EP4140151A1

EP4140151A1 - Virtuelle lautsprecher für akustisch intransparente bildschirme

Info

Publication number: EP4140151A1
Application number: EP21720725.7A
Authority: EP
Inventors: Helmut Oellers; Michael Hlatky
Original assignee: Holoplot GmbH
Current assignee: Holoplot GmbH
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2021-04-20
Publication date: 2023-03-01
Also published as: WO2021214058A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schallwandleranordnung (404, 504, 604, 605, 704, 805) für eine akustisch intransparente Bildwand (403, 503, 603, 703, 803), dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Vielzahl von Schallwandlern, mit denen mindestens eine akustische Wellenfront (406, 505, 607, 707, 806) erzeugbar ist, die in solcher Weise gekrümmt ist, dass sie nach ihrer Reflexion auf der Bildwand (403, 503, 603, 703, 803) scheinbar von einem Bereich (405, 505, 606, 805) ausgeht, der einer optisch im entsprechendem Bereich derselben Bildwand (403, 503, 603, 703, 803) dargestellten Schallquelle zuordbar ist und gezielt auf einen Zuschauerbereich (402, 502, 602, 702, 802) reflektierbar ist.

Description

Virtuelle Lautsprecher für akustisch intransparente Bildschirme

Mit der Entwicklung der Displaytechnik ist es vorteilhaft geworden, auch große Bildschirmdiagonalen, wie sie im Kinobereich und zunehmend im Heimkino zu finden sind, als selbstleuchtendes Display hoher Auflösung auszuführen. Micro LED-Bildschirme bieten dabei einen extrem hohen Kontrastumfang und sind durch ihren modularen Aufbau prinzipiell nicht mehr in ihrer Größe begrenzt. Der geringe Pixel Abstand erlaubt es jedoch nicht, die Bildwand akustisch transparent zu gestalten. Deshalb können Schallwandler nicht mehr hinter dem Display angeordnet werden.

Jedoch ist es für eine authentische Wiedergabe gerade bei großen Bildschirmen wichtig, dass die Schallquelle wenigstens annähernd die Richtung des zugehörigen Objektes lokalisiert wird. Mit herkömmlichen Stereo Lautsprechern links und rechts der Bildwand genügt die Wiedergabe den heutigen Ansprüchen an die akustische Zuordnung des Schallereignisses nicht mehr. Die Lokalisation der Phantomschallquelle ist zu sehr abhängig von der jeweiligen Sitzposition des Zuschauers im Wiedergabebereich. Auch bei neueren Reflexionsverfahren ist die Lokalisation der Schallquelle noch stark von der Position des Zuschauers im Publikumsbereich abhängig.

Die Lösung gemäß Anspruch 1 stellt eine zweidimensionale Schallwandleranordnung nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese bereit, bei der eine reflektierte Wellenfront eine weitgehend stabile Lokalisation des Centerkanals ermöglicht.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im Folgenden wird zunächst die Problemstellung beschrieben, bevor Ausführungsformen beispielhaft - auch anhand von Figuren - beschrieben werden. l Die Qualität der Wiedergabe von Bewegtbildern hat sich in den letzten Jahren rapid verbessert. Inzwischen ist auch im Heimbereich Ultra HD mit einer Auflösung von 4.096 x 2160 Bildpunkten Standard, Geräte mit 8k und 7680*4320 Pixeln sind auf dem Markt. Das ist vergleichbar mit der Auflösung von 70 mm Filmen, die noch vor zwei Jahrzehnten in den großen Kinos liefen.

Diese rasante Entwicklung ruft nun den Wunsch hervor, die hohe Auflösung auch auf entsprechend großen Bildschirmen, die den Zuschauer mit weitem Blickwinkel in das Geschehen einbeziehen, darzustellen. Inzwischen ist auch die Größe der hochauflösenden Bildschirme prinzipiell nicht mehr begrenzt. Micro LED-Bildschirme können modular aufgebaut und zu beliebiger Größe zusammengesetzt werden. Extrem hoher Kontrastumfang verbunden mit bester Auflösung wird zur schnellen Verbreitung der Technologie im Heimkino, aber auch im Kinobereich beitragen. Kinosäle der Zukunft könnten ohne Projektionsraum bei gleicher Sitzplatzanzahl kleiner sein und sogar Fenster beinhalten (siehe z.B. https://invidis.de/2020/ll/samsune-the-wall-premium-led-fuer-fast-ieden-use-case/)

Leider sind solche Bildschirme nicht mehr akustisch transparent, wie es perforierte Projektionswände waren. Die Schallwandler können deshalb nicht mehr hinter der Bildwand positioniert werden. Daraus entsteht das Problem, das die akustische Lokalisierung der Schallquelle nicht mehr mit ihrer optisch wahrgenommenen Bildposition übereinstimmt. Die Darstellung einer Phantomschallquelle zwischen rechten und linken Lautsprechern entspricht nicht mehr den heutigen Anforderungen an eine authentische Audiowiedergabe. Die Lokalisation der Phantomschallquelle ist stark abhängig von der jeweiligen Sitzposition des Zuschauers.

