EP3061271A1 - Wellenfeldsynthese-system - Google Patents

Wellenfeldsynthese-system

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EP3061271A1
EP3061271A1 EP14781270.5A EP14781270A EP3061271A1 EP 3061271 A1 EP3061271 A1 EP 3061271A1 EP 14781270 A EP14781270 A EP 14781270A EP 3061271 A1 EP3061271 A1 EP 3061271A1
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EP
European Patent Office
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sound transducers
sound
wave field
reference point
transducers
Prior art date
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EP14781270.5A
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English (en)
French (fr)
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Frank Stefan SCHMIDT
Helmut Oellers
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Holoplot GmbH
Original Assignee
Advanced Acoustic SF GmbH
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Publication date
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Publication of EP3061271A1 publication Critical patent/EP3061271A1/de
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Publication of EP3061271B1 publication Critical patent/EP3061271B1/de
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R5/00—Stereophonic arrangements
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    • H04S3/00—Systems employing more than two channels, e.g. quadraphonic
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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    • H04R2201/401—2D or 3D arrays of transducers
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    • H04S7/00—Indicating arrangements; Control arrangements, e.g. balance control
    • H04S7/30—Control circuits for electronic adaptation of the sound field
    • H04S7/302—Electronic adaptation of stereophonic sound system to listener position or orientation

Definitions

  • the present invention relates to a device of sound transducers according to the principle of wave field synthesis.
  • the principle of wave field synthesis realizes the "acoustic curtain." In its range, all the sound sources and also the reflections of these sound sources in the recording room can be physically reconstructed in all three spatial dimensions, thus reproducing in a source-free reproduction area the acoustics of the recording room arise.
  • the method of wave field synthesis is therefore usually reduced to a horizontal series of transducers placed around the listener. This also reduces the playback to this horizontal level, correct spatial reproduction is no longer possible.
  • the cylindrical propagation of the wavefronts then requires that the acoustics of the playback room must be completely suppressed.
  • the object of the invention is therefore to describe a device that is portable for practical reasons and in the computing power in the
  • the device of sound transducers according to the principle of
  • Wave field synthesis not as a closed unit, as described for example in [6] to execute, but to build decentralized.
  • the individual modules are usually executed the same way.
  • An enclosing housing may allow a modular design. This has the advantage that the modules are interchangeable and that they only have to be assigned to a position in the coordinate system during the setup process of the system. In addition, they can be preassembled and pre-wired for live PA in groups to ensure a quick setup of the system.
  • All audio signals can then be routed in a common line to each module.
  • the data for the delay times and levels for each individual transducer can be transmitted very effectively with a serial transmission protocol if the model - based approach of the
  • Wave field synthesis is used. All audio channels of the system are then routed to all modules in a data stream.
  • the additional amount of data to be transmitted to the modules for the calculation of the signals for each individual transducer in a second data stream is comparatively very small.
  • the synthesis of content, ie the audio signals themselves, and form, ie the associated data, is then no longer carried out according to the invention in a central unit, but autonomously in each modular unit. Because of the modular design, no more differentiated data or individual audio signals for each individual transducer must be transmitted.
  • the data stream which is fed from the central unit to all modules, only contains the vector of each virtual sound source to be displayed to a single reference point in the system.
  • the vector of a in all modules, the same reference point of the relevant module to this common reference point is known, because it results from the edge lengths of the modules or modules and their position within the array of transducers.
  • the vectors of each individual transducer are stored to this reference point.
  • the vector addition of the reference point of the arrangement of sound transducers for Coordinate origin plus vector of the reference point of the module to the reference point of the arrangement of sound transducers plus vector of the respective sound transducer to the reference point of the module gives the exact position of the respective sound transducer to
  • the audio signals are convoluted into the respective impulse responses in a central processing unit, and the output of this convolution is sent to the individual output amplifiers.
  • Source positions can follow very quickly the natural location changes of the original sound sources and their first high-sound reflections, so is the representation of
  • the modular structure of the wave field synthesis system creates another fundamental advantage. Since the amount of data to be transferred and the computational effort in the central unit is independent of the number of modules or modules connected, the system becomes freely scalable. So not only the usual reduction of the Be easily overcome on the horizontal level of the listener. Even very large acoustic curtains with directional effects down to the bass range and tightly focused concave wavefronts can be realized.
  • modules could also be assembled into a physical structure, such as a cube or cuboid, in which virtual sound sources emit to the outside.
  • microstructures could be used for a combined reproduction of auditory and visual information.
  • FIGS. 1 and 2 The device is shown in FIGS. 1 and 2. It will be explained with reference to these drawings.
  • Fig. 1 shows a modular device of sound transducers according to the principle of wave field synthesis (1). With her virtual sound sources (2) are shown, the position of which is given in a coordinate system with respect to the coordinate origin (3).
