EP4278616A1 - Vorrichtung und verfahren zur wiedergabe mindestens eines akustischen signals - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur wiedergabe mindestens eines akustischen signals

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Publication number
EP4278616A1
EP4278616A1 EP22701902.3A EP22701902A EP4278616A1 EP 4278616 A1 EP4278616 A1 EP 4278616A1 EP 22701902 A EP22701902 A EP 22701902A EP 4278616 A1 EP4278616 A1 EP 4278616A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
optical
acoustic
laser element
target medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22701902.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dimosthenis Trimis
Björn Stelzner
John Mourjopoulos
Konstantinos Kaleris
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Patras
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Universitaet Patras
University of Patras
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT, Universitaet Patras, University of Patras filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP4278616A1 publication Critical patent/EP4278616A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • H04R23/004—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00 using ionised gas
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • H04R23/008—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00 using optical signals for detecting or generating sound

Definitions

  • the invention relates to a device and method for reproducing at least one acoustic signal and their use.
  • Moving-coil devices which are typically large and heavy and therefore represent physical objects of considerable size, fixed geometry and spatial location. They can only reproduce the sound at their place because they cannot transmit and reproduce the sound over long distances.
  • Loudspeakers have a low efficiency in converting electrical power into acoustic power, so amplification of electronic audio signals requires a constant local connection to a power supply, while they also have a limited reproduction range of audio signal frequencies. In addition, special wired or wireless connections are required to transfer the audio signals to the amplifier.
  • the acoustic radiation of the loudspeaker in three-dimensional space is also predetermined and cannot match the radiation properties of real sound sources. Therefore, the reproduction of complex acoustic scenes, involving one or more real acoustic sources radiating sound in typical environments, can only be approximated over a limited reception area by the combined acoustic radiation of a multitude of spatially distributed loudspeakers placed at fixed positions around the desired receiving position are placed around.
  • Voltage-controlled plasma speakers based on corona and arc effects, produce sound waves through a localized air plasma, but share limitations similar to the electromechanical and piezoelectric speakers.
  • the plasma generation here usually takes place between a cathode and an anode and the location of the sound generation remains local, while its reproducibility in the lower, middle and low frequency range is clearly impaired.
  • Encoding and transmission of sound information by means of laser radiation is known from telecommunications, but here too the acoustic signals are reproduced via electromechanical converters. Correspondingly, a transmission of acoustic signals to distant listeners is not possible.
  • 137 (6), 2015, 389-395 each describe a device and method for generating acoustic signals, a laser-induced plasma (LIB) being generated by means of a pulsed laser signal having a repetition rate of 2 Hz or 20-100 Hz is used as a point source for the most accurate impulse resonance studies possible.
  • LIB laser-induced plasma
  • a powerful neodymium yttrium aluminum garnet pulsed laser is used to achieve breakthroughs in acoustic fields.
  • the plasma formation can be realized by laser-induced breakdown when the local intensity of the laser beam 10 reaches 15 W/m 2 .
  • the shock wave created by consuming part of the plasma energy becomes a source of sound.
  • the laser beam is focused onto a small volume by a convex lens and the sound source is non-directional due to the laser-induced breakthrough, a point source is generated.
  • no device for acoustic excitation is installed in acoustic fields.
  • the object of the present invention is to provide a device and method for reproducing at least one acoustic signal and its use, which at least partially overcome the disadvantages and limitations of the prior art mentioned.
  • the device and the method should enable the reproduction of acoustic signals, in particular of words, music or usage noises, from analog or digital signal sources at a largely freely selectable location, in particular at a distance from the signal source with broadband spectral properties, without requiring a receiving or Decoding facility or local power supply are required.
  • the present invention relates to a device for reproducing at least one acoustic signal.
  • the device includes:
  • At least one laser element that is set up to emit at least one optical signal to at least one target medium in such a way that the at least one optical signal is transmitted to the at least one target medium and at least one acoustic signal is reproduced by means of the at least one target medium, wherein the at least one target medium is set up to convert the at least one optical signal into the at least one acoustic signal;
  • At least one control interface which is set up to consist of at least one electronic signal to be transmitted with the at least one and acoustic signal to be reproduced is correlated to provide at least one control signal to the at least one laser element for controlling the radiation from the at least one optical signal.
  • the device proposed here for the reproduction of at least one acoustic signal can be regarded in particular as an "acoustic converter", at the input of which there is an electronic signal which carries at least one piece of information of an original acoustic signal intended for transmission and reproduction, and at the output of which at least one optical signal is emitted, which is converted again, preferably in an unchanged form, into the at least one original acoustic signal by means of a target medium acted upon by the at least one optical signal.
  • the at least one acoustic signal reproduced in this way thus includes the information of the at least one original acoustic signal.
  • acoustic signal here refers to information carried by sound waves, with the information being modulated into the sound wave.
  • the information can in particular be at least one acoustic element, preferably selected from a word, music or a used noise.
  • word refers to information carried by sound waves that can be interpreted by a human listener as speech information
  • music refers to an organized sound, preferably via instruments or the human voice, in particular for artistic purposes.
  • usage noise relates to at least one acoustic signal that is not necessarily of interest to a human listener with regard to the information transmitted thereby, but is suitable for at least one application, in particular selected from medicine, bioengineering, industry and/or or research.
  • Sound waves which have a frequency of 16 Hz to 20 kHz and which are also referred to as “auditory sound” as sound that can be heard by humans are particularly suitable for the present invention.
  • the present invention is also suitable for sound waves which have a frequency of more than 20 kHz to 1.6 GHz (ultrasound) and which can be used, in particular, in an ultrasonic generator. Sound waves having a frequency below 16 Hz (infrasonic) or above 1.6 GHz (hypersonic) are less suitable for the present invention.
  • the proposed device comprises at least one laser element, preferably a single laser element or a plurality of laser elements, in particular in the form of a matrix-like arrangement, the at least one laser element for emission at least one optical signal to at least one target medium.
  • optical signal here refers to information carried by electromagnetic waves in the optical spectral range or in an adjacent spectral range, with the information being modulated into the electromagnetic wave.
  • the electromagnetic waves used for the optical signal preferably have a frequency of 10 13 Hz to 10 16 Hz, particularly preferably 10 14 Hz to 10 15 Hz.
  • laser element refers to an optical element that is set up to generate coherent electromagnetic waves with at least one of these frequencies, in particular by providing short or ultra-short laser pulses to generate a breakdown and/or an ablation in the at least one target medium.
  • the at least one laser element can preferably be selected from a solid-state laser, in particular an Nd:YAG laser or a Ti:sapphire laser; a powerful laser diode; or a gas laser or may be based on an optical parametric amplification process, in particular an optical parametric amplifier (OPA) or a chirped pulsed optical parametric amplifier (OPCPA); however, other types of laser elements are possible.
  • a solid-state laser in particular an Nd:YAG laser or a Ti:sapphire laser
  • a powerful laser diode or a gas laser
  • OPA optical parametric amplifier
  • OPCPA chirped pulsed optical parametric amplifier
  • the at least one optical signal is emitted to at least one target medium.
  • target medium refers here to at least one solid substance, in particular a solid body; a fluid, ie a liquid and/or gaseous, substance, or a mixture thereof, eg a natural or artificial atmosphere at least partially surrounding the device; into which the at least one optical signal from the at least one laser element is radiated.
  • the at least one target medium into which the at least one optical signal is irradiated and its spatial arrangement in the three-dimensional space are selected in such a way that the at least one optical signal is transmitted to the at least one target medium and the at least one acoustic signal is reproduced Signal takes place by means of at least one target medium.
  • transmission refers to a transport of a signal, here the at least one optical signal, preferably in unchanged form, from a first location in a three-dimensional space, here from an output of the at least one laser element, to a different further location in the same three-dimensional space in which at least part of the at least one target medium is located here.
  • playback refers to the provision of a signal, here the at least one acoustic signal, preferably in an unmodified form the other location in the same three-dimensional space at which at least part of the at least one target medium is located here.
  • the at least one target medium is set up according to the invention for converting the at least one optical signal into the at least one acoustic signal, the provision of the at least an acoustic signal.
  • at least one plasma source in the form of a stationary or moving massless laser-induced plasma (LIB) can form in the at least one target medium.
  • LIB laser-induced plasma
  • LIB refers to a plasma that occurs as a result of at least one target medium being impinged on by at least one optical signal, preferably a sequence of optical signals generated by at least one laser element at a location in the three-dimensional space, the desired conversion of the at least one optical signal into the at least one acoustic signal taking place at the same time at the location.