Ein Centerlautsprecher könnte nur unterhalb oder oberhalb des Bildschirmes montiert werden. Damit wäre aber die Fehllokalisation in der Elevationsebene nicht mehr tragbar. Auch die simultane Wiedergabe aus zwei Lautsprechern, die oberhalb und unterhalb des Bildschirmes angebracht wären, könnte das Problem nicht lösen. In der Elevationsebene entstehen keine interauralen Zeitdifferenzen (ITD) zwischen unseren Ohren, deshalb bildet sich hier keine Phantomschallquelle. Beide Signale würden sich an jedem Ohr summieren, was wegen mit ihrer unterschiedlichen Weglänge zum jeweiligen Zuhörerplatz verbundenen Interferenzen zu starken Ka m mf i Ite reffe kte n im Frequenzgang führen würde.

In Fig. 1 ist das schematisch dargestellt. Die Überlagerung beider Signale führt zu tiefen Einschnitten im Frequenzgang, weil die Amplituden beider Signale annähernd gleich sind. Von Sitzreihe zu Sitzreihe unterscheiden sich die Weglängen aber deutlich. Auch wenn der Zeitversatz für einen einzelnen Platz ausgeglichen wird, entstehen auf allen anderen Positionen Verwerfungen im Frequenzgang im mittleren und oberen Audiofrequenzbereich.

Gerade in diesem Bereich ist die Linearität des Frequenzganges für die Lokalisation der Schallquelle sehr wichtig. Insbesondere in der Elevationsebene lokalisieren wir über den Frequenzgang des Signals, weil wegen der fehlenden Laufzeitunterschiede zwischen den Ohren unsere Richtungswahrnehmung hier auf erlernte Reizmuster angewiesen ist. Die Lokalisation beruht vor allem auf Reflektionen am Außenohr und an den Schultern, die auf den mittleren und oberen Audiofrequenzbereich beschränkt sind. Diese Amplituden basierte Richtungswahrnehmung ist längst nicht so exakt wie die Laufzeitortung in der Azimutebene. Nach Untersuchungen von Blauert (Jens Blauert: Räumliches Hören. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1974) können wir bei einem Elevationswinkel der Quelle von 30 Grad eine Abweichung von +- 10 Grad wahrnehmen. Darüber hinaus ordnen wir das Schallereignis nicht mehr der optischen Quelle zu. Der Wert ist individuell sehr unterschiedlich und weitgehend von der Art des Signalcontents abhängig. Diese „Blauert" Bänder dienen bei den Head Related Transfer Function (HRTF) Verfahren zur gesteuerten Manipulation der Wahrnehmung in der Elevationsebene. Sitzplatzabhängige Veränderungen im Frequenzgang sind deshalb für die Lokalisation in der Elevationsebene äußerst kontraproduktiv.

In der beispielhaften Skizze nach Fig. 1 ergibt sich in der Mitte des Zuschauerbereiches ein vertikaler Öffnungswinkel von ca. 25 Grad. Die Fehllokalisation in der Elevationsebene wäre also tolerierbar, wenn sich die Schallquelle etwa in halber Höhe der Bildwand positionieren ließe. Weil der Ausgangspunkt von menschlichen Stimmen, die wir aufgrund unserer Hörerfahrung besonders gut lokalisieren können, meist oberhalb der Bildmitte liegt, wäre eine Quellposition auf einer einzelnen Linie etwa in 2/3 der Bildhöhe ausreichend, um eine subjektiv befriedigende Reproduktion in der Elevationsebene zu gewährleisten. Leider durchkreuzt der schallundurchlässige Bildschirm in dieser Höhe alle Versuche, den Schall mit konventionellen Lautsprechern aus diesem Bereich abzustrahlen. Hier gibt es nur die Möglichkeit, die geschlossene Fläche des Bildschirmes auch als Reflexionsfläche für die Schallwellen zu nutzen. Eine Möglichkeit, Schallwellen gezielt auf Reflexionsflächen zu richten, um die Spiegelschallquelle als ihren Ausganspunkt zu lokalisieren, ist schon in DE 10 2005 001395 Al beschrieben. Auch für die Reflexion von Schallwellen an einer schallharten Bildwand ist inzwischen ein Konzept bekannt.

So nutzt die in der WO 2020227633 Al beschriebene Technologie den Bildschirm als Reflektor für auf ihn gerichtete Schallwellen. Oberhalb des Zuschauerbereiches montierte Lautsprecher sind auf den Bildschirm ausgerichtet. Sie geben nur den für die Lokalisation der Schallquelle wichtigen Frequenzbereich oberhalb von 350 Hertz wieder und werden durch zeitlich angepasste Tieftonlautsprecher ergänzt.

Gegenüber realen Lautsprechern hinter der Bildwand hat diese Lösung den Nachteil, dass die Position der Spiegelschallquelle des Lautsprechers, die von den Zuschauern als Schallquelle lokalisiert wird, im Abstand des betreffenden Lautsprechers zur Bildwand relativ weit hinter dem Bildschirm positioniert ist. Das bedingt eine von der Sitzposition abhängige Parallaxenverschiebung, weshalb die Lokalisation des Centerlautsprechers nur in der Mitte der Sitzreihen präzise ist.