  • the coordinate origin may be at the position of a listener in the playback room, but it may be set arbitrarily. In any case, the vector of a
  • Reference point (4) of the device may be known from sound transducers to this coordinate origin. Then the respective reference point in each of the modules (5) in the Device from Schallwandlem given by the placement of the module in the system and the edge length of the modules. In the module, the position of each individual transducer (6) is given to each individual transducer.
  • the position of each individual virtual sound source can be determined to each individual transducer by adding the individual vectors.
  • FIG. 2 shows that all the audio signals and data are routed to each module. This can be done via separate lines (1) and (2) or all information can also be transmitted via a common protocol to the modules.
  • the amount of data is relatively small because only the position of the virtual sources in the coordinate system and their assignment to the audio signals must be transmitted. This allows an update of the positions in very short time intervals.
  • the signals of all input sources delayed and added up from all according to the module position in the arrangement of sound transducers of all input sources can be fed to the corresponding power amplifier for the few transducers in the module.
  • the audio signal will appear on the playback page in a renderer for each
  • the starting points of the elementary waves should be close together.
  • the virtual sound sources can only arise in the area of the arrangement of sound transducers. Therefore, their number becomes very large when a two-dimensional sound transducer surface is built up.
  • the requirements for the renderer prior art systems increase, the control of a large number of transducers requires a high computational effort.
  • the principle of wave field synthesis was therefore usually reduced to a horizontal transducer array.
  • the wave field synthesis is usually on the listener's horizontal plane is reduced, the third dimension is lost in the reproduction of the sound events.
  • the necessary computing power can be distributed decentrally, because the amount of data to be transmitted between the subsystems does not increase with the number of sound transducers.
  • the system becomes freely scalable.
  • Wavefronts from the audio signals and the associated data for the individual transducers contained within the respective assembly wherein the geometric position of a reference point within the coordinate system for the model-based approach of wave field synthesis for each individual assembly by their placement in the arrangement of Schaliwandmod and the Edge length of the individual modules is determined and the position of each transducer in this
  • Coordinate system is defined by its arrangement to this reference point of the assembly, so that solely from the arrangement of the assemblies in the arrangement
  • Sound transducers can determine the position of each individual transducer in the coordinate system from the vector addition to the respective higher reference point.
  • the assemblies are enclosed by a module housing or are formed of equal size segments in a structure of components.
  • the arrangement of transducers is freely scalable in size because the computing power in the central unit does not increase with the number of transducers in the system.
  • all the audio signals and the data for the synthesis of the wavefronts are fed to all assemblies of the device, wherein in each assembly, the data are processed, resulting from the position of the respective assembly within the array of sound transducers.
  • the position of the individual transducers within an assembly is stored relative to a fixed reference point of the assembly in the assembly.
  • the position of a fixed reference point of each module is determined to the position of a reference point of the device from sound transducers by informing the module at which position it is installed within the device of sound transducers and they are stored therefrom with the aid of Dimensions of the individual modules, which can also be designed as a module, the position of their reference point to the central reference point of the device
  • the modules are different density with
  • the assemblies can be constructed in a closed plane, closed row.
  • the assemblies can also be constructed so that they are not arranged in a closed plane or closed row.
  • the sound transducers are associated with sub-surfaces, which can form a body that can radiate the wavefronts in a common system in different directions.
  • a system for image reproduction is applied to the same carrier system that carries the sound transducer.
  • the modules or modules are combined in pre-assembled units. This allows a faster setup of the system.
  • a decentralized device constructed from acoustic transducers according to the principle of wave field synthesis on multiple modules, each having a plurality of sound transducers and an assembly control,
  • each module controller is arranged to generate drive signals for the sound transducers of its assembly of audio signals and associated data for the form for the synthesis of the wavefronts.
  • This structure also enables a system for image reproduction to be applied to a support system carrying the sound transducers.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese, die in einem dezentralen Aufbau zu einer frei skalierbaren Gesamtgröße zusammengesetzt werden kann. Der dezentrale Aufbau des Systems gewährleistet die freie Skalierbarkeit. Der Rechenaufwand im Zentralsystem bleibt unabhängig von der Anzahl der Schallwandler im Gesamtsystem. In den bisher bekannten Vorrichtungen zur Rekonstruktion eines Schallfeldes nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese steigen die Anforderungen an das Zentralsystem mit der Anzahl der von ihm versorgten Schallwandler. Auch deshalb wird die Wellenfeldsynthese meist auf die horizontale Ebene des Zuhörers reduziert, die dritte Dimension geht in der Reproduktion der Schallereignisse verloren. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es möglich, im modellbasierenden Ansatz der Wellenfeldsynthese auch beliebig große, zweidimensionale Vorrichtungen aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese aufzubauen, die schnelle Ortsveränderungen der virtuellen Schallquellen mit den damit verbundenen Dopplereffekten ohne Artefakte realisieren können. Dabei kann die dafür notwendige Rechenleistung deshalb dezentral verteilt werden, weil die zwischen den Teilsystemen zu übertragende Datenmenge vergleichsweise gering bleibt.

Description

Wellenfeldsynthese-System
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese.