  • the at least one target medium can be a solid body, for example in the form of a plate, which in particular can have at least one metal, ceramic or polymer which, when acted upon by the at least one , From the at least one laser element radiated optical signal allows direct playback of the acoustic signal.
  • At least one fluid i.e. at least one gas present in an atmosphere, preferably a natural atmosphere, is therefore particularly preferred; at least one liquid; or a mixture thereof, in which the plasma source can form at a largely freely selectable location.
  • the at least one target media may preferably comprise at least one gas or gas mixture under controlled pressure conditions in order to increase transmission and playback efficiency.
  • the proposed device also includes at least one control interface, preferably precisely one control interface part e, which is set up to transmit at least one control signal from at least one electronic signal, which is correlated with the at least one acoustic signal to be transmitted and reproduced, to the at least one laser element for control to provide the emission of the at least one optical signal.
  • the term “electronic signal” here refers to information carried by electromagnetic waves, the information being impressed into the electromagnetic wave by a modulation, e.g. B. by changing a electrical voltage or an electrical current, or by means of a wired or wireless information signal.
  • the electromagnetic waves used for the at least one electronic signal have a frequency of 1 Hz to 5 MHz, preferably 10 Hz to 500 kHz.
  • the electromagnetic waves used according to the present invention for the at least one electronic signal are correlated with at least one acoustic signal to be transmitted and reproduced.
  • the term “correlated” denotes a possibility of converting an acoustic signal, preferably in an unchanged form, into an electronic signal in such a way that the acoustic signal, preferably in an unchanged form, can be generated again from the electronic signal.
  • the term “coded” can also be used here with the same meaning.
  • the at least one piece of information imprinted in the electromagnetic wave can be, in particular, a word, music or a functional noise that corresponds to the information carried by the at least one acoustic signal. Therefore, the present at least one electronic signal can also be referred to as an “audio signal”.
  • control interface refers to an electronic device that is set up to generate at least one control signal, with the at least one control signal being designed to control at least one other device.
  • control signal refers here to a signal, preferably an electronic signal or an optical signal, which includes information that is set up to change at least one state of the further device to be controlled in such a way that the further device performs a desired action .
  • the at least one control interface can be set up to generate the at least one control signal, which is transmitted to the at least one laser element and is thus used to control the emission of the at least one optical signal from the at least one laser element.
  • the at least one original audio signal which can be either analog or digital, can be converted into the at least one control signal, in particular at least one first control signal for controlling the at least one laser element, which can therefore also be referred to as a "trigger signal", and, as explained in more detail below, optionally at least one second control signal for controlling an optical modulation unit.
  • the control signal can in this case be designed as a stream of rectangular electrical pulses, with an electrical pulse emission of a cause an individual laser pulse or cause a modulation of the optical signal emitted by the at least one laser element.
  • the proposed device can also include at least one signal modulator, preferably exactly one signal modulator, which is used to receive at least one electronic signal that is correlated with at least one acoustic signal to be transmitted and reproduced, and to generate at least one modulated electronic signal is set up.
  • the terms “modulate” or “modulation” refer to a superposition of a carrier signal, here the at least one electronic signal, with at least one piece of additional information in order in this way to encode the carrier signal with the additional information.
  • the at least one piece of additional information can be impressed into the carrier signal, here into the at least one electronic signal, by means of a selected method.
  • Pulse width modulation refers to a procedure in which the duty cycle of a repeated pulse, e.g. a square-wave pulse, is changed in accordance with the information to be encoded, with the frequency of the carrier signal remaining unchanged.
  • Pulse amplitude modulation refers to a discrete-time, analogue or digital modulation technique in which information is encoded as changes in the amplitude of the pulses in a stream of pulses.
  • a "1-bit ZA modulation” refers to a pulsed digital modulation method that encodes information to be encoded in the changes in the pulse-to-pulse time interval of consecutive pulses
  • a "multi-bit ZA modulation” refers to a pulsed digital modulation method that to coding information is encoded both in the changes in the pulse-to-pulse time spacing of successive pulses and in the amplitude of the pulses.
  • Mixed methods which can occur as a combination of PWM, PAM and EA modulation methods, are also suitable for the present invention.
  • the generation of the at least one modulated electronic signal can be dispensed with; however, this cannot apply to other modulation methods, in particular to ZA modulation methods or mixed modulation methods.
  • a signal can preprocess and code random complex acoustic signals in order to reproduce them by means of the at least one laser element via at least one optical pulse stream.
  • a real-time modulation of the pulse energy and a pulse-to-pulse repetition rate can thereby be made possible, as a result of which the at least one desired optical pulse stream can be generated.
  • the signal pre-processing can advantageously also be used to reduce or, preferably, to eliminate distortions that can occur when the optical signal is transmitted to the target medium or when the optical signal reacts with the target medium.
  • the proposed device can preferably further comprise at least one optical modulation unit, which is set up for optical modulation of the optical signal emitted by the at least one laser element before the at least one target medium is impinged with the at least one optical signal, the at least one optical Modulation unit can be controlled by means of a further control signal provided by the control interface.
  • the at least one optical modulation unit can preferably be set up for the optical modulation of an amplitude of the optical signal emitted by the at least one laser element.
  • the at least one optical modulation unit can preferably be selected from an acousto-optical modulator (AOM modulator), in particular a Bragg cell; or an electro-optical modulator, in particular a Pockels cell; however, other types of optical modulation units are conceivable.
  • AOM modulator acousto-optical modulator
  • the "Bragg cell” here comprises a crystal and a piezoelectric converter, whereby the converter emits a sound wave into the crystal, which generates mechanical stresses. Depending on the intensity of the sound wave, the crystal deflects part of the incident light.
  • Pockels cell refers to an electro-optical modulator that has an optically birefringent crystal in which an electric field is generated from the additional control signal applied to the Pockels cell, which can change the size and orientation of the birefringence.
  • the device can also include at least one further optical element, which can be designed as an independent optical element and/or can be integrated into the at least one laser element.
  • the at least one further optical element can preferably be set up to focus the at least one optical signal emitted by the at least one laser element onto at least one desired location in a three-dimensional space.
  • the at least one further optical element can be selected in particular from at least one optical lens, preferably a focusing optical lens, or at least one optical mirror.
  • the optical signal generated by the at least one laser element can already have a sufficiently high focus and can already be emitted in the desired direction in the three-dimensional space. Regardless of the way in which the at least one optical signal is focused, it can thus be ensured that the at least one acoustic signal can be generated at the at least one desired location in the three-dimensional space.
  • the present invention relates to a method for reproducing at least one acoustic signal.
  • the method here comprises the following steps a) to c): a) receiving at least one electronic signal which is correlated with at least one acoustic signal to be transmitted and reproduced; b) providing at least one control signal to at least one laser element for controlling an emission of at least one optical signal using the at least one electronic signal which is correlated with the at least one acoustic signal to be transmitted and reproduced; and c) Emitting the at least one optical signal by the at least one laser element to at least one target medium in such a way that the at least one optical signal is transmitted to the at least one target medium and the at least one acoustic signal is reproduced by means of the at least one target medium, wherein the at least one target medium performs a conversion of the at least one optical signal into the at least one acoustic signal.
  • Steps a) to c) can preferably be carried out several times in the specified order, it being possible to start again with step a) with a further electronic signal before the end of step c).
  • steps a) to c) can preferably be carried out repeatedly according to the length of the at least one electronic signal, whereby real-time information transcoding of the at least one electronic signal correlated with the at least one acoustic signal into the at least one optical signal and finally into the according to the invention reproduced at least one acoustic signal is reached.
  • At least one modulated electronic signal can be provided from the at least one electronic signal, which is correlated with the at least one acoustic signal to be transmitted and reproduced, with the at least one control signal being sent to the at least one laser element from the at least one modulated electronic signal can be generated.
  • the at least one control signal to the at least one laser element can also be generated directly from the at least one electronic signal, which is correlated with the at least one acoustic signal to be transmitted and reproduced.
  • At least one further control signal can be provided to at least one optical modulation unit for controlling an optical modulation of the optical signal emitted by the at least one laser element, wherein the optical modulation of the optical signal emitted by the at least one laser element is carried out before the at least one a target medium with the at least one optical signal. It can be particularly preferred here if the optical modulation of the optical signal emitted by the at least one laser element comprises an optical modulation of an amplitude, in particular a pulse amplitude modulation, of the optical signal emitted by the at least one laser element.