In Fig. 2 ist das Problem skizziert. Ein Centerlautsprecher 204 ist mittig in der Breitenerstreckung eines Kinosaals 201 über den vorderen Zuschauerplätzen montiert. Er strahlt eine schallharte Bildwand 203 (Bildschirm) mit einem eingeschränkten Öffnungswinkel an, so dass alle Zuschauer auf ihren Sitzplätzen eine Spiegelschallquelle 205 als Ausgangspunkt der reflektierten Wellenfront lokalisieren. Für die Zuschauer in der Mitte des Zuschauerbereiches stimmt die akustische Wahrnehmung dann mit der optischen überein, wenn die zugehörige Schallquelle visuell etwa in der Mitte der Bildwand 203 dargestellt ist.

Je weiter die Sitzposition aber von der Mittellinie abweicht (d.h. je weiter die Sitzpositionen zum Rand der Sitzreihen liegen), desto größer wird der Richtungsfehler Alfa. Ein Zuschauer an einer Position 206 rechts-außen hört die Spiegelschallquelle im rechten Bildbereich, umgedreht lokalisiert ein Zuschauer links vorn im Publikumsbereich die gleiche Spiegelschallquelle im linken Bildbereich. Die auf interauralen Zeitdifferenzen beruhende Richtungswahrnehmung in der Azimutebene kann bereits Richtungsfehler von ca. einem Grad detektieren. Der Fehler wird für den Zuschauer rechts-außen 206 insbesondere dann nicht mehr tolerierbar, wenn ein visueller Ausgangspunkt links von der Mitte dargestellt ist. Das Problem kann in der beschriebenen Lösung nur in vertretbaren Grenzen bleiben, wenn die Breite des Publikumsbereiches, insbesondere in den vorderen Sitzreihen, deutlich eingeschränkt wird.

Bei dem skizzierten Beispiel weicht die auditiv wahrgenommene Quellposition bereits um 15 Grad von einem in Bildmitte dargestellten Objekt ab. Um den Fehler auf 10 Grad zu reduzieren, müssten die äußeren vier Sitze auf jeder Seite dieser Sitzreihe entfernt werden. Eine solche Lösung wäre in kleinen Heimkinos unter Umständen realisierbar, öffentlichen Kinos würden damit unwirtschaftlich.

In Fig. 3 ist ein linker Lautsprecherkanal, der über die Reflexion an der Bildwand 303 arbeitet, dargestellt. Hier werden die Parallaxenprobleme noch deutlicher. Ein Zuschauer 306 auf der linken Seite lokalisiert die Reflexion aus der korrekten Richtung 307. Für alle anderen Zuschauer wandert die Lokalisation des linken Kanals aber immer weiter in Richtung Mitte der Bildwand 303, ein Zuschauer 308 an der rechten Seite nimmt sie im Beispiel fast in Bildwandmitte an der Position 309 wahr.

Entsprechendes gilt für einen Zuschauer 308 auf der rechten Seite, wenn er die Reflexion des rechten Lautsprechers lokalisiert. Für die seitlich sitzenden Zuschauer ist neben den beschriebenen Fehllokalisationen auch die räumliche Wahrnehmung stark eingeschränkt, weil die Stereobasis von der gesamten Bildbreite teilweise bis auf die halbe Bildbreite reduziert wird.

Die beschriebenen Effekte könnten reduziert werden, wenn die Lautsprecher näher an der Bildwand montiert werden. Das ist aber praktisch kaum möglich, weil die wahrgenommene Spiegelschallquelle dann immer weiter an den oberen Bildrand wandert. Die hinteren Reihen werden dann nicht mehr von der reflektierten Welle getroffen, weil sie zu stark nach unten gerichtet ist.

Daher besteht die Aufgabe, virtuelle Schallquellen zu erzeugen, die in der Azimutebene nahe der Bildwand positioniert sind, deren Wellenfront in der Elevationsebene aber alle Zuschauerplätze erreicht. So können die beschriebenen Parallaxenprobleme deutlich reduziert werden.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Lösung beschrieben, die auf dem Huygensschen Prinzip basieren, wie es auch bei der Wellenfeldsynthese für die Audiowiedergabe angewendet wird (Berkhout, A.J. (1988: A holographic approach to ocoustic control. Journal of the Audio Engineering Society, Vol.36, No.12, December 1988, S. 977-995). Dabei kann das Verfahren nur bedingt auf eine einzelne Lautsprecherreihe reduziert werden, wie das in vielen Applikationen üblich ist. Es kommt eine zweidimensionale WFS (Wellenfeldsynthese) Strahlerfläche, wie sie zum Beispiel aus der DE 102005001395 B4 bekannt ist, zur Anwendung. Diese kann auch konkave Wellenfronten erzeugen, die in einem Punkt oder einem eng begrenzten Bereich fokussieren.