Hintergrund der Erfindung
Mit dem von Prof. Berkhout 1988 erstmals beschriebenen Verfahren der Wellenfeldsynthese für die Reproduktion von Audiosignalen [1] können die von einer natürlichen Schallquelle ausgehenden Wellenfronten nach Huygens Prinzip physikalisch rekonstruiert werden. Aus den Elementarwellen einer großen Anzahl einzeln angesteuerter Schallwandler entsteht an der Position der natürlichen Schallquelle eine virtuelle Schallquelle.
Wenn diese Schallwandler auf einer zweidimensionalen Fläche aufgebaut sind, verwirklicht das Prinzip der Wellenfeldsynthese den„akustischen Vorhang". In seinem Bereich lassen sich alle Schallquellen und auch die Reflexionen dieser Schallquellen im Aufnahmeraum in allen drei Raumdimensionen physikalisch rekonstruieren, so dass in einem quellfreien Wiedergabebereich wieder die Akustik des Aufnahmeraumes entsteht.
Um die Akustischen Verhältnisse im Aufnahmeraum vollständig zu rekonstruieren wäre es notwendig, den akustischen Vorhang rings um den Zuhörer aufzubauen, damit auch alle Reflexionen des Aufnahmeraumes an ihrem korrekten Ausgangspunkt erzeugt werden können. In der Praxis ist eine solche„Akustische Kabine" bis heute nicht realisiert. Die Zahl der Schallwandler würde sehr groß, weil sie wegen der sonst auftretenden Aliasingeffekte in geringem Abstand zueinander angeordnet sein müssen.
In der Praxis wird das Verfahren der Wellenfeldsynthese deshalb meist auf eine horizontale Reihe von Schallwandlern, die rings um den Zuhörer angeordnet werden, reduziert. Damit reduziert sich auch die Wiedergabe auf diese horizontale Ebene, korrekte räumliche Wiedergabe ist nicht mehr möglich. Zudem bedingt die zylinderförmige Ausbreitung der Wellenfronten dann, dass die Akustik des Wiedergaberaumes vollständig unterdrückt werden muss.
In den letzten Jahren ist es einigen Forschungseinrichtungen aber gelungen, einen zweidimensionalen akustischen Vorhang aufzubauen. Für den Fall, dass nicht alle
Reflexionen des Aufnahmeraumes an ihrem korrekten Ausgangspunkt rekonstruiert werden, sondern nur die psychoakustisch bedeutsamen direkten Wellenfronten und die ersten schallstarken Reflexionen, ist in [3] eine Lösung beschrieben, die in einem
C0NFIRMATI0N COPY modellbasierenden Ansatz die rings um den Zuhörer anzuordnenden Schallwandler durch gezielt erzeugte Reflexionen des Wiedergaberaumes ersetzt.
Jedoch ist auch ein solcher, frontal vor dem Zuhörer aufgebauter akustischer Vorhang kaum praktikabel, wenn er als gesamte Einheit aufgebaut wird. Er muss ausreichend groß sein, um die direkten Wellenfronten in seinem Bereich zu reproduzieren. Der Aufwand dafür wird enorm, abgesehen davon ließe er sich als fertig montierte Einheit kaum noch in den
Wiedergaberaum transportieren.
Für eine begrenzte Zahl fix positionierter virtueller Schallquellen bleibt der Rechenaufwand für die Wellenfeldsynthese auch für den Aufbau eines zweidimensionalen akustischen Vorhanges beherrschbar, wenn mehrere Systeme gekoppelt werden. Wenn sich aber eine Schallquelle im Aufnahmeraum bewegt, müssen auch alle Laufzeiten und alle Pegel aller davon abhängigen Reflexionen zu jedem einzelnen Schallwandler neu berechnet werden. Diese Operation für alle Schallwandler eines akustischen Vorhanges so schnell auszuführen, das die Bewegung einer Schallquelle kontinuierlich dargestellt werden kann, stößt selbst im modellbasierten Ansatz der Wellenfeldsynthese und beschränkt auf die Reflexionen
1.Ordnung noch heute an die Grenze der technischen Möglichkeiten.
Noch weit höher ist der Rechenaufwand, wenn eine Ortsveränderung des Zuhörers im Aufnahmeraum dargestellt werden soll. Dann ändern sich alle Laufzeiten aller direkten Wellenfronten und aller Reflexionen zu jedem einzelnen Schallwandler. Die neu berechneten Daten müssten mindestens acht Mal in der Sekunde eingelesen werden um eine
einigermaßen fließende Bewegung darzustellen [4].
Wegen der verfügbaren Rechenleistung wird im Datenbasierenden Ansatz der
Wellenfeldsynthese deshalb darauf zurückgegriffen, die Impulsantworten für jeden
Schallwandler für diskrete Quellpositionen vorauszuberechnen und abzuspeichern, um die virtuellen Schallquellen dann sprunghaft von einer Position zur nächsten zu verschieben [5].