  • the at least one further control signal to the at least one optical modulation unit can be generated directly from the at least one electronic signal, which is correlated with the at least one acoustic signal to be transmitted and reproduced, or from the at least one modulated electronic signal.
  • the at least one optical signal emitted by the at least one laser element can also be focused on at least one desired location in a three-dimensional space.
  • the at least one further optical element can be selected in particular from at least one optical lens, preferably a focusing optical lens, or at least one optical mirror, with, alternatively, the optical signal generated by the at least one laser element already being sufficiently focused have and can already be radiated in the desired direction in the three-dimensional space, so as to ensure that the at least one acoustic signal can be generated at the at least one desired location in the three-dimensional space.
  • the present invention relates to the use of the device for reproducing at least one acoustic signal.
  • a particularly preferred use can relate to using the device as a loudspeaker for reproducing at least one acoustic signal at a desired location in a three-dimensional space, preferably for reproducing high-quality acoustic signals, in particular reproducing high-fidelity audio.
  • the acoustic signal here refers to at least one sound wave information that is impressed and carried in this way by the at least one sound wave, which can in particular be at least one acoustic element, preferably selected from a word, music or a functional noise.
  • the terms “have”, “have”, “comprise” or “include” or any grammatical variations thereof are used in a non-exclusive manner. Accordingly, these terms can refer both to situations in which, apart from the features introduced by these terms, no further features are present, or to situations in which one or more further features are present.
  • the expression “A has B”, “A has B”, “A comprises B”, or “A includes B” can both refer to the situation in which, apart from B, no other element in A is present (ie to a situation in which A consists exclusively of B), as well as to the situation in which, in addition to B, there are one or more other elements in A, e.g. element C, elements C and D or even further elements .
  • the terms “at least one” and “one or more” as well as grammatical variations of these terms, if they are used in connection with one or more elements or features and are intended to express that the element or feature is provided once or several times can generally only be used once, for example when the feature or element is introduced for the first time. If the feature or element is subsequently mentioned again, the corresponding term “at least one” or “one or more” is usually no longer used, without thereby limiting the possibility that the feature or element can be provided once or more than once.
  • the present method and the device described are particularly suitable for transmitting at least one acoustic signal, which may come from an analogue or a digital signal source, over long distances and for reproducing it directly on a distant target or an airborne location, without the need for a Receiving device and / or a decoding device, in particular in the form of an electromechanical converter, or a local power supply is required.
  • the demodulation of the sound signal takes place directly in the surrounding atmosphere and the acoustic signal in the form of simple or complex words, music or operational noise can be perceived by human or animal hearing.
  • the desired information and the power signal can be transmitted simultaneously.
  • the present invention also enables a real-time displacement of the at least one acoustic signal source in a three-dimensional space by shifting the focal point of a laser element and the provision of at least one acoustic signal source with any directivity, i.e. analogous to real, moving acoustic signal sources.
  • This can be achieved by using piezoelectric positioners with fast rotation for the laser, or fast moving mirrors that deflect the beam to the desired position, or by any other method that allows the laser focal point to be rapidly shifted in three-dimensional space.
  • any number of such virtual signal sources can potentially be provided at a desired location in the three-dimensional space. This is only approximately possible with the known speaker-based sound reproduction methods.
  • the invention also enables generation of controlled, pulse-like acoustic signals with very short propagation times at any pressure, particularly high pressures, which are useful for many acoustic measurements and virtual audio systems.
  • the present invention thus enables the remote-controlled provision of basically any acoustic signal source that differs from the traditional wired or wireless audio channel methods.
  • no electrical, electronic or optoelectronic components such as cables or glass fibers are required to transmit the coded signals.
  • the present invention can further also be used for the reproduction of ultrasonic acoustic signals, which can be generated in solids or fluids, the intensity, position and duration of which can be precisely controlled, particularly for medical or testing applications.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the device according to the invention for reproducing at least one acoustic signal
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a preferred exemplary embodiment of the device according to the invention for reproducing at least one acoustic signal
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a further preferred exemplary embodiment of the device according to the invention for reproducing at least one acoustic signal
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the method according to the invention for reproducing at least one acoustic signal.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a device 110 according to the invention for the reproduction 112 of acoustic signals 114 at a location 116 in a three-dimensional space 118.
  • the acoustic signals 114 are information carried by sound waves, which are generated by modulation in the sound wave is imprinted.
  • the information can in particular be at least one acoustic element, preferably selected from a word, music or a used noise. Sound waves which have a frequency of 16 Hz to 20 kHz and which are also audible to humans are therefore particularly suitable referred to as "auditory noise".
  • the present invention is also suitable for sound waves which have a frequency of more than 20 kHz to 1.6 GHz (ultrasound) and which can be used, in particular in an ultrasonic generator, preferably for at least one of the above-mentioned uses.
  • the exemplary embodiment of the device 110 shown schematically in FIG. can be generated again from the electronic signals 122 to be received at a signal input 124 . Therefore, the electronic signals 122 correlated with the acoustic signals 114 can usually also be referred to as “audio signals”.
  • the electronic signals are information carried by electromagnetic waves, the information being impressed into the electromagnetic wave by modulation. Electromagnetic waves with a frequency of 1 Hz to 5 MHz, preferably 10 Hz to 500 kHz, are particularly suitable for this purpose.
  • the electronic signals 122 received by the signal modulator 126 are modulated by superimposing the electronic signals 122 in order to encode the electronic signals 122 as a carrier signal by means of additional information, the additional information being impressed into the electronic signals 122 acting as the carrier signal using a selected method will.
  • known modulation methods can be used here, methods of digital audio modulation, in particular pulse width modulation (PWM), plus amplitude modulation (PAM) or an XA modulation method or being particularly preferred; However, other modulation methods are possible.
  • the signal modulator 126 is particularly suitable for some modulation methods, in particular for SA modulation methods, while control signals 130 for other modulation methods, in particular for PWM and PAM, can be obtained directly from the electronic signals 122, which are correlated with the acoustic signals 114 to be transmitted and reproduced. let generate.
  • the control interface 120 generates the electronic signals 122 with the signals to be transmitted and reproduced acoustic signals 114 are correlated, the control signals 130, which are provided to the single laser element 132 shown here for controlling an emission 134 of optical signals 136.
  • the device 110 can have at least two, in particular three, four, five, six, eight, ten, twelve or more laser elements 132 .
  • Each laser element 132 may preferably be a laser diode or a solid state laser; however, other types of laser elements 132 are possible.
  • the control interface 120 can be or include an electronic device set up to generate the control signals 130, with the control signals 130 preferably being further electronic signals or optical signals which have information on changing at least one state of the laser element 132 to be controlled thereby. As explained in more detail in FIG. 3, the control interface 120 can preferably transmit one or more further control signals to one or more further units for their control. For further details, reference is made to the description of FIGS. 2 and 3 below.
  • the proposed device comprises the one laser element 132 shown here, which is set up to emit 134 the optical signals 136 to a target medium 138 .
  • the optical signals 136 are transmitted 140 to the target medium 138 and the acoustic signals 114 are reproduced 112 by means of the target medium 138 , which is set up to convert the optical signals 136 into the acoustic signals 114 .
  • a solid substance in particular a solid body, is suitable as the target medium 138; a fluid, i.e. a liquid and/or gaseous, substance; or a mixture of these.
  • the target medium 138 into which the optical signals 136 are irradiated and its spatial arrangement are selected according to the invention in such a way that this enables the optical signals 136 to be transported, preferably in an unchanged form, from an optical output 142 of the laser element 132 to the location 116 in the three-dimensional space 118 and the provision of the acoustic signals 114, preferably in an unchanged form, at the location 116 in the three-dimensional space 118. Since the target medium 138 is suitable according to the invention for converting the optical signals 136 into the acoustic signals 114, can thus at the Place 116 in the three-dimensional space 118, where the target medium 138 or a part thereof is located, the reproduction of the acoustic signals 114 take place. For preferred implementation of the target medium 138, reference is made to the exemplary embodiments below.
  • Figures 2 and 3 each show a schematic representation of a preferred embodiment of the device 110 according to the invention for the reproduction 112 of the acoustic signals 114 at the desired location 116 in the three-dimensional space 118 located on or in the target medium 138. While FIG. 2 shows an embodiment of the device 110 according to the invention based on a single-bit coding, FIG. 2 shows schematically an embodiment of the device 110 according to the invention based on a multi-bit coding.