Grundsätzlich werden hier Schwallwandleranordnungen 404, 504, 604, 704, 804 (auch als Lautsprechersystem bezeichnet) beschrieben, die im Zusammenwirken mit akustisch intransparenten Bildschirmen (auch als Bildwand 403, 503, 603, 703, 803 bezeichnet) verwendet werden. Die Verwendung der Schallwandleranordnung 404, 504, 604,605, 704, 804 mit den Bildwänden 403, 503, 603, 703, 803 bedeutet, dass die beiden fest aufeinander ausgerichtet sind. Somit bilden die Schallwandleranordnungen 404, 504, 604, 605, 704, 804 und die Bildwände 403, 503, 603, 703, 803 gemeinsam eine Beschallungsanlage für einen Zuschauerbereich 402, 502, 602, 702, 802.

Dabei werden mit einer Vielzahl von Schallwandlern in der Schallwandleranordnung 404, 504, 604, 605, 704 und Schallführungen in den Lautsprechern 804 akustische Wellenfronten 406, 506, 607, 707, 806 in solcher Weise gekrümmt, dass sie nach ihrer Reflexion auf einem akustisch intransparenten Bildschirm, d.h. der Bildwand 403, 503, 603, 703, 803, scheinbar von einem Bereich ausgehen, der einer optisch im zentralen Bereich 405, 505, 805 derselben Bildwiedergabeeinrichtung (d.h. der Bildwand 403, 505, 603, 805) dargestellten Schallquelle zuordbar ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist eine Krümmung der Wellenfront 406, 506, 607, 707 mittels Verzögerung von Elementarwellen der Schallwandler einer zweidimensionalen Schallwandleranordnung 404, 504, 604, 605, 704 nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese erzeugbar. Das von der Schallwandleranordnung 404, 504, 604, 605, 704 abzustrahlende Schallsignal wird dabei von den Schallwandlern jeweils mit einem individuellen zeitlichen Versatz abgestrahlt, so dass sich die gekrümmte Wellenfront 406, 506, 607, 707 ausbildet. Die Schallwandler sind dabei im Wesentlichen in einer Fläche angeordnet, die z.B. eine Ebene sein kann oder auch eine Fläche mit ebenen und gekrümmten Abschnitten.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Pegel der einzelnen Schallwandler in einer zweidimensionalen Schallwandleranordnung 404, 504, 604, 605, 704 nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese so gewählt, dass in der Richtung, in der die Wellenfront 406, 506, 607, 707 die weiter von der schallreflektierenden Bildwand 403, 503, 603, 703, 803 entfernten Zuschauer erreicht, ein höherer Schalldruckpegel entsteht als in Richtung der vorderen Zuschauerplätze, wodurch nach ihrer Reflexion am akustisch intransparenten Bildschirm eine ausgewogene Pegelverteilung im gesamten Zuschauerbereich 402, 502, 602, 702 gewährleistet ist. Die Schallwandleranordnung 404, 504, 604, 605, 704 wird somit so angesteuert, dass im Zusammenwirken mit der Bildwand 403, 503, 603, 703 ein gezielter Gradient des Schalldruckpegels in Abhängigkeit der Entfernung von der Bildwand 403, 503, 603, 703 entsteht, d.h. der Schalldruckpegel bleibt mit der Entfernung von der Bildwand 403, 503, 603, 703 relativ konstant.

Im modellbasierenden Ansatz der Wellenfeldsynthese, dessen Anwendung z.B. in Fig. 4 dargestellt ist, werden bei einer ebenen Schallwandlerfläche die äußeren Schallwandler früher mit dem Audiosignal angesteuert als der mittlere Bereich. So kommen alle Elementarwellen gleichzeitig in einem Fokuspunkt an. Hinter diesem Fokuspunkt breitet sich die Wellenfront auch nach einer Reflexion an der Bildwand als konvexe Wellenfront weiter aus. Mit den einzeln angesteuerten Schallwandlern ist es auch möglich, die Wellenfront in der Azimutebene anders zu krümmen als in der Elevationsebene. So kann die Wellenfront in der Azimutebene eine konkave Krümmung aufweisen, während in der Elevationsebene eine konvex gekrümmte Wellenfront erzeugt wird. Zudem ist es mit dem Verfahren möglich, die Pegel und Ansteuerzeiten der einzelnen Schallwandler, aus deren Elementarwellen die Wellenfront entsprechend Huygens Prinzip synthetisiert wird, so anzupassen, dass über den gesamten Publikumsbereich eine sehr homogene Verteilung des Schalldruckpegels erreicht wird.

Das Lokalisierungsproblem für den Centerkanal bei Schall reflektierenden Bildschirmen lässt sich erfindungsgemäß lösen, indem nahe der schallreflektierenden Bildwand eine fokussierte virtuelle Schallquelle der Wellenfeldsynthese erzeugt wird. Die Lokalisierung einer solchen virtuellen Schallquelle beruht nicht, wie die Phantomschallquellen-Ortung, auf psychoakustischen Effekten. Sie verhält sich wie eine reale Schallquelle an der gleichen Position. Deshalb wird sie unabhängig von der Sitzposition des Zuschauers lokalisiert.