Jedoch werden bei sprunghaften Bewegungen der virtuellen Schallquellen nicht die
Dopplereffekte erzeugt, die bei der Ortsveränderung einer realen Schallquelle entstehen.
Die Aufgabenstellung der Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung zu beschreiben, die aus praktischen Gründen transportabel ist und in der die Rechenleistung in der
Zentraleinheit nicht mit der Anzahl der Schallwandler wächst.
So soll es auch möglich werden, die Positionen der virtuellen Schallquellen so schnell zu verändern, dass schnelle Bewegungen einer Schallquelle im dreidimensionalen Raum die natürlichen Dopplereffekte der Ortsveränderung einer realen Schallquelle hervorrufen. Beschreibung der Erfindung
Die vorstehenden Aufgaben sowie Weitere, der Beschreibung zu entnehmende Aufgaben werden von einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruch 1 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.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der
Wellenfeldsynthese nicht als geschlossene Einheit, wie sie zum Beispiel in [6] beschrieben ist, auszuführen, sondern dezentral aufzubauen. Die einzelnen Baugruppen werden in der Regel gleich ausgeführt. Ein umschließendes Gehäuse kann einen modularen Aufbau ermöglichen. Das hat den Vorteil, dass die Module austauschbar sind und das sie erst im Setupprozess des Systems einer Position im Koordinatensystem zugeordnet werden müssen. Zudem können sie für Livebeschallungen in Gruppen vormontiert und vorverkabelt werden, um einen schnellen Aufbau des Systems zu gewährleisten.
Alle Audiosignale können dann in einer gemeinsamen Leitung zu jedem Modul geführt werden. Mit einem seriellen Übertragungsprotokoll lassen sich bei dem dezentralen Aufbau des Systems auch die Daten für die Verzögerungszeiten und Pegel für jeden einzelnen Schallwandler sehr effektiv übertragen, wenn der modellbasierende Ansatz der
Wellenfeldsynthese zur Anwendung kommt. Dabei werden dann alle Audiokanäle des Systems in einem Datenstrom zu allen Baugruppen geleitet.
Die zusätzlich zu übertragende Datenmenge, die zur Berechnung der Signale für jeden einzelnen Schallwandler in einem zweiten Datenstrom zu den Baugruppen geführt wird, ist vergleichsweise sehr gering. Die Synthese aus Inhalt, also den Audiosignalen selbst, und Form, also den zugehörigen Daten, wird dann erfindungsgemäß nicht mehr in einer Zentraleinheit ausgeführt, sondern autark in jeder modularen Einheit. Wegen des modularen Aufbaus müssen nicht mehr differenzierte Daten oder einzelne Audiosignale für jeden einzelnen Schallwandler übertragen werden. Der Datenstrom, der von der Zentraleinheit zu allen Baugruppen geführt wird, enthält nur noch den Vektor jeder darzustellenden virtuellen Schallquelle zu einem einzigen Bezugspunkt im System.
In den Baugruppen selbst ist nach dem Setup Prozess der Vektor eines, in allen Baugruppen gleichen, Bezugspunktes des betreffenden Moduls zu diesem gemeinsamen Bezugspunkt bekannt, weil er sich aus den Kantenlängen der Baugruppen oder Module und deren Position innerhalb der Anordnung aus Schallwandlern ergibt. In der Baugruppe oder Modul selbst sind dann die Vektoren jedes einzelnen Schallwandlers zu diesem Bezugspunkt gespeichert. Die Vektoraddition des Bezugspunktes der Anordnung aus Schallwandlern zum Koordinatenursprung plus Vektor des Bezugspunktes des Moduls zum Bezugspunkt der Anordnung aus Schallwandlern plus Vektor des jeweiligen Schallwandlers zum Bezugspunkt des Moduls ergibt die exakte Position des betreffenden Schallwandlers zum
Koordinatenursprung des Systems.
Im modellbasierten Ansatz der Wellenfeldsynthese ist auch der Vektor jeder virtuellen Schallquelle zum Koordinatenursprung bekannt. Deshalb lässt sich innerhalb eines jeden Modules auch die Distanz zwischen jeder virtuellen Schallquelle zu jedem Schallwandler berechnen. Daraus lässt sich leicht die Laufzeit des Schalls von dieser virtuellen Schallquelle zum betreffenden Schallwandler ableiten, wenn die korrekte, von der Temperatur des Ausbreitungsmediums vor dem akustischen Vorhang abhängige, aktuelle
Schallgeschwindigkeit bekannt ist.
Die Zahl der virtuellen Schallquellen für die Darstellung der Quellen selbst und ihrer ersten schallstarken Reflexionen ist im modellbasierenden Ansatz der Wellenfeldsynthese überschaubar. Unter Beachtung des direktionalen Auflösungsvermögens des menschlichen Gehörs wird allgemein davon ausgegangen, dass es keinen wahrnehmbaren Vorteil bringt, wenn mehr als 32 separate Positionen von direkten Schallquellen darstellbar sind [7].