  • Both the signal modulator 126 used in Figure 2 and the signal modulator 126 used in Figure 3 are each set up to receive the electronic signals 122 referred to as "audio signals", which are correlated with the acoustic signals 114 to be transmitted and reproduced - as described in more detail above .
  • the signal modulator 126 used in the embodiment according to FIG e.g. a trigger input of the laser element 132 can be provided.
  • the control interface 120 can thus convert the electronic signals 122 referred to as “audio signals”, which the signal modulator 126 provides in the form of analog, modulated electronic signals, preferably as pulse width modulated signals, into a stream of digital modulated electronic signals 128.
  • the signal modulator 126 in the embodiment according to Figure 3 can also generate further modulated electronic signals 144 from the received electronic signals 122 referred to as "audio signals", from which the control interface 120 - in a similar manner to the control signals 130 - can generate further control signals 146 for Controlling an optical modulation unit 148, preferably by means of a modulator controller 150.
  • the optical modulation unit 148 can preferably be a Bragg cell, which can be acted upon by voltage signals 152 generated by the modulator controller 150 ; however, other types of optical modulation units 148, such as a Pockels cell, are conceivable.
  • the optical modulation unit 148 is set up for optical modulation of the optical signals 136 emitted by the laser element 148, in particular the amplitude of the optical signals 136 emitted by the laser element 148, before the optical signals 136 are applied to the target medium 138.
  • the control interface 120 which is used in the embodiments according to FIGS. 2 and 3, can preferably be an input/output interface, preferably a commercially available sound card 154 with a wide frequency range, higher sample rate and a sufficient number of output channels to provide the control signals 130,146.
  • each optical pulse can generate exactly one acoustic pulse, while the electronic signals 122 referred to as “audio signals” can simulate a sequence of acoustic pulses at the location 116.
  • a plate 160 which in particular can have at least one metal, ceramic or polymer, enables a direct reproduction 112 of the acoustic signals 114, with additional harmonic or non-harmonic distortions caused by ablation in A consequence of processing, in particular etching, of a surface of the plate 160 and/or due to vibrations of the plate 160.
  • the target medium 138 can also be implemented in another way, in particular in the form of a fluid, preferably a natural or artificial atmosphere surrounding the device.
  • the optical modulation unit 148 used in the embodiment according to FIG thus controlling an intensity of the acoustic signals 114 generated therefrom at the location 116, thereby enabling implementation of different levels of the desired multi-bit coding.
  • a microphone 162 can be used to verify the generation of the acoustic signals 114 166, which can be supplied to the signal modulator 126, which can generate electronic signals 168 demodulated therefrom by signal modulation, which can be output at a signal output 170 and compared with the electronic signals 122 referred to as “audio signals”.
  • Figure 4 shows a schematic representation of a method 210 according to the invention for reproducing 112 at least one acoustic signal 114.
  • the electronic signals 122 referred to as "audio signals” are received, which are correlated with the acoustic signals 114 to be transmitted and reproduced.
  • the control signals 130 are provided to the laser element 132 to control the emission 134 of the optical signals 136 using the electronic signals 122 received during the reception step 212 in accordance with step a).
  • the provision step 214 can be a provision the further control signals 146 to the optical modulation unit 148 likewise using the electronic signals 122 received during the receiving step 212 according to step a).
  • the optical signals 136 are radiated by the laser element 132 to the target medium 138 in such a way that the optical signals 136 are transmitted 140 to the target medium 138 and the acoustic signals 114 are reproduced 112 by means of the target medium 138 takes place, wherein the target medium 138 performs a conversion of the optical signals 136 into the acoustic signals 114 .
  • modulated electronic signals 128, 144 are additionally generated according to a modulation step 218, in particular by means of the signal modulator 126, also using the electronic signals 122 received during the receiving step 212 according to step a).

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Abstract

Eine Vorrichtung (110) zur Wiedergabe (112) eines akustischen Signals (114) umfasst: • ein Laserelement (132) zur Abstrahlung (134) eines optischen Signals (136) derart an ein Zielmedium (138), dass hierdurch eine Übertragung (140) des optischen Signals (136) an das Zielmedium (138) und eine Wiedergabe (112) des akustischen Signals (114) mittels des Zielmediums (138) erfolgt, wobei das Zielmedium (138) zur Umwandlung des optischen Signals (136) in das akustische Signal (114) eingerichtet ist; und • eine Steuerschnittstelle (120), die aus dem elektronischen Signal (122), das mit dem zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal (114) korreliert ist, ein Steuersignal (130) an das Laserelement (132) zur Steuerung der Abstrahlung (134) des optischen Signals (136) bereitstellt. Die Vorrichtung (110) ermöglicht eine Wiedergabe (140) akustischer Signale (114) an einem weitgehend frei wählbaren, insbesondere von der Signalquelle entfernten Ort (116) mit breitbandigen Spektraleigenschaften, ohne dass hierfür eine Empfangs- oder Dekodierungseinrichtung oder ein lokale Stromversorgung erforderlich sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals sowie deren Verwendung.
Stand der Technik
Die derzeitige Lautsprechertechnologie basiert auf elektromechanischen Wandlern, z. B. Einheiten mit beweglichen Spulen, die in der Regel groß und schwer sind und daher physikalische Objekte von beträchtlicher Größe, fester Geometrie und räumlicher Lage darstellen. Sie können den Schall nur an ihrem Ort wiedergeben, da sie den Schall nicht über große Entfernungen übertragen und wiedergeben können.
Lautsprecher haben einen geringen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer Leistung in akustische Leistung, so dass für die Verstärkung von elektronischen Audiosignalen ein ständiger lokaler Anschluss an eine Stromversorgung erforderlich ist, während sie außerdem einen begrenzten Wiedergabebereich der Frequenzen der Audiosignale haben. Darüber hinaus sind für eine Übergabe der Audiosignale an den Verstärker spezielle drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen erforderlich. Auch die akustische Abstrahlung des Lautsprechers im dreidimensionalen Raum ist vorgegeben und kann nicht mit den Abstrahleigenschaften realer Schallquellen übereinstimmen. Daher kann die Wiedergabe komplexer akustischer Szenen, die eine oder mehrere reale akustische Quellen umfassen, die in typischen Umgebungen Schall abstrahlen, nur näherungsweise über einen begrenzten Empfangsbereich durch die kombinierte akustische Abstrahlung einer Vielzahl von räumlich verteilten Lautsprechern erfolgen, die an festen Positionen um die gewünschte Empfangsposition herum platziert sind. Auf diese Weise ermöglicht die derzeitige Lautsprechertechnologie eine annähernde Darstellung von räumlichen Schallquellen und -feldern über einen begrenzten Empfangsbereich. Alternative Wandlertechnologien, wie z.B. piezoelektrische Lautsprecher, sind ebenfalls durch die oben genannten Anforderungen an die örtliche Anordnung begrenzt, während sie außerdem nicht dazu eingerichtet sind, akustische Signale im mittleren bis unteren Schallbereich zu reproduzieren, was ihren Einsatz auf Hochfrequenz- oder Ultraschall an Wendungen beschränkt. Elektromechanische und piezoelektrische Wandler erreichen aufgrund ihres begrenzten Frequenzgangs und ihrer begrenzten Schallleistung keine Wiedergabe von starken, breitbandigen, impulsartigen Schallwellen. Daher sind sie für den Einsatz bei akustischen Messungen oder anderen Anwendungen, bei denen breitbandige, impulsartige Signale benötigt werden, ungeeignet.
Spannungsgesteuerte Plasmalautsprecher, die auf Korona- und Bogeneffekten basieren, erzeugen Schallwellen durch ein lokales Luftplasma, weisen jedoch ähnliche Einschränkungen wie die elektromechanischen und piezoelektrischen Lautsprecher auf. Die Plasmaerzeugung findet hier in der Regel zwischen einer Kathode und einer Anode statt und der Ort der Schall erzeugung bleibt lokal gebunden, während ihre Wiedergabefähigkeit im unteren, mittleren und tiefen Frequenzbereich deutlich beeinträchtigt ist.
Eine Kodierung und Übertragung von Schallinformationen mittels Laserstrahlung ist aus der Telekommunikation bekannt, jedoch werden auch hier die akustischen Signale über elektromechanische Wandler wiedergegeben. Entsprechend ist eine Übertragung von akustischen Signalen an entfernte Zuhörer nicht möglich.