Fig.4 zeigt die schematische Darstellung für einen Centerkanal. Eine erzeugende WFS Schallwandleranordnung 404, die ihre mindestens eine akustische Wellenfront in Richtung der Bildwand 403 abstrahlt, wird unterhalb der Decke etwa über den vorderen Sitzreihen aufgehängt. Der zweidimensionale Aufbau mit einer Vielzahl einzeln angesteuerter Schallwandler ermöglicht eine sehr präzise Ausrichtung der Wellenfront bis in den Grundtonbereich. So wird vermieden, dass die Zuschauer in den ersten Sitzreihen zu früh vom Direktschall der Schallwandleranordnung getroffen werden. Andernfalls würden sie die erste Wellenfront über sich lokalisieren.

Die mindestens eine Wellenfront 406 ist in solcher Weise gekrümmt, dass sie nach ihrer Reflexion an der Bildwand 403, 503, 603, 703, 803 scheinbar von einem Bereich 405, 505, 606, 805 ausgeht, der einer optisch im entsprechendem Bereich derselben Bildwand 403, 503, 603, 703, 803 dargestellten Schallquelle zuordbar ist und gezielt auf einen Zuschauerbereich (402, 502, 602, 702, 802) reflektierbar ist. So kann z.B. die Schallwandleranordnung 404, 504, 604, 704, 805 räumlich so ausgerichtet sein, dass sie in Elevationsrichtung zwischen -2° und -45° gegenüber einer waagerechten Ebene auf die Bildwand 403, 503, 603, 703, 803 nach unten ausgerichtet ist und sie in Azimutrichtung so ausgerichtet ist, dass die Schallwellen im zentralen Bereich der Bildwand 403, 503, 603, 703, 803 auftreffen. Damit ist eine relative geometrische Bestimmung der Schallwandleranordnung 404, 504, 604, 704, 805 zur Bildwand 403, 503, 603, 703, 803 und über die Reflexion an der Bildwand 403, 503, 603, 703, 803 auch zum Zuschauerbereich 402, 502, 602, 702 gegeben.

Die Abstrahlung lässt sich mit nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese angesteuerten, zweidimensionalen Schallwandleranordnungen 404 (d. h. einzeln angesteuerten

Schallwandlern, die im Wesentlichen in einer Ebene, in einer gekrümmten Fläche oder in einer komplex geformten Fläche angeordnet sind) so gestalten, dass ein weitgehend von der Wiedergabefrequenz unabhängiger Öffnungswinkel des Soundbeams entsteht. Auch seine Form und Ausrichtung lässt sich flexibel steuern. Selbst der Pegel kann so gesteuert werden, dass die Pegeldifferenzen im gesamten Wiedergabebereich sehr gering bleiben. Zudem können unerwünschte Reflexionen an den Begrenzungsflächen eines Wiedergaberaumes 401 weitgehend vermieden werden. Das senkt den Aufwand für seine akustische Ausgestaltung.

Für den Centerkanal zeigt die Fig. 4 eine Wellenfront 406, die in der Azimutebene hinter der Bildwand 403 fokussiert und deren Öffnungswinkel in der Elevationsebene an die Erfordernisse des Publikumsbereiches 402 angepasst ist. Der virtuelle Ursprung der Wellenfront liegt dann nahe hinter der Bildwand 403, so dass er von allen Zuschauerplätzen aus in dem Bereich 405 der Bildwand 403 lokalisiert wird.

Die Fig. 4 zeigt auch, dass sich nahe der Bildmitte ein Fokusbereich bildet, der nach der Reflexion der Wellenfront 406 an der Bildwand 403 von allen Zuhörerplätzen als Ausgangspunkt der Schallwellenfront wahrgenommen wird. Der Lokalisationsfehler Alfa für ein in der Mitte der Bildwand 403 dargestelltes Objekt ist für den rechten Platz in der zweiten Reihe 206 von mehr als 15 Grad auf weniger als drei Grad reduziert worden. In der Elevationsebene ist ein auf den Zuhörerbereich abgestimmter Öffnungswinkel gewährleistet, mit dem die Wellenfront alle Zuschauerplätze erreichen kann. Bei den Wellenfeldsynthesemodulen kann zusätzlich eine richtungsabhängige Pegelanpassung programmiert werden, die einen ausgeglichenen Schalldruckpegel über den gesamten Publikumsbereich gewährleistet.