Werden nur die ersten schallstarken Reflexionen dieser Quellen korrekt synthetisiert, so entstehen für jeden Audiokanal sieben virtuelle Ausgangspunkte von virtuellen Schallquellen. Im digitalen System ist es naheliegend, eine achte Position für eine zusätzliche schallstarke Reflexion zu reservieren.
So entstehen in dem gemeinsamen Datenstrom, der zu den Baugruppen geführt wird, nur 32 x 8 = 256 Quellpositionen für direkte Wellenfronten und erste schallstarke Reflexionen als vektorielle Größe zu dem Bezugspunkt der Anordnung aus Schallwandlern. Im Vergleich wären bei einem komplett in einer Einheit aufgebauten akustischen Vorhang, beispielsweise mit 1024 einzelnen Schallwandlern, 32 x 8 x 1024 Ausgangspunkte von virtuellen
Schallquellen in allen drei Raumpositionen zu definieren, das sind 262144 vektorielle Größen. Noch höher würde die Datenmenge im Datenbasierenden Ansatz. Hier sind in den Impulsantworten nicht nur die Positionen von Quelle und ersten schallstarken Reflexion enthalten, sondern alle Ausgangspunkte aller Reflexionen werden in der Faltung in die Impulsantwort wiederhergestellt. Diese Datenmenge für viele einzelne Positionen von Schallwandlern auf einer Leitung zu übertragen wäre nur möglich, wenn viel Zeit für die Übertragung zur Verfügung stehen würde. Dann wären aber schnelle Ortsveränderungen der Schallquelle nicht möglich.
Deshalb werden die Audiosignale im Datenbasierenden Verfahren der Wellenfeldsynthese in einer Zentralen Verarbeitungseinheit in die entsprechenden Impulsantworten gefaltet und das Ausgangssignal dieser Faltung wird an die einzelnen Endverstärker geleitet. Je größer die Zahl der einzelnen Schallwandler wird, umso größer wird der in der
Zentraleinheit zu verarbeitende Rechenaufwand. Das hat in der Vergangenheit dazu geführt, dass das Prinzip der Wellenfeldsynthese fast immer auf eine einzelne horizontale Reihe aus Schallwandlern reduziert wurde.
Fundamentaler Vorzug des erfindungsgemäßen, modularen Aufbaues der Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese ist es, das die zentral zu verarbeitende Rechenleistung und die zu den Baugruppen zu übertragende Datenmenge unabhängig von der Zahl der Schallwandler im Gesamtsystem ist. Sie ist für einen beliebig großen akustischen Vorhang nicht höher als für einen einzelnen Schallwandler.
Das macht die Darstellung sehr schneller Bewegungen der Schallquelle mitsamt der zugehörigen Positionsänderungen ihrer ersten schallstarken Reflexionen im
modellbasierenden Ansatz möglich. Die acht mal drei Distanzwerte aus der zentralen Berechnung ergeben selbst bei einer extrem hohen Auflösung der Einzelwerte mit 24 Bit nur eine Datenmenge von 576 Bit für jede Schallquelle und ihre ersten schallstarken
Reflexionen. Für 32 Audiokanäle ergibt sich dann nur eine Datenrate von 2,304 kByte für alle Positionsdaten. Dieser Wert ist so klein, das auch die nach [6] geforderten 8 Updates pro Sekunde für einen flüssigen Bewegungsablauf der Quelle problemlos weit überschritten werden können.
Bisher war es wegen der begrenzten Updatefähigkeit der Quellpositionen selbst bei den auf die horizontale Ebene reduzierten Ausführungen von Wellenfeldsynthesesystemen üblich, Impulsantworten für vordefinierte Quellpositionen zu definieren und im System zu speichern, um die virtuelle Schallquelle dann von einer vordefinierten Position zur anderen springen zu lassen. Solange die Quelle nur von einem Punkt zum anderen springt, ist sie an dem jeweiligen Punkt ortsfest und beim sprunghaften Wechsel der Position entstehen
zwangsläufig nicht die natürlichen Dopplereffekte einer kontinuierlichen Bewegung, die unser Ohr sehr sensitiv auswertet, sondern Artefakte.
Wenn aber die jeweils zu verarbeitende Datenmenge im modellbasierten Ansatz der Wellenfeldsynthese wegen der Aufteilung auf einzelne Module gering ist und die
Quellpositionen sehr schnell den natürlichen Ortsveränderungen der originären Schallquellen und ihrer ersten schallstarken Reflexionen folgen können, so ist die Darstellung von
Dopplereffekten bei bewegten virtuellen Schallquellen ohne Artefakte möglich, weil eine kontinuierliche Bewegung der virtuellen Schallquellen im Raum entsteht.
Aus dem modularen Aufbau des Wellenfeldsynthesesystems entsteht ein weiterer fundamentaler Vorteil. Weil die Menge der zu übertragenden Daten und der Rechenaufwand in der Zentraleinheit unabhängig von der Anzahl der angeschlossenen Baugruppen oder Module ist, wird das System frei skalierbar. So kann nicht nur die übliche Reduktion des Verfahrens auf die horizontale Ebene des Zuhörers leicht überwunden werden. Auch sehr große akustische Vorhänge mit Richtwirkungen bis in den Bassbereich und eng fokussierten konkaven Wellenfronten werden realisierbar.