CN 108495246 A, J. G. Bolanos, S. Delikaris-Manias, V. Pulkki, J. Eskelinen und E. Hseggström, Laser-induced acoustic point source for accurate impulse response measurements within the audible bandwidth, J. Acoust. Soc. Am. 135(6), 2014, 298-303, und J. Eskelinen, E. Hseggström, S. Delikaris-Manias, J. G. Bolanos und V. Pulkki, Beamforming with a volumetric array of massless laser spark sources - Application in reflection tracking, J. Acoust. Soc. Am. 137 (6), 2015, 389-395, beschreiben jeweils eine Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von akustischen Signalen, wobei ein laserinduziertes Plasma (LIB) mittels eines gepulsten Lasersignals, das eine Wiederholrate von 2 Hz bzw. 20-100 Hz aufweist, erzeugt wird, das als Punktquelle für möglichst genaue Impulsresonanz-Untersuchungen eingesetzt wird.
N. Hosoya, M. Nagata, und I. Kajiwara, Acoustic testing in a very small space based on a point sound source generated by laser-induced breakdown: stabilization of plasma formation, Journal of Sound and Vibration, 332, 2013, 19, S. 4572-4583, schlagen ein Verfahren zur akustischen Prüfung vor, die auf einer Punktquelle basiert, die durch laserinduzierten Durchschlag in Luft erzeugt wird. Zur Erzeugung des laserinduzierten Durchbruchs in akustischen Feldern wird ein leistungsstarker Neodym-Yttrium- Aluminium- Granat-Pulslaser verwendet. Die Plasmabildung kann durch laserinduzierten Durchbruch realisiert werden, wenn die lokale Intensität des Laserstrahls 1015 W/m2 erreicht. Die Stoßwelle, die durch den Verbrauch eines Teils der Plasmaenergie entsteht, wird zu einer Schallquelle. Wird der Laserstrahl durch eine konvexe Linse auf ein kleines Volumen fokussiert und die Schallquelle durch den laserinduzierten Durchbruch ist ungerichtet, wird so eine Punktquelle erzeugt. Durch Sicherung des Laserlichtweges wird keine Vorrichtung zur akustischen Anregung in akustischen Feldern installiert.
Ausgehend hiervon, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und Verfahren zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals sowie deren Verwendung bereitzustellen, welche die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.
Insbesondere sollen die Vorrichtung und das Verfahren eine Wiedergabe akustischer Signale, insbesondere von Wort, Musik oder Gebrauchsgeräuschen, aus analogen oder digitalen Signalquellen an einem weitgehend frei wählbaren, insbesondere von der Signalquelle entfernten Ort mit breitbandigen Spektraleigenschaften, ermöglichen, ohne dass hierfür eine Empfangs- oder Dekodierungseinrichtung oder eine lokale Stromversorgung erforderlich sind.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals. Die Vorrichtung umfasst hierbei:
- mindestens ein Laserelement, das zur Abstrahlung mindestens eines optischen Signals derart an mindestens ein Zielmedium eingerichtet ist, dass hierdurch eine Übertragung des mindestens einen optischen Signals an das mindestens eine Zielmedium und eine Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals mittels des mindestens einen Zielmediums erfolgt, wobei das mindestens eine Zielmedium zur Umwandlung des mindestens einen optischen Signals in das mindestens eine akustische Signal eingerichtet ist; und
- mindestens eine Steuerschnittstelle, die dazu eingerichtet ist, aus mindestens einem elektronischen Signal, das mit dem mindestens einen zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal korreliert ist, mindestens ein Steuersignal an das mindestens eine Laserelement zur Steuerung der Ab Strahlung des mindestens einen optischen Signals bereitzustellen.
Die hierin vorgeschlagene Vorrichtung zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals kann insbesondere als „akustischer Wandler“ betrachtet werden, an dessen Eingang ein elektronisches Signal anliegt, das mindesten eine Information eines zur Übertragung und Wiedergabe vorgesehenen, ursprünglichen akustischen Signals trägt, und an dessen Ausgang mindestens ein optisches Signal abgestrahlt wird, das mittels eines mit dem mindestens einen optischen Signal beaufschlagten Zielmediums wieder, bevorzugt in unveränderter Form, in das mindestens eine ursprüngliche akustische Signal umgewandelt wird. Das auf diese Weise wiedergegebene mindestens eine akustische Signal umfasst somit die Information des mindestens einen ursprünglichen akustischen Signals.
Der Begriff des „akustischen Signals“ bezieht sich hierbei auf eine von Schallwellen getragene Information, wobei die Information durch eine Modulation in die Schallwelle eingeprägt ist. Bei der Information kann es sich hierbei insbesondere um mindestens ein akustisches Element, vorzugsweise ausgewählt aus Wort, Musik oder einem Gebrauchsgeräusch handeln. Der Begriff des „Wortes“ bezeichnet hierbei eine von Schallwellen getragene Information, die von einem menschlichen Hörer als Sprachinformation interpretiert werden kann, während sich der Begriff der „Musik“ auf einen organisierten Klang bezieht, der, bevorzugt über Instrumente oder die menschliche Stimme, insbesondere für künstlerische Zwecke, erzeugt wird. Weiterhin betrifft der Begriff des „Gebrauchsgeräusches“ mindestens ein akustisches Signal, das für einen menschlichen Hörer hinsichtlich der hiervon übertragenen Information nicht unbedingt von Interesse sind, jedoch für mindestens eine Anwendung geeignet ist, insbesondere ausgewählt aus der Medizin, dem Bioingenieurwesen, der Industrie und/oder der Forschung. Besonders geeignet für die vorliegende Erfindung sind daher Schallwellen, die eine Frequenz von 16 Hz bis 20 kHz aufweisen und die als für Menschen hörbarer Schall auch als „Hörschall“ bezeichnet werden. Allerdings eignet sich die vorliegende Erfindung auch für Schallwellen, die eine Frequenz von mehr als 20 kHz bis 1,6 GHz (Ultraschall) aufweisen und die, insbesondere in einem Ultraschallgenerator eingesetzt werden können. Weniger geeignet für die vorliegende Erfindung sind Schallwellen, die eine Frequenz unterhalb von 16 Hz (Infraschall) oder oberhalb von 1,6 GHz (Hyperschall) aufweisen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst mindestens ein Laserelement, vorzugsweise ein einzelnes Laserelement oder eine Mehrzahl von Laserelementen, insbesondere in Form einer matrixförmigen Anordnung, wobei das mindestens eine Laserelement zur Abstrahlung mindestens eines optischen Signals an mindestens ein Zielmedium eingerichtet ist. Der Begriff des „optischen Signals“ bezieht sich hierbei auf eine von elektromagnetischen Wellen in dem optischen oder einem hieran angrenzenden Spektralbereich getragene Information, wobei die Information durch eine Modulation in die elektromagnetische Welle eingeprägt ist. Hierbei weisen die für das optische Signal verwendeten elektromagnetischen Wellen bevorzugt eine Frequenz von 1013 Hz bis 1016 Hz, besonders bevorzugt von 1014 Hz bis 1015 Hz, auf. Der Begriff des „Laserelements“ bezeichnet hierbei ein optisches Element, das zur Erzeugung von kohärenten elektromagnetischen Wellen mit mindestens einer dieser Frequenzen eingerichtet, insbesondere durch Bereitstellung von kurze oder ultrakurzen Laserpulsen zur Erzeugung eines Durchschlag und/oder einer Ablation in dem mindestens einen Zielmedium. Insbesondere eignen sich hierfür Laserelemente, die Pulsenergien von 1 pJ bis 10 J, besonders bevorzugt von 10 pj bis 1 J, erzeugen können. Hiermit lassen sich vorzugsweise Laserpulse, die eine Dauer von 1 as bis 100 ms, vorzugsweise von 10 fs bis 500 ns, erzeugen. Vorzugsweise kann das mindestens eine Laserelement ausgewählt sein aus einem Festkörperlaser, insbesondere einem Nd: YAG-Laser oder einem Ti: Saphir- Laser; einer leistungsstarken Laserdiode; oder einem Gaslaser oder kann auf einem optischparametrischen Verstärkungsprozess basieren, insbesondere ein optischer parametrischer Verstärker (OPA) oder ein optischer parametrischer Chirp-Pulsverstärker (OPCPA); andere Arten von Laserelementen sind jedoch möglich.