Für Zuschauer vorn rechts kommt die Schallwellenfront 406 aus dem unteren mittleren Teil des Ausgangsbereiches der reflektierten Schallwellen 405. Für den Zuschauer hinten links hat die Quellposition links oben im Ausgangsbereich der reflektierten Schallwellen 405 keinen wahrnehmbaren Elevationsfehler, weil der Winkel aufgrund seiner Entfernung unter der Wahrnehmbarkeitsgrenze bleibt. Die Breite der zweidimensionalen WFS Schallwandleranordnung wird so gewählt, dass die reflektierte Wellenfront 406 auch auf den vorderen Zuschauerplätzen ausreichend breit ist. Geometrisch lässt sich die geforderte Breite in der Draufsicht bestimmen, indem Verbindungslinien von den äußeren Plätzen der vorderen Sitzreihe zur Mitte der Bildwand gezogen und dort gespiegelt werden. Die Breite der Schallwandleranordnung 406 muss in der Draufsicht dann über diese reflektierten Linien hinausgehen. Die linken und rechten Lautsprecher 407 werden zeitlich so verzögert, dass der längere Schallweg der Wellenfront 406 des Centerkanals ausgeglichen wird.

Prinzipiell ist es auch möglich, die linken und rechten Kanäle über die Reflexion an der Bildwand 403 abzubilden. Jedoch besteht dazu prinzipiell keine Notwendigkeit. Links und rechts einer nicht schalltransparenten Bildwand 403 können problemlos konventionelle Lautsprecher montiert sein. Es ist aber möglich, mit der zweidimensionalen WFS Schallwandleranordnung den Ausgangsbereich der Wellenfront etwas links und rechts der Bildmitte zu positionieren.

In Fig.5 ist das prinzipiell dargestellt. Die für den Centerkanal vorhandene zweidimensionale WFS Schallwandleranordnung 504 wird dann nur bis zur Mitte mit dem jeweiligen Signal angesteuert. Die Zuschauer im Bereich 502 lokalisieren das Schallereignis dann im Bereich 505 etwas links oberhalb der Mitte. Entsprechendes gilt für die rechte Seite. Wenn zum Audiosignal entsprechende Metadaten zur Quellposition vorliegen, kann die Wiedergabe so noch authentischer gestaltet werden. Phantomschallquellenbildung zwischen den Bereichen Links; Links Mitte; Center; Rechts Mitte und Rechts ermöglichen dann auch weitere Verbesserungen der Lokalisation. Fig.6 zeigt, dass auch der linke und rechte Audiokanal mit zusätzlichen WFS Schallwandleranordnungen 604, 605 prinzipiell über eine Reflexion an der Bildwand 603 darstellbar wäre. Von der mittleren WFS Schallwandleranordnung 604 aus ist das nicht möglich.

Aufgrund der gegebenen Geometrie hat die Reflexion aus dem Bereich 606 im rechten Teil der Bildwand 603 , wie auch eine entsprechende Reflexion auf der linken Seite, dabei aber den Nachteil, dass sich für die seitlich platzierten Zuschauer in den vorderen Reihen die Lokalisation der Quelle in die Richtung des unteren mittleren Bereiches 606 auf der Bildwand 603 verschiebt.

Fig.7 stellt deshalb eine andere Lösung für den linken und rechten Audiokanal dar. Ein in seiner Form an die geometrischen Verhältnisse im Wiedergaberaum 701 angepasster Reflektor 705 wirft einen fokussierten Beam als konvexe Wellenfront 707 in den Zuschauerraum zurück. Dann kann die zweidimensionale WFS Schallwandleranordnung 704 simultan die Audiokanäle Links, Links Mitte, Center, Rechts Mitte und rechts generieren. Ein zeitlich angepasster Subwoofer unterhalb der Bildwand ergänzt die Wiedergabe.

Der Aufwand für eine solche Anlage bleibt trotzdem hoch, weil die zweidimensionale WFS Schallwandleranordnung sehr dicht mit einzeln angesteuerten Schallwandlern bestückt werden muss. Ihr Abstand zueinander bestimmt die Aliasing-Frequenz des Systems. Darüber ist eine genaue Steuerung der Soundbeams nicht möglich, weil sich Side Loops unkontrolliert ausbreiten. Es ist aber auch möglich, zumindest den Centerkanal mit einer weniger aufwendigen Anordnung aus Schallwandlern aufzubauen.

Das ist in Fig. 8 skizziert. Ein Array aus einzelnen Lautsprechern 804 ist in einem Kreisausschnitt unter der Decke im vorderen Zuschauerbereich montiert. Jeder von ihnen sollte über eine Schallführung eine enge Richtcharakteristik aufweisen, so dass der Bereich unter dem Array nicht direkt angestrahlt wird. Der Mittelpunkt des Kreisausschnittes liegt hinter der Bildwand 803. Hier kommen alle Wellenfronten der einzelnen Lautsprecher 804 zur gleichen Zeit an, so dass sich ihre Signale gleichphasig addieren. Zuvor werden ihre Wellenfronten aber an der Bildwand 803 reflektiert, so dass sie eine gemeinsame Wellenfront bilden, die virtuell von dem Bereich 805 ausgeht. Alle Zuschauer im Zuschauerbereich 802 nehmen deshalb die Wellenfront 806 als von der Mitte der Bildwand kommend wahr. Die Breite der Lautsprecheranordnung 804 bestimmt den horizontalen Öffnungswinkel, so dass der Publikumsbereich 802 nicht in seiner Breite eingeschränkt werden muss.