Selbst die„akustische Kabine", die dem theoretischen, im Kirchhoff Helmholtz Integral beschriebenen Ansatz der Wellenfeldsynthese zu einer vollständigen physikalischen Rekonstruktion des Ausgangsschallfeldes in einem quellfreien Volumen nahe kommt, wäre wegen der freien Skalierbarkeit des modular aufgebauten Systems realisierbar.
Dazu wäre es auch möglich, in dem modularen Aufbau Subsysteme unterschiedlicher Leistungsfähigkeit aufzubauen, beispielsweise hinter dem Zuhörer einen größeren Abstand zwischen den Schallwandlern zu wählen. Die Module könnten auch zu einer körperlichen Struktur, beispielsweise einem Würfel oder Quader, zusammengefügt werden, in denen virtuelle Schallquellen nach außen strahlen.
Mit dem dezentralen Aufbau lassen sich so auch sehr viele sehr kleine Schallwandler ansteuern. Zukünftig könnten sich der Anwendung von MEMs [8] in Verbindung mit Wellenfeldsystemen neue Perspektiven eröffnen. Die integrierten Schallwandler lassen sich in großer Zahl auf einer gemeinsamen Trägerbasis mit anderen integrierten Bauelementen aufbauen. Diese Fläche könnte dann tatsächlich wie ein Vorhang Wellenfronten erzeugen, die völlig frei von den Aliasingeffekten ist, die bei den vom theoretischen Ansatz der Wellenfeldsynthese abweichenden, relativ großen Elementarwellen herkömmlicher
Schallwandler unvermeidlich sind.
Auf dem Träger der Bauelemente wären dann wieder, analog zum Modularen Aufbau, Gruppen von Schallwandlern zu bilden, die von einem verteilten System aus
AnSteuereinheiten versorgt werden. Zukünftig könnten solche Mikrostrukturen für eine kombinierte Reproduktion von auditiven und visuellen Informationen genutzt werden.
Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Die Vorrichtung ist in Fig. 1 und 2 dargestellt. Sie soll anhand dieser Zeichnungen erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine modular aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese (1 ). Mit ihr sollen virtuelle Schallquellen (2) dargestellt werden, deren Position in einem Koordinatensystem bezüglich des Koordinatenursprunges (3) gegeben ist. Der Koordinatenursprung kann an der Position eines Zuhörers im Wiedergaberaum sein, sie kann aber auch beliebig festgelegt werden. In jedem Fall muss der Vektor eines
Bezugspunktes (4) der Vorrichtung aus Schallwandlern zu diesem Koordinatenursprung bekannt sein. Dann ist der jeweilige Bezugspunkt in den einzelnen der Module (5) in der Vorrichtung aus Schallwandlem durch die Platzierung des Moduls im System und die Kantenlänge der Module gegeben. Im Modul ist die Position jedes einzelnen Schallwandlers (6) zu jedem einzelnen Schallwandler gegeben.
Weil in dem Koordinatensystem dann die Positionen der virtuellen Schallquellen zum Koordinatenursprung (3) und alle Vektoren der Bezugspunkte bis hin zu jedem einzelnen Schallwandler bekannt sind, kann durch Addition der einzelnen Vektoren die Position jeder einzelnen virtuellen Schallquelle zu jedem einzelnen Schallwandler bestimmt werden.
In Fig.2 ist dargestellt, das alle Audiosignale und Daten zu jedem Modul geführt werden. Das kann über separate Leitungen (1 ) und (2) geschehen oder alle Informationen können auch über ein gemeinsames Protokoll zu den Baugruppen übertragen werden. Die Datenmenge ist vergleichsweise gering, weil nur die Position der virtuellen Quellen im Koordinatensystem und ihre Zuordnung zu den Audiosignalen übertragen werden muss. Das ermöglicht ein Update der Positionen in sehr kurzen Zeitintervallen. Entsprechend schnell können für die wenigen Schallwandler im Modul die aus allen entsprechend der Modulposition in der Anordnung aus Schallwandlern verzögerten und aufaddierten Signale aller Eingangsquellen an den entsprechenden Endverstärker geführt werden.
Bei den hier beschriebenen Vorrichtungen aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese zur Reproduktion von Schallereignissen muss nicht auf die
psychoakustisch bedingte Bildung von Phantomschallquellen zwischen Lautsprechern zurückgegriffen werden, sondern das Schallfeld wird physikalisch rekonstruiert. Aus dem Audiosignal selbst (Inhalt) und Daten zu seiner Gestalt (Form) werden nach Huygens Prinzip Wellenfronten aus Elementarwellen rekonstruiert. Es entstehen virtuelle Schallquellen, die sich physikalisch nicht von der Wellenfront der realen Schallquelle unterscheiden.