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Abstrahlung des mindestens eines optischen Signals an mindestens ein Zielmedium. Der Begriff des „Zielmediums“ bezeichnet hierbei mindestens eine feste Substanz, insbesondere einen festen Körper; eine fluide, d.h. eine flüssige und/oder gasförmige, Substanz, oder eine Mischung hiervon, z.B. eine die Vorrichtung zumindest teilweise umgebende natürliche oder künstliche Atmosphäre; in welche das mindestens eine optische Signal aus dem mindestens einen Laserelement eingestrahlt wird. Das mindestens eine Zielmedium, in welches die Einstrahlung des mindestens eines optischen Signals erfolgt, und dessen räumliche Anordnung in dem dreidimensionalen Raum werden erfindungsgemäß derart ausgewählt, dass hierdurch eine Übertragung des mindestens einen optischen Signals an das mindestens eine Zielmedium und eine Wiedergabe des mindestens einen akustischen Signals mittels des mindestens einen Zielmediums erfolgt. Der Begriff der „Übertragung“ bezeichnet einen Transport eines Signals, hier des mindestens einen optischen Signals, bevorzugt in unveränderter Form, von einem ersten Ort in einem dreidimensionalen Raum, hier von einem Ausgang des mindestens einen Laserelements, zu einem davon verschiedenen weiteren Ort in demselben dreidimensionalen Raum, an dem sich hier zumindest ein Teil des mindestens einen Zielmediums befindet. Der Begriff der „Wiedergabe“ bezeichnet eine Bereitstellung eines Signals, hier des mindestens eines akustischen Signals, bevorzugt in unveränderter Form, an dem weiteren Ort in demselben dreidimensionalen Raum, an dem sich hier zumindest ein Teil des mindestens einen Zielmediums befindet.
Da das mindestens eine Zielmedium erfindungsgemäß zur Umwandlung des mindestens einen optischen Signals in das mindestens eine akustische Signal eingerichtet ist, kann somit an dem weiteren Ort in demselben dreidimensionalen Raum, an dem sich hier zumindest ein Teil des mindestens einen Zielmediums befindet, die Bereitstellung des mindestens eines akustischen Signals erfolgen. Insbesondere kann sich in dem mindestens einen Zielmedium mindestens eine Plasmaquelle in Form eines stationäres oder sich bewegendes massenloses laserinduziertes Plasmas (LIB) ausbilden. Der Begriff des „laserinduzierten Plasmas“, kurz „LIB“, bezieht sich auf ein Plasma, das sich in Folge einer Beaufschlagung mindestens eines Zielmediums durch mindestens ein optisches Signal, vorzugsweise eine Folge von optischen Signalen, die durch mindestens ein Laserelement erzeugt werden, an einem Ort in dem dreidimensionalen Raum ausbildet, wobei an dem Ort gleichzeitig die gewünschte Umwandlung des mindestens einen optischen Signals in das mindestens eine akustische Signal erfolgt. Wie in den untenstehenden Ausführungsbeispielen näher erläutert, kann es sich bei dem mindestens einen Zielmedium um einen festen Körper handeln, zum Beispiel in Form einer Platte, die insbesondere mindestens ein Metall, eine Keramik oder ein Polymer aufweisen kann, der bei Beaufschlagung durch das mindestens eine, von dem mindestens einen Laserelement abgestrahlte optische Signal eine direkte Wiedergabe des akustischen Signals ermöglicht. Allerdings können hierbei durch Vibrationen der Platte und/oder durch Bearbeiten der Oberfläche der Platte hervorgerufene Ablationen zusätzliche harmonische oder nicht-harmonische Verzerrungen entstehen. Besonders bevorzugt ist daher mindestens ein Fluid, d.h. mindestens ein in einer Atmosphäre vorhandenes Gas, bevorzugt eine natürliche Atmosphäre; mindestens eine Flüssigkeit; oder eine Mischung hiervon, in dem sich die Plasmaquelle an einem weitgehend frei wählbaren Ort ausbilden kann. Das mindestens eine Zielmedien kann bevorzugt mindestens ein Gas oder ein Gasgemisch unter kontrollierten Druckbedingungen umfassen, um die Effizienz der Übertragung und Wiedergabe zu erhöhen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine Steuerschnittstelle, vorzugsweise genau eine Steuerschnittsteil e, die dazu eingerichtet ist, aus mindestens einem elektronischen Signal, das mit dem mindestens einen zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal korreliert ist, mindestens ein Steuersignal an das mindestens eine Laserelement zur Steuerung der Abstrahlung des mindestens einen optischen Signals bereitzustellen. Der Begriff des „elektronischen Signals“ bezieht sich hierbei auf eine von elektromagnetischen Wellen getragene Information, wobei die Information durch eine Modulation in die elektromagnetische Welle eingeprägt ist, z. B. durch Änderung einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stroms, oder mittels eines drahtgebundenen oder drahtlosen Informationssignals. Im Unterschied zu den für das mindestens eine optische Signal eingesetzten Frequenzen, weisen die für das mindestens eine elektronische Signal verwendeten elektromagnetischen Wellen eine Frequenz von 1 Hz bis 5 MHz, bevorzugt von 10 Hz bis 500 kHz, auf.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung für das mindestens eine elektronische Signal eingesetzten elektromagnetischen Wellen sind mit mindestens einem zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal korreliert. Im vorliegenden Zusammenhang bezeichnet der Begriff „korreliert“ eine Möglichkeit, ein akustisches Signal, bevorzugt in unveränderter Form, derart in ein elektronisches Signal umzuwandeln, dass das akustische Signal, bevorzugt in unveränderter Form, wieder aus dem elektronischen Signal erzeugbar ist. Anstelle des Begriffs „korreliert“ kann hier gleichbedeutend auch der Begriff „kodiert“ verwendet werden. Bei der in die elektromagnetische Welle eingeprägten mindestens einen Information kann es sich insbesondere um Wort, Musik oder ein Gebrauchsgeräusch handeln, die der von dem mindestens einen akustischen Signal getragenen Information entsprechen. Daher kann das vorliegende mindestens eine elektronische Signal auch als „Audiosignal“ bezeichnet werden.
Der Begriff der „Steuerschnittstelle“ bezeichnet eine elektronische Einrichtung, die zur Erzeugung mindestens eines Steuersignals eingerichtet ist, wobei das mindestens eine Steuersignal zur Ansteuerung mindestens einer weiteren Einrichtung ausgestaltet ist. Der Begriff des „Steuersignals“ bezeichnet hierbei ein Signal, bevorzugt ein elektronisches Signal oder ein optisches Signal, das Informationen umfasst, die dazu eingerichtet sind, mindestens einen Zustand der hierdurch zu steuernden weiteren Einrichtung derart zu ändern, dass die weitere Einrichtung eine gewünschte Aktion ausführt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die mindestens eine Steuerschnittstelle dazu eingerichtet sein, das mindestens eine Steuersignal zu erzeugen, das an das mindestens eine Laserelement übertragen wird, und so der Steuerung der Abstrahlung des mindestens einen optischen Signals aus dem mindestens einen Laserelement dient. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das mindestens eine ursprüngliche Audiosignal, das entweder analog oder digital sein kann, in das mindestens eine Steuersignal umgewandelt werden, insbesondere mindestens ein erstes Steuersignal zur Ansteuerung des mindestens einen Laserelements, das daher auch als „Triggersignal“ bezeichnet werden kann, und, wie unten näher ausgeführt, optional mindestens ein zweites Steuersignal zur Ansteuerung einer optischen Modulationseinheit. Das Steuersignal kann hierbei als Strom von rechteckigen elektrischen Impulsen ausgestaltet sein, wobei ein elektrischer Impuls eine Emission eines einzelnen Laserpulses hervorrufen oder eine Modulation des von dem mindestens einen Laserelement abgestrahlten optischen Signals bewirken kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die vorgeschlagene Vorrichtung weiterhin mindestens einen Signalmodulator, vorzugsweise genau einen Signalmodulator, umfassen, der zum Empfang mindestens eines elektronischen Signals, das mit mindestens einem zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal korreliert ist, und zur Erzeugung mindestens eines modulierten elektronischen Signals eingerichtet ist. Hierbei bezeichnen die Begriffe „modulieren“ oder „Modulation“ eine Überlagerung eines Trägersignals, hier des mindestens einen elektronischen Signals, mit mindestens einer zusätzlichen Information, um auf diese Weise das Trägersignal mit der zusätzlichen Information zu kodieren. Die mindestens eine zusätzliche Information kann mittels eines ausgewählten Verfahrens in das Trägersignal, hier in das mindestens eine elektronische Signal, eingeprägt werden. Hierzu kann auf bekannte Modulationsverfahren zurückgegriffen werden, wobei Verfahren der digitalen Audiomodulation, insbesondere Pulsweitenmodulation (PWM), Pulsamplituden-Modulation (PAM) und/oder ein XA- Modulationsverfahren, besonders bevorzugt sind; ein Einsatz von anderen Modulationsverfahren ist jedoch möglich. Die „Pulsweitenmodulation“ betrifft hierbei ein Vorgehen, bei dem ein Tastgrad eines wiederholten Impulses, z.B. eines Rechteckpulses, jeweils entsprechend der zu kodierenden Information verändert wird, wobei die Frequenz des Trägersignals unverändert bleibt. Die „Pulsamplitudenmodulation“ betrifft ein zeitdiskretes, analoges oder digitales Modulationsverfahren, bei dem die Informationen als Änderungen der Amplitude der Impulse eines Impulsstroms kodiert werden. Eine „ 1 -Bit ZA Modulation“ betrifft ein gepulstes digitales Modulationsverfahren, das zu kodierende Informationen in den Änderungen des Impuls-zu-Puls-Zeitabstands aufeinanderfolgender Impulse kodiert, während eine „Multi-Bit ZA Modulation“ ein gepulstes digitales Modulationsverfahren betrifft, das zu kodierende Informationen sowohl in den Änderungen des Impuls-zu-Puls- Zeitabstands aufeinanderfolgender Impulse als auch in der Amplitude der Impulse kodiert. Für die vorliegende Erfindung eignen sich auch gemischte Verfahren, die als Kombination von PWM-, PAM- und EA-Modulationsverfahren auftreten können. Hierbei kann bei ausgewählten Modulationsverfahren, insbesondere bei den PWM- und PAM-Modulations- verfahren auf die Erzeugung des mindestens eines modulierten elektronischen Signals verzichtet werden; dies kann jedoch auf andere Modulationsverfahren nicht zutreffen, insbesondere für ZA- Modulationsverfahren oder gemischte Modulationsverfahren.