Die Wellenfront 806 trifft aber im hinteren Bereich des Zuschauerraumes 801 auch die Reflexionsflächen, so dass die übliche akustische Behandlung der Seitenwände weiterhin notwendig ist. Auch die Anpassung der Pegelwerte innerhalb der Wellenfront 806, wie sie mit der zweidimensionalen WFS Schallwandleranordnung möglich ist, lässt sich in dieser Anwendung nicht realisieren. Entsprechend wird der Schalldruckpegel in den hinteren Reihen entsprechend der größeren Entfernung abfallen.

Auch die beschriebenen Möglichkeiten, den Reflexionsbereich zu verschieben oder seitliche Reflektoren für die linken und rechten Kanäle zu nutzen, entfallen bei dieser Lösung. Der Vorteil liegt allein darin, eine weniger aufwändige Lösung für einen stabil lokalisierbaren Centerkanal bereitzustellen.

Bei der Lösung mit kohärent angesteuerten Schallwandlern muss die gewünschte vertikale Abstrahlcharakteristik durch konstruktive Maßnahmen gewährleistet werden. Sie ist so zu gestalten, dass sie in Richtung der weiter von der Bildwand entfernten Zuschauerplätze einen höheren Schalldruckpegel erzeugt als für die nahe gelegenen Plätze. Die Wellenfront soll also in Richtung des oberen Bildschirmbereiches mehr Pegel haben als in Richtung des unteren Teils, der nach der Reflexion der Wellenfront an der Bildwand die vorderen Zuschauerplätze versorgt.

Der gewünschte Krümmungsradius der als virtueller Centerlautsprecher geeigneten Lautsprecheranordnung kann durch mechanische Abstandshalter eingestellt werden, bei denen die frontalen Schallwände der Einzelboxen eng zueinander montiert bleiben, ihre Rückwände jedoch in einem Abstand zueinander fixiert werden, mit dem sich der auf die Größe des Zuschauerbereiches angepasste Krümmungsradius der Gesamtanordnung ergibt.

Bezugszeichenliste

Fig. 1

101 Wiedergaberaum

102 Zuschauerbereich

103 Schall reflektierende Bildwand

104 Oberer Centerlautsprecher

105 Unterer Centerlautsprecher

106 Wellenfront des oberen Centerlautsprechers

107 Wellenfront des unteren Centerlautsprechers

108 Zuhörer, bei dem die Wellenfronten gleichzeitig eintreffen

Fig.2

201 Wiedergaberaum

202 Zuschauerbereich

203 Schall reflektierende Bildwand

204 Centerlautsprecher an der Decke des Wiedergaberaumes

205 Spiegelschallquelle des Centerlautsprechers

206 Zuschauer vorn rechts

207 Centerquellposition für den Zuschauer vorn rechts

Fig.3

301 Wiedergaberaum

302 Zuschauerbereich

303 Schall reflektierende Bildwand

304 Linker Lautsprecher an der Decke des Wiedergaberaumes

305 Spiegelschallquelle des linken Lautsprechers

306 Zuschauer vorn links

307 Azimutlokalisation des linken Kanals für den Zuschauer vorn links 308 Zuschauer vorn rechts

309 Azimutlokalisation des linken Kanals für den Zuschauer vorn rechts

Fig.4

401 Wiedergaberaum

402 Zuschauerbereich

403 Schall reflektierende Bildwand

404 Zweidimensionale WFS Schallwandleranordnung

405 Ausgangsbereich der reflektierten Schallwellen

406 Wellenfront des Centerkanals

407 Linke und rechte Lautsprecher

Fig.5

501 Wiedergaberaum

502 Zuschauerbereich

503 Schall reflektierende Bildwand

504 Zweidimensionale WFS Schallwandleranordnung

505 Ausgangsbereich der reflektierten Schallwellen

506 Wellenfront Mitte Links

507 Linke und rechte Lautsprecher

Fig. 6

601 Wiedergaberaum

602 Zuschauerbereich

603 Schall reflektierende Bildwand

604 Zweidimensionale WFS Schallwandleranordnung Center

605 Zweidimensionale WFS Schallwandleranordnung Rechts

606 Ausgangsbereich der reflektierten Wellenfronten

607 Gekrümmte Wellenfront des virtuellen rechten Lautsprechers Fig.7

701 Wiedergaberaum

702 Zuschauerbereich

703 Schall reflektierende Bildwand

704 Zweidimensionale WFS Schallwandleranordnung

705 Rechter Reflektor

706 Linker Reflektor

707 Wellenfront des rechten Reflektors

Fig.8

801 Wiedergaberaum

802 Zuschauerbereich

803 Schall reflektierende Bildwand

804 Gekrümmtes Lautsprecher Array

805 Ausgangsbereich der reflektierten Centerwellenfront

806 Centerwellenfront

Claims

Patentansprüche

1. Schallwandleranordnung (404, 504, 604, 605, 704, 805) für eine akustisch intransparente Bildwand (403, 503, 603, 703, 803), dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Vielzahl von Schallwandlern, mit denen mindestens eine akustische Wellenfront (406, 505, 607, 707, 806) erzeugbar ist, die in solcher Weise gekrümmt ist, dass sie nach ihrer Reflexion auf der Bildwand (403, 503, 603, 703, 803) scheinbar von einem Bereich (405, 505, 606, 805) ausgeht, der einer optisch im entsprechenden Bereich derselben Bildwand (403, 503, 603, 703, 803) dargestellten Schallquelle zuordbar ist und gezielt auf einen Zuschauerbereich (402, 502, 602, 702, 802) reflektierbar ist.

2. Schallwandleranordnung (404, 504, 604, 605, 704) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Krümmung der mindestens einen Wellenfront (406, 505, 607, 707) mittels Verzögerung von Elementarwellen der Schallwandler einer zweidimensionalen Schallwandleranordnung (404, 504, 604, 605, 704) nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese erzeugbar ist.

3. Schallwandleranordnung (404, 504, 604, 605, 704) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstrahlung der mindestens einen Wellenfront (406, 505, 607, 707) in der Azimutebene so gestaltbar ist, dass die Elementarwellen nahe der Bildwand (403, 503, 603, 703) zeitgleich eintreffen, wobei diese Fokussierung vor oder hinter der Bildwand (403, 503, 603, 703) liegt.

4. Schallwandleranordnung (404, 504, 604, 605, 704) nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der mindestens einen akustischen Wellenfront (406, 505, 607, 707) in der Azimutebene konkav und in der Elevationsebene konvex oder konkav von der erzeugenden Schallwandlervorrichtung ausgehen kann.

5. Schallwandleranordnung (404, 504, 604, 605, 704) nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pegel der einzelnen Schallwandler in einer zweidimensionalen Schallwandleranordnung (404, 504, 604, 605, 704) nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese so gewählt werden können, dass in der Richtung, in der die mindestens eine Wellenfront (406, 505, 607, 707) die weiter von der Schall reflektierenden Bildwand (403, 503, 603, 703) entfernten Zuschauer erreicht, ein höherer Schalldruckpegel entsteht als in Richtung der vorderen Zuschauerplätze, wodurch nach ihrer Reflexion am akustisch intransparenten Bildschirm eine ausgewogene Pegelverteilung im gesamten Zuschauerbereich (402, 502, 602, 702, 803) gewährleistet ist.

6. Schallwandleranordnung (404, 504, 604, 605, 704) nach mindestens einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der zweidimensionalen Schallwandleranordnung (404, 504, 604, 605, 704) nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese zusätzlich zu der auf das Zentrum der Bildwand (403, 503, 603, 703) ausgerichteten mindestens einen Wellenfront (406, 505, 607, 707) weitere Wellenfronten erzeugbar sind, die nach Reflexion an gekrümmten, außerhalb der Bildwand (403, 503, 603, 703) angeordneten akustischen Reflektoren (705, 706) weitere räumlich getrennte Wiedergabekanäle bilden.

7. Schallwandleranordnung (805) nach mindestens einem der vorhergehenden

Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der mindestens einen Wellenfront (806) durch mehrere kohärent angesteuerte Schallwandler ausbildbar ist, wobei die Schallwandler in der Schallwandleranordnung (804) so angeordnet, insbesondere montiert, sind, dass ihre Wellenfronten in der Azimutebene nahezu zeitgleich in einem Bereich nahe der Bildwand (803) eintreffen.

8. Schallwandleranordnung (804) nach mindestens einem der vorhergehenden

Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Azimutebene konkav gekrümmte mindestens eine Wellenfront (806) durch Schallwandler erzeugbar ist, die in voneinander getrennten Gehäusen angeordnet, insbesondere montiert, sind.

9. Schallwandleranordnung (804) nach mindestens einem der vorhergehenden

Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der konkaven Krümmung der mindestens einen Wellenfront (806) in der Azimutebene durch keilförmige oder andere entsprechend ausgeführte Distanzstücke zwischen einzelnen Lautsprechergehäusen bestimmt werden kann.

10. Schallwandleranordnung (805) nach mindestens einem der vorhergehenden

Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstrahlcharakteristik der einzelnen Schallwandler der Schallwandleranordnung (805) in der Elevationsebene so gewählt ist, dass nach der Reflexion an der Bildwand (403, 503, 603, 703, 803) in der Richtung, in der die mindestens eine Wellenfront 406, 505, 607, 707, 806) die weiter von der Bildwand (403, 503, 603, 703, 803) entfernten Zuschauer erreicht, ein höherer Schalldruckpegel entsteht als in Richtung der vorderen Zuschauerplätze, wodurch eine ausgewogenere Pegelverteilung im gesamten Zuschauerbereich erzielt werden kann.

11. Schallwandleranordnung (404, 504, 604, 704, 805) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese räumlich in Elevationsrichtung zwischen -2° und -45° gegenüber der Waagerechten auf die Bildwand (403, 503, 603, 703, 803) ausgerichtet ist und in Azimutrichtung so ausgerichtet ist, dass die Schallwellen zentralen Bereich der Bildwand (403, 503, 603, 703, 803) treffen.