Das Audiosignal wird dabei auf der Wiedergabeseite in einem Renderer für jede
Elementarwelle in die räumliche Impulsantwort des Aufnahmeraumes gefaltet [2].
Für eine korrekte Reproduktion sollten die Ausgangspunkte der Elementarwellen eng beieinander liegen. Die virtuellen Schallquellen können nur im Bereich der Anordnung aus Schallwandlern entstehen. Deshalb wird ihre Zahl sehr groß, wenn eine zweidimensionale Schallwandlerfläche aufgebaut wird.
Damit steigen die Anforderungen an den Renderer vorbekannte Systeme, die Ansteuerung einer großen Zahl von Schallwandlern bedingt einen hohen Rechenaufwand. In der Praxis wurde das Prinzip der Wellenfeldsynthese deshalb in der Regel auf eine horizontale Schallwandler-Reihe reduziert. In diesen Systemen wird die Wellenfeldsynthese meist auf die horizontale Ebene des Zuhörers reduziert, die dritte Dimension geht in der Reproduktion der Schallereignisse verloren.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann die notwendige Rechenleistung jedoch dezentral verteilt werden, weil die zwischen den Teilsystemen zu übertragende Datenmenge nicht mit der Zahl der Schallwandler ansteigt. Das System wird damit frei skalierbar.
Dies ermöglicht sogar beliebig große, zweidimensionale Vorrichtungen aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese aufzubauen, die schnelle Ortsveränderungen der virtuellen Schallquellen mit den damit verbundenen Dopplereffekten ohne Artefakte realisieren können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer dezentral aufgebaute Vorrichtung aus
Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese wird die Synthese der
Wellenfronten aus den Audiosignalen und den dazugehörigen Daten für die in einzelnen Baugruppen enthaltenen Schallwandler innerhalb der jeweiligen Baugruppe ausgeführt, wobei die geometrische Position eines Bezugspunktes innerhalb des Koordinatensystems für den modellbasierten Ansatz der Wellenfeldsynthese für jede einzelne Baugruppe durch ihre Platzierung in der Anordnung aus Schaliwandlern und die Kantenlänge der einzelnen Baugruppen bestimmt ist und die Position jedes einzelnen Schallwandlers in diesem
Koordinatensystem durch seine Anordnung zu diesem Bezugspunkt der Baugruppe definiert ist, so dass sich allein aus der Anordnung der Baugruppen in der Anordnung aus
Schallwandlern die Position jedes einzelnen Schallwandlers im Koordinatensystem aus der Vektoraddition zum jeweils übergeordneten Bezugspunkt bestimmen lässt.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Baugruppen von einem Modulgehäuse umschlossen oder werden aus gleich großen Segmenten in einer Struktur von Bauelementen gebildet.
Typischerweise ist die Anordnung aus Schallwandlern in ihrer Größe frei skalierbar, weil die Rechenleistung in der Zentraleinheit nicht mit der Zahl der Schallwandler im System steigt.
Gemäß noch einer Weiterbildung werden alle Audiosignale und die Daten für die Synthese der Wellenfronten zu allen Baugruppen der Vorrichtung geführt, wobei in jeder Baugruppe die Daten verarbeitet werden, die sich aus der Position der jeweiligen Baugruppe innerhalb der Anordnung aus Schallwandlern ergeben.
Typischerweise ist die Position der einzelnen Schallwandler innerhalb einer Baugruppe in Bezug auf einen festen Bezugspunkt der Baugruppe in der Baugruppe gespeichert.
Gemäß noch einer Weiterbildung wird die Position eines festen Bezugspunktes jeder Baugruppe zu der Position eines Bezugspunktes der Vorrichtung aus Schallwandlern dadurch ermittelt, dass der Baugruppe mitgeteilt wird an welcher Position sie innerhalb der Vorrichtung aus Schallwandlern eingebaut ist und das sie daraus mit Hilfe der gespeicherten Abmessungen der einzelnen Baugruppen, die auch als Modul ausgeführt sein können, die Position ihres Bezugspunktes zu dem zentralen Bezugspunkt der Vorrichtung aus
Schallwandlern ermitteln kann.
Gemäß noch einer Weiterbildung sind die Baugruppen unterschiedlich dicht mit
Schallwandlern bestückt. Damit lässt sich in den für die menschliche Wahrnehmung von Schallereignissen weniger wichtigen Reproduktionsbereichen der Aufwand reduzieren.
Die Baugruppen können in einer geschlossenen Ebene, geschlossenen Reihe aufgebaut sein.
Die Baugruppen können aber auch so aufgebaut sein, dass sie nicht in einer geschlossenen Ebene oder geschlossenen Reihe angeordnet sind.
Gemäß noch einer Weiterbildung sind die Schallwandler Teilflächen zugeordnet, die einen Körper bilden können, der die Wellenfronten in einem gemeinsamen System in verschiedene Richtungen abstrahlen kann.
Gemäß noch einer Weiterbildung ist auf dem gleichen Trägersystem, das die Schallwandler trägt, auch ein System zur Bildreproduktion aufgebracht.