Insbesondere in dieser bevorzugten Ausgestaltung kann eine Signal Vorverarbeitung und Kodierung von zufälligen komplexen akustischen Signalen verfolgen, um diese mittels des mindestens einen Laserelements über mindestens einen optischen Pulsstrom wiederzugeben. Zusätzlich kann hierdurch eine Echtzeit-Modulation der Pulsenergie und einer Puls-zu-Puls- Wiederholrate ermöglicht werden, wodurch der mindestens eine gewünschte optische Pulsstrom erzeugt werden kann. Weiterhin kann die Signalvorverarbeitung in vorteilhafter Weise auch zur Verringerung oder, bevorzugt, zur Beseitigung von Verzerrungen, die bei einer Übertragung des optischen Signals zu dem Zielmedium oder einer Reaktion des optischen Signals mit dem Zielmedium auftreten können, eingesetzt werden.
Wie bereits erwähnt, kann die vorgeschlagene Vorrichtung bevorzugt weiterhin mindestens eine optische Modulationseinheit umfassen, die zur optischen Modulation des von dem mindestens einen Laserelement abgestrahlten optischen Signals vor der Beaufschlagung des mindestens einen Zielmediums mit dem mindestens einen optischen Signal eingerichtet ist, wobei die mindestens eine optische Modulationseinheit mittels eines weiteren, von der Steuerschnittstelle bereitgestellten weiteren Steuersignals steuerbar ist. Die mindestens eine optische Modulationseinheit kann vorzugsweise zur optischen Modulation einer Amplitude des von dem mindestens einen Laserelement abgestrahlten optischen Signals eingerichtet ist, umfassen. Hierbei kann die mindestens eine optische Modulationseinheit bevorzugt ausgewählt sein aus einem akusto-optischen Modulator (AOM-Modulator), insbesondere einer Bragg-Zelle; oder einem elektrooptischen Modulator, insbesondere einer Pockels- Zelle; andere Arten von optischen Modulationseinheiten sind jedoch denkbar. Die „Bragg- Zelle“ umfasst hierbei einen Kristall und einen piezoelektrischen Wandler, wobei der Wandler eine Schallwelle in den Kristall aussendet, wodurch mechanische Spannungen erzeugt werden. Abhängig von der Intensität der Schallwelle lenkt der Kristall hierbei einen Teil des einfallenden Lichts ab. Der Begriff der „Pockels-Zelle“ bezeichnet einen elektrooptischen Modulator, der über einen optisch doppelbrechenden Kristall verfügt, in dem aus dem die Pockels-Zelle beaufschlagenden weiteren Steuersignal ein elektrisches Feld erzeugt wird, das Größe und Ausrichtung der Doppelbrechung ändern kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Vorrichtung weiterhin mindestens ein weiteres optisches Element umfassen, das als eigenständiges optisches Element ausgestaltet und/oder in das mindestens eine Laserelement integriert sein kann. Das mindestens eine weitere optische Element kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, das von dem mindestens einen Laserelement abgestrahlte mindestens eine optische Signal auf mindestens einen gewünschten Ort in einem dreidimensionalen Raum zu fokussieren. Hierzu kann das mindestens eine weitere optische Element insbesondere ausgewählt sein aus mindestens einer optischen Linse, bevorzugt einer fokussierenden optischen Linse, oder mindestens einem optischen Spiegel. Alternativ kann das von dem mindestens einen Laserelement erzeugte optische Signal bereits eine ausreichend hohe Fokussierung aufweisen und bereits in der gewünschten Richtung in den dreidimensionalen Raum abgestrahlt werden. Unabhängig von der Art der Fokussierung des mindestens einen optischen Signals kann somit sichergestellt werden, dass das mindestens eine akustische Signal an dem mindestens einen gewünschten Ort in dem dreidimensionalen Raum erzeugt werden kann.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals. Das Verfahren umfasst hierbei die folgenden Schritte a) bis c): a) Empfangen mindestens eines elektronischen Signals, das mit mindestens einem zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal korreliert ist; b) Bereitstellen mindestens eines Steuersignals an mindestens ein Laserelement zur Steuerung einer Abstrahlung mindestens eines optischen Signals unter Verwendung des mindestens eines elektronischen Signals, das mit dem mindestens einen zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal korreliert ist; und c) Abstrahlen des mindestens eines optischen Signals durch das mindestens eine Laserelement derart an mindestens ein Zielmedium, dass hierdurch eine Übertragung des mindestens einen optischen Signals an das mindestens eine Zielmedium und eine Wiedergabe des mindestens einen akustischen Signals mittels des mindestens einen Zielmediums erfolgt, wobei das mindestens eine Zielmedium eine Umwandlung des mindestens einen optischen Signals in das mindestens eine akustische Signal ausführt.
Die Schritte a) bis c) können hierbei vorzugsweise mehrfach in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden, wobei vor Beendigung des Schrittes c) mit einem weiteren elektronischen Signal wieder mit Schritt a) begonnen werden kann. Hierbei können die Schritte a) bis c) bevorzugt entsprechend der Länge des mindestens einen elektronischen Signals wiederholt ausgeführt werden, wodurch eine Echtzeit-Informationstranskodierung des mit dem mindestens einen akustischen Signal korrelierten mindestens einen elektronischen Signals in das mindestens einen optische Signal und schließlich in das erfindungsgemäß wiedergegebene mindestens einen akustische Signal erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann aus dem mindestens einen elektronischen Signal, das mit dem mindestens einem zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal korreliert ist, mindestens ein moduliertes elektronisches Signal bereitgestellt werden, wobei das mindestens eine Steuersignal an das mindestens eine Laserelement aus dem mindestens einen modulierten elektronischen Signal erzeugt werden kann. Alternativ kann das mindestens eine Steuersignal an das mindestens eine Laserelement jedoch auch direkt aus dem mindestens einen elektronischen Signal, das mit dem mindestens einen zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal korreliert ist, erzeugt werden. In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung kann mindestens ein weiteres Steuersignal an mindestens eine optische Modulationseinheit zur Steuerung einer optischen Modulation des durch das mindestens eine Laserelement abgestrahlten optischen Signals bereitstellt werden, wobei die optische Modulation des von dem mindestens einen Laserelement abgestrahlten optischen Signals vor einer Beaufschlagung des mindestens einen Zielmediums mit dem mindestens einen optischen Signal erfolgt. Hierbei kann es besonders bevorzugt sein, wenn die optische Modulation des durch das mindestens eine Laserelement abgestrahlten optischen Signals eine optische Modulation einer Amplitude, insbesondere eine Puls- amplituden-Modulation, des durch das mindestens eine Laserelement abgestrahlten optischen Signals umfasst. Hierbei kann das mindestens eine weitere Steuersignal an die mindestens eine optische Modulationseinheit direkt aus dem mindestens einen elektronischen Signal, das mit dem mindestens einen zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal korreliert ist, oder aus dem mindestens einen modulierten elektronischen Signal erzeugt werden.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung kann vor der Beaufschlagung des mindestens einen Zielmediums mit dem mindestens einen optischen Signal weiterhin eine Fokussierung des von dem mindestens einen Laserelement abgestrahlten mindestens einen optischen Signals auf mindestens einen gewünschten Ort in einem dreidimensionalen Raum erfolgen. Wie oben erwähnt kann hierzu das mindestens eine weitere optische Element insbesondere ausgewählt werden aus mindestens einer optischen Linse, bevorzugt einer fokussierenden optischen Linse, oder mindestens einem optischen Spiegel, wobei, alternativ, das von dem mindestens einen Laserelement erzeugte optische Signal bereits eine ausreichend hohe Fokussierung aufweisen und bereits in der gewünschten Richtung in den dreidimensionalen Raum abgestrahlt werden kann, um so sicherzustellen, dass das mindestens eine akustische Signal an dem mindestens einen gewünschten Ort in dem dreidimensionalen Raum erzeugt werden kann.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung der Vorrichtung zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals. Eine besonders bevorzugte Verwendung kann hierbei einen Einsatz der Vorrichtung als Lautsprecher zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals an einem gewünschten Ort in einem dreidimensionalen Raum betreffen, bevorzugt zur Wiedergabe von akustischen Signalen mit hoher Qualität, insbesondere Wiedergabe von High-Fidelity Audio. Wie oben bereits dargelegt, bezieht sich das akustische Signal hierbei auf eine in mindestens eine Schallwelle eingeprägte und auf diese Weise von der mindestens einen Schallwelle getragenen Information, wobei es sich insbesondere um mindestens ein akustisches Element, vorzugsweise ausgewählt aus Wort, Musik oder einem Gebrauchsgeräusch, handeln kann.
Weiterhin sind insbesondere folgende bevorzugte Verwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals möglich:
- Rendering von sich bewegenden Audioquellen, insbesondere in Echtzeit;
- Rendering von holographischen Klanglandschaften;
- Erzeugung impulsartiger oder kontinuierlicher akustischer Signale, insbesondere als Testsignale für akustische Messungen und industrielle Anwendungen;
- Schallquellen mit eigener Stromversorgung, die über große Entfernungen erzeugt werden können;
- Übertragung von Schallleistung über große Entfernungen und/oder hohe Leistungen;
- Übertragung von akustischen Signalen und Schallleistung für extraterrestrische Anwendungen;
- Präzisionsformung von lasergeneriertem Schall oder Ultraschall für medizinische Anwendungen;
- Anwendungen in der Kernfusion.
Weitere Verwendungen der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung sind jedoch denkbar.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die Verwendung der vorliegenden Vorrichtung wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
Hierin werden die Begriffe "haben", "aufweisen", "umfassen" oder "einschließen" oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck "A hat B", "A weist B auf', "A umfasst B" oder "A schließt B ein" sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne dass hierdurch die Möglichkeit eingeschränkt wird, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden hierin die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten unangetastet bleiben, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale.
Vorteile der Erfindung
Das vorliegende Verfahren und die beschriebene Vorrichtung eignen sich insbesondere zur Übertragung mindestens eines akustischen Signals, das aus einer analogen oder einer digitalen Signalquelle stammen kann, über große Entfernungen und zur Wiedergabe direkt auf einem entfernten Ziel oder einem Ort in der Luft, ohne dass hierfür eine Empfangseinrichtung und/oder eine Dekodierungsvorrichtung, insbesondere in Form eines elektromechanischen Wandlers, oder eine lokale Stromversorgung erforderlich ist. Die Demodulation des Schallsignals findet direkt in der umgebenden Atmosphäre statt und das akustische Signal in Form von einfachen oder komplexen Worten, Musik oder Gebrauchsgeräuschen kann vom menschlichen oder tierischen Gehör wahrgenommen werden. Insbesondere kann erfindungsgemäß eine gleichzeitige Übertragung der gewünschten Information und des Leistungssignals erfolgen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht weiterhin eine Echtzeit-Verschiebung der mindestens einen akustischen Signalquelle in einem dreidimensionalen Raum durch Verschiebung des Fokuspunktes eines Laserelements sowie die Bereitstellung mindestens einer akustischen Signalquelle mit beliebiger Richtwirkung, d.h. analog zu realen, sich bewegenden akustischen Signalquellen. Dies kann durch die Verwendung von piezoelektrischen Positioniereinrichtungen mit schneller Rotation für den Laser oder sich schnell bewegenden Spiegeln erreicht werden, die den Strahl an die gewünschte Position umlenken, oder durch jedes andere Verfahren, das eine schnelle Verschiebung des Laserfokuspunkts im dreidimensionalen Raum ermöglicht. Potenziell können an einem gewünschten Ort in dem dreidimensionalen Raum grundsätzlich beliebig viele derartiger virtueller Signalquellen bereitgestellt werden. Die ist mit den bekannten lautsprecherbasierten Wiedergabemethoden von Schall nur angenähert möglich. Die Erfindung ermöglicht weiterhin eine Erzeugung von kontrollierten impulsartigen akustischen Signalen mit sehr kurzen Laufzeiten bei beliebigen, insbesondere hohen, Drücken, die für viele akustische Messungen und virtuelle Audiosysteme nützlich sind. Die vorliegende Erfindung ermöglich damit die ferngesteuerte Bereitstellung grundsätzlich beliebiger akustischer Signalquellen, die sich von den traditionellen drahtgebundenen oder drahtlosen Audiokanalverfahren unterscheiden. Insbesondere keine elektrischen, elektronischen oder optoelektronischen Komponenten, wie z.B. Kabel oder Glasfasern, zur Übertragung der kodierten Signale benötigt.
Die vorliegende Erfindung kann weiterhin auch zur Wiedergabe von akustischen Ultraschallsignalen verwendet werden, die in Feststoffen oder Fluiden erzeugt werden können, wobei deren Intensität, Position und Dauer genau gesteuert werden kann, insbesondere für medizinische oder prüftechnische Anwendungen.
Damit können mittels der vorliegenden Erfindung insgesamt die folgenden Vorteile erzielt werden:
- Wiedergabe von kontrollierten und kontinuierlichen breitbandigen akustischen Signalen über das mindestens eine Laserelement;
- Ansteuerung des mindestens einen Laserelements mit modulierten digitalen Audiosignalen über nicht spezialisierte Audioschnittstellen;
- Wiedergabe von 3D- Audioobjekten mit kontrollierter Richtwirkung aus stationären oder sich bewegenden massenlosen Plasmaquellen in einer Atmosphäre oder in festen oder fluiden Objekten; und Bereitstellung einer akustischen Ultraschallquelle mit kontrollierter beliebiger und variabler Intensität und Strahlungsprofilen in Festkörpern, Flüssigkeiten oder in einer natürlichen oder künstlichen Atmosphäre.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals; und
Figur 4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Wiedergabe 112 von akustischen Signalen 114 an einem Ort 116 in einem dreidimensionalen Raum 118. Bei den akustischen Signalen 114 handelt es sich hierbei um eine von Schallwellen getragene Information, die durch eine Modulation in die Schallwelle eingeprägt ist. Bei der Information kann es sich hierbei insbesondere um mindestens ein akustisches Element, vorzugsweise ausgewählt aus einem Wort, Musik oder einem Gebrauchsgeräusch, handeln. Besonders geeignet sind daher Schallwellen, die eine Frequenz von 16 Hz bis 20 kHz aufweisen und die als für Menschen hörbarer Schall auch als „Hörschall“ bezeichnet werden. Jedoch eignet sich die vorliegende Erfindung auch für Schallwellen, die eine Frequenz von mehr als 20 kHz bis 1,6 GHz (Ultraschall) aufweisen und die sich, insbesondere in einem Ultraschