandlern bleiben bei dem Verfahren die Signale der verteilten virtuellen Schallquellen in Phase, weil nur dann die Forderung erfüllt werden kann, dass die Wellenfronten im Überlappungsbereich mit gleicher Phasenlage eintreffen.
Jedoch umfasst dieser Bereich am oberen Ende des Überragungsbereiches nur wenige Schallwandler nahe des Mittelpunktes, die Fläche wird erst mit der Wellenlänge des Signals größer. Hier sorgt aber die bessere Anpassung der Anordnung aus Schallwandlern für steigenden Wirkungsgrad.
Es kann auch notwendig sein, den gesamten Publikumsbereich aus mehreren räumlich getrennten virtuellen Schallquellen zu versorgen, damit im gesamten Publikumsbereich ein räumlicher Eindruck entsteht. So können zum Beispiel hinter der als akustischer Vorhang wirkenden Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese auch virtuelle Schallquellen erzeugt werden, die das Signal abstrahlen, das sonst den Stereolautsprechern zugeführt wird. Um die Vorzüge des beschriebenen Verfahrens zu nutzen, kann auch deren jeweiliger Signalinhalt nach dem beschriebenen Verfahren von jeweils zwei oder mehr virtuellen Schallquellen an unterschiedliche Positionen abgestrahlt werden.

Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Das Verfahren ist in Fig. 1 bis 4 dargestellt. Es soll anhand dieser Zeichnungen erläutert werden.
Fig. 1 zeigt die Abstrahlung einer Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese (1) in der die virtuelle Schallquelle (2) den gesamten Publikumsbereich (3) versorgen würde. Das hätte zur Folge, dass der Schalldruck mit der Entfernung von der Anordnung aus Schallwandlern (1) schnell sinken würde, weil sich die Energie der Wellenfront auf eine mit dem Abstand schnell wachsende Oberfläche verteilt.
Das Problem wird dadurch gelöst, dass das Signal statt von der einzelnen virtuellen Schallquelle (2) von mehreren virtuellen Schallquellen (5), (6), (7), (8) mit gleichem Signalinhalt erzeugt wird.
Diese Aufteilung des selben Signals auf mehrere Ausgangspunkte wird erfindungsgemäß dadurch möglich, dass alle virtuellen Schallquellen von solchen Positionen aus ihre Wellenfronten erzeugen, von denen aus sie von der Mitte des jeweiligen, unvermeidlichen Überlappungsbereiches im Publikum (9), (10) und (11) gleich weit entfernt sind. Die sich überlappenden virtuellen Schallquellen sind dazu auf einem gemeinsamen Radius um das Zentrum des Überlappungsbereiches positioniert. Bei einer anderen Anordnung mehrerer virtueller Schallquellen mit gleichem Signalinhalt wären deutlich hörbare Kammfiltereffekte im Überlappungsbereich durch die Überlagerung gleicher Signale mit unterschiedlichen Laufzeiten die unvermeidliche Folge.
Die Oberfläche der Wellenfronten, die von den virtuellen Schallquellen (5), (6), (7) und (8) ausgehen, steigt wegen des geringen Öffnungswinkels der Abstrahlung vor der Anordnung aus Schallwandlern (1) deutlich langsamer mit der Entfernung von (1), als die Oberfläche einer Wellenfront, die von der einzelnen virtuellen Schallquelle (2) ausgehen würde. Entsprechend geringer sinkt ihr Pegel mit der Entfernung. Zudem kann nun Pegel und Entzerrung für jeden Teilbereich getrennt geregelt werden.
In Fig.2 wird der Publikumsbereich (3) wieder von den der Anordnung aus Schallwandlern (3) von den vier virtuellen Schallquellen (5), (6), (7)und (8) versorgt. In der Darstellung sind aber nun die Teilbereiche für die Versorgung unterschiedlich groß gewählt. Die unterschiedlichen Öffnungswinkel der von den virtuellen Schallquellen (5) und (6) ausgehenden Wellenfronten führen nun dazu, dass sich diese Ausgangspunkte nicht mehr auf einem gemeinsamen Radius um das Zentrum ihres Überlappungsbereiches (9) anordnen lassen.
In der Praxis wird die Anforderung nach unterschiedlichen Öffnungswinkeln aber bestehen. Einerseits kann die Abstrahlung damit den gegebenen Verhältnissen angepasst werden. Zum anderen lässt sich dadurch aber auch die zur Verfügung stehende Schallleistung besser nutzen. Weit entfernte Publikumsbereiche werden in sehr engem Winkel versorgt, während für die nahe gelegenen Bereiche die Schallleistung auch ausreicht, wenn sie in einem breiten Abstrahlwinkel verteilt wird.
Damit auch dann die Wellenfronten benachbarter virtueller Schallquellen in ihrem Überlappungsbereich gleichzeitig eintreffen, müssen die Signale zeitlich gegeneinander verschoben werden.
In dem Beispiel ist das Signal der virtuellen Schallquelle (6) um die Zeit zu verzögern, die der Schall für den Weg (dt) benötigt. Dabei muss die Schallgeschwindigkeit entsprechend der aktuellen Außentemperatur in der Berechnung der Laufzeit verwendet werden, damit Laufzeiten im virtuellen und realen Teil der Abstrahlung übereinstimmen. Die aktuelle Temperatur ist deshalb im Zuschauerbereich zu messen und die daraus berechnete Schallgeschwindigkeit ist für alle Berechnungen regelmäßig zu aktualisieren. Eine Messung der Windrichtung und Windgeschwindigkeit im Zuschauerbereich kann die Treffsicherheit der einzelnen Wellenfronten in den Zuschauerbereichen erhöhen.
Entsprechend müssen dann auch die virtuellen Schallquellen (7) verzögert werden, damit die Wellenfronten in ihrem Überlappungsbereich (10) zur virtuellen Schallquelle (6) zur gleichen Zeit eintreffen. Entsprechend werden zuerst die Laufzeiten von (7) zu jedem einzelnen Schallwandler berechnet. Dann wird zu jedem der berechneten Werte die Zeitdifferenz zur virtuellen Schallquelle (6) plus Laufzeit (dt 5) addiert. So bleibt die Krümmung der Wellenfront erhalten, sie wird nur entsprechend später abgestrahlt.
Nachdem alle Laufzeiten von allen virtuellen Lautsprechern zu allen virtuellen Schallquellen entsprechend dieser Prozedur berechnet sind, kann die kleinste im Gesamtsystem berechnete Laufzeit von allen berechneten Laufzeiten im System subtrahiert werden, um so die endgültigen Werte festzuschreiben. Damit wird jede unnötige Latenz des Gesamtsystems vermieden.
Fig.3 stellt die Phasenbeziehungen der Einzelsignale in der Ebene der Anordnung aus Schallwandlern dar. Die geometrischen Verhältnisse sind die gleichen wie in Fig. 1.
In der Ebene der Anordnung aus Schallwandlern (1) sind die auf den Publikumsbereich (2) ausgerichteten, von den zum Überlappungsbereichen gleich weit entfernten virtuellen Schallquellen (3),(4),(5) und (6) ausgehenden Kugelausschnitte der Wellenfronten nur an einem einzigen Punkt im Zentrum der Anordnung aus Schallwandlern in Phase. Nur dort addieren sich die Membranauslenkungen des betroffenen Schallwandlers für alle virtuellen Schallquellen linear. Durch die Anforderung, dass benachbarte virtuelle Schallquellen gleich weit von der Mitte des Bereiches der Überlappung ihrer Wellenfronten im Publikumsbereich entfernt sein müssen, wird diese Bedingung immer erfüllt. Nur im Zentrum der Anordnung aus Schallwandlern sind die Signale aller virtuellen Schallquellen mit gleichem Signalinhalt deshalb bis zu den höchsten Frequenzen des Übertragungsbereiches in Phase. Eine entsprechende Absenkung in diesem Bereich verhindert ihre Überlastung. Wegen der relativ kleinen betroffenen Fläche lässt sich der Pegelverlust im oberen Übertragungsbereich durch entsprechende Entzerrung des Gesamtsignals leicht ausgleichen.
Es wäre auch denkbar, in diesem Bereich spezielle Schallwandler für den Bassbereich anzuordnen oder die Anordnung aus Schallwandlern als Rahmen um eine mittig angeordnete Bildwiedergabe aufzubauen.
Fig.4 stellt die Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese (1) dar, hinter der zwei virtuellen Schallquellen (2r) und (2l) eine räumliche Wiedergabe erzeugen sollen. Es wäre auch möglich, die Anordnung aus Schallwandlern zu teilen, um die virtuellen Schallquellen (2l) und (2r) auf einer breiteren Basislinie anzuordnen.
Unabhängig davon, ob eine solche geteilte Aufstellung gewählt wird, kann das für eine einzelne Quelle beschriebene Verfahren dann für jede Teilfläche angewandt werden. In der Skizze ist das nur für den linken Kanal der Stereowiedergabe eingezeichnet. Wieder ist (3) der Publikumsbereich. Die virtuellen Schallquellen (5), (6), (7) und (8) geben dann von ihren Ausgangspunkten auf den Radien um die Überlappungsbereiche (9), (10) und (11) das Signal der linken Quelle wieder. Der rechte Kanal wird spiegelbildlich in einzelne virtuelle Schallquellen aufgeteilt, aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das in der Skizze nicht dargestellt.
Die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen können auch miteinander kombiniert werden.

Literaturliste

[1] John J. Neumann, Jr. and Kaigham J. Gabriel, CMOS-MEMS Membrane for Audio-Frequency Acoustic Acuation, Electrical and Computer Engineering Dept., Carnegie Mellon University, 2001 , pp. 236-239,
[2] US Pat. 6936524
[3] Berkhout, A.J. (1988): A holographic approach to acoustic control'. Journal of the Audio Engineering Society, Vol.36, No.12, December 1988, pp.977-995.
[4] DE 10 2005 001 395 A1

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Anordnung aus Schallwandlern (1) nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese zur Versorgung eines Publikumsbereiches (3) mit einem gleichen Audiosignalinhalt, wobei die Anordnung aus Schallwandlern (1) so betrieben wird, dass sie Wellenfronten auf den Publikumsbereich (3) ausstrahlt, die denen entsprechen, die in einem Modell von mindestens zwei virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) erzeugt werden, die vom Publikumsbereich (3) aus betrachtet hinter der Anordnung aus Schallwandlern (1) angeordnet sind, und deren jeweilige, dem gleichen Audiosignalinhalt entsprechenden Wellenfronten jeweils nur auf einen Teil des Publikumsbereichs (3) ausgerichtet sind, wobei sich die entsprechenden Wellenfronten des Audiosignalinhalts und Öffnungswinkel der Wellenfronten in Bezug auf die Anordnung der Schallwandler (3) aus Positionen der mindestens zwei virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) ergeben, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalpegel am oberen Ende des zu übertragenden Frequenzbereiches Zentrum der Anordnung aus Schallwandlern (1) abgesenkt wird, um mit dem verbleibenden Frequenzbereich wegen der inkohärenten Addition der entsprechenden Wellenfronten eine höhere Effizienz der Schallerzeugung zu bewirken, wobei zur Versorgung eines Publikumsbereiches (3) mit einem gleichen Audiosignalinhalt
- die virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) mit gleichem Signalinhalt an unterschiedlichen Positionen angeordnet werden, und

- die virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) mit gleichem Signalinhalt von einem Punkt in der Mitte des Teiles im Pubilkumsbereich (3), in dem sich eine Überlappung ihrer Wellenfronten im Model nicht vermeiden lässt, gleich weit entfernt sind, oder der Signalinhalt der virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) soweit gegeneinander verzögert wird, dass ihre Wellenfronten in diesem Punkt zur gleichen Zeit eintreffen, und

- wobei die höhere Effizienz der Schallerzeugung durch eine Pegelanhebung der räumlich verteilten virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ansteuerung der Schallwandler (1) eine kürzeste Laufzeit, die sich aus der Berechnung von Laufzeiten zwischen allen virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) und allen einzelnen Schallwandlern (1) ergibt, von allen berechneten Laufzeiten subtrahiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pegel der virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8), die einzelne Publikumsbereiche (3) mit dem gleichen Signalinhalt versorgen, getrennt geregelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pegel der virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8), die einzelne Publikumsbereiche (3) mit dem gleichen Signalinhalt versorgen, getrennt entzerrt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Wellenfronten einzelner virtueller Schallquellen (5, 6, 7, 8), die den Signalinhalt einer primären virtuellen Schallquelle von diskreten Positionen aus reproduzierer weiterer individueller Signalinhalt, der auf den von dieser primären virtuellen Schallquelle versorgten Publikumsbereich (3) beschränkt bleibt, zugemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Temperatur und/oder Windrichtung und -Geschwindigkeit im Publikumsbereich (3) gemessen wird, um durch eine entsprechende Anpassung von Parametern im Model für die Erzeugung der Wellenfronten einer Zerstreuung oder Ablenkung der Wellenfronten entgegenzuwirken.
Vorrichtung mit einer Anordnung aus Schallwandlern (1) zur Versorgung eines Publikumsbereiches (3) mit einem gleichen Audiosignalinhalt nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese, wobei die Vorrichtung so konfiguriert ist, dass von der Anordnung aus Schallwandlern (1) ausgestrahlte Wellenfronten auf den Publikumsbereich (3) denen entsprechen, die in einem Modell von mindestens zwei virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) erzeugt werden, die vom Publikumsbereich (3) aus betrachtet hinter der Anordnung aus Schallwandlern (1) angeordnet sind, und deren jeweilige, dem gleichen Audiosignalinhalt entsprechenden Wellenfronten jeweils nur auf einen Teil des Publikumsbereichs (3) ausgerichtet sind, wobei die entsprechenden Wellenfronten des Audiosignalinhalts und Öffnungswinkel der Wellenfronten in Bezug auf die Anordnung der Schallwandler (3) sich aus derr Positionen der mindestens zwei virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) ergeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin so konfiguriert ist, dass ein Signalpegel am oberen Ende des zu übertragenden Frequenzbereiches im Zentrum der Anordnung aus Schallwandlern (1) abgesenkt wird, um mit dem verbleibenden Frequenzbereich wegen der inkohärenten Addition der entsprechenden Wellenfronten eine höhere Effizienz der Schallerzeugung zu bewirken, wobei zur Versorgung eines Publikumsbereiches (3) mit einem gleichen Audiosignalinhalt
- die virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) mit gleichem Signalinhalt an unterschiedlichen Positionen angeordnet werden, und

- die virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) mit gleichem Signalinhalt von einem Punkt in der Mitte des Teiles im Pubilkumsbereich (3), in dem sich eine Überlappung ihrer Wellenfronten im Model nicht vermeiden lässt, gleich weit entfernt sind, oder der Signalinhalt der virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) soweit gegeneinander verzögert wird, dass ihre Wellenfronten in diesem Punkt zur gleichen Zeit eintreffen, und

- wobei die höhere Effizienz der Schallerzeugung durch eine Pegelanhebung der räumlich verteilten virtuellen Schallquellen (5, 6, 7, 8) bewirkt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Zentrum der Anordnung aus Schallwandlern (5, 6, 7, 8) mit speziell auf die Wiedergabe des Bassbereiches ausgelegten Schallwandlern (5, 6, 7, 8) bestückt oder frei gelassen ist, und/oder wobei die Anordnung aus Schallwandlern (5, 6, 7, 8) als ein Rahmen um eine zugeordnete Bildwiedergabe angeordnet ist und/oder die Bildwiedergabe umgibt.