Gemäß noch einer Weiterbildung sind die Baugruppen oder Module in vormontierten Einheiten zusammengefasst. Dies ermöglicht einen schnelleren Aufbau des Systems.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist eine dezentral aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese mehrere Baugruppen auf, die jeweils mehrere Schallwandler und eine Baugruppensteuerung aufweisen,
wobei jede Baugruppensteuerung eingerichtet ist, Ansteuersignale für die Schallwandler ihrer Baugruppe aus Audiosignalen und dazugehörigen Daten zur Form für die Synthese der Wellenfronten zu erzeugen.
Dieser Aufbau ermöglicht auch, dass auf einem Trägersystem, das die Schallwandler trägt, auch ein System zur Bildreproduktion aufgebracht ist.
Die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen können auch miteinander kombiniert werden.
Literaturliste
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Engineering Society, Vol.36, No.12, December 1988, pp.977-995.
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[3] DE 10 2005 001 395 A1 [4] William Francis Wolcott IV: Wave Field Synthesis with Real-time Control
[5] Dipl. Ing ( FH ) Rene Rodigast, Frauenhofer - Institut für Digitale Medientechnologie IDMT:
Sprachwiedergabe oder Konzertakustik - Akustische Raumsimulation in der SD- Beschallung, 8.0 E 37 Messe Frankfurt/ Prolight+Sound 2013
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[7] http ://wf s vnt h . so urcef orge . n et/Thes is . pdf
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Claims

Ansprüche
1. Dezentral aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der
Wellenfeldsynthese, aufweisend mehrere Baugruppen, die jeweils mehrere
Schallwandler aufweisen,
wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, mittels eines modellbasierten Ansatzes eine Synthese der Wellenfronten aus Audiosignalen und den dazugehörigen Daten zur Form für die in den Baugruppen enthaltenen Schallwandler innerhalb der jeweiligen Baugruppe auszuführen und die Schallwandler innerhalb der jeweiligen Baugruppe mit Ansteuersignalen anzusteuern, die der Synthese entsprechenden.
2. Dezentral aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach Anspruch 1 , wobei die geometrische Position (6) eines Bezugspunktes (5) der Baugruppe innerhalb eines Koordinatensystems für den modellbasierten Ansatz der Wellenfeldsynthese für jede einzelne Baugruppe durch ihre Platzierung in der Anordnung aus Schallwandlern und die Kantenlänge der einzelnen Baugruppen bestimmt ist und / oder die geometrische Position (6) jedes einzelnen Schallwandlers in diesem Koordinatensystem durch seine Anordnung zu diesem Bezugspunkt (5) der Baugruppe definiert ist, so dass sich allein aus der Anordnung der Baugruppen in der Anordnung aus Schallwandlern die Position jedes einzelnen Schallwandlers im Koordinatensystem aus einer Vektoraddition zum jeweiligen übergeordneten Bezugspunkt (6) bestimmen lässt.
3. Dezentral aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Baugruppen von einem Modulgehäuse umschlossen sind und / oder dass sie aus gleich großen Segmenten in einer Struktur von Bauelementen gebildet werden.
4. Dezentral aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anordnung aus Schallwandlern in ihrer Größe frei skalierbar ist.
5. Dezentral aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass alle Audiosignale und die dazugehörigen Daten für die Synthese der
Wellenfronten zu allen Baugruppen der Vorrichtung geführt werden, wobei in jeder Baugruppe die Daten verarbeitet werden, die sich aus der Position der jeweiligen Baugruppe innerhalb der Anordnung aus Schallwandlern ergeben.
6. Dezentral aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Position der einzelnen Schallwandler innerhalb einer Baugruppe in Bezug auf einen festen Bezugspunkt der Baugruppe in der Baugruppe gespeichert ist.
7. Dezentral aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie die Position eines festen Bezugspunktes jeder Baugruppe zu der Position eines Bezugspunktes der Vorrichtung aus Schallwandlern dadurch ermittelt kann, das der Baugruppe mitgeteilt wird an welcher Position sie innerhalb der Vorrichtung aus Schallwandlem eingebaut ist und das sie daraus mit Hilfe der gespeicherten
Abmessungen der einzelnen Baugruppen, die auch als Modul ausgeführt sein können, die Position ihres Bezugspunktes zu dem zentralen Bezugspunkt der Vorrichtung aus Schallwandlern ermitteln kann.
8. Dezentral aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Baugruppen auch unterschiedlich dicht mit Schallwandlern bestückt sind.
9. Dezentral aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Baugruppen auch in einer nicht-geschlossenen Ebene oder in einer nichtgeschlossenen Reihe anordenbar sind.
10. Dezentral aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandler Teilflächen zugeordnet werden können, die die Wellenfronten jeweils in eine verschiedene Richtung abstrahlen können. 1. Dezentral aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass Baugruppe oder Module in vormontierten Einheiten zusammengefasst sind.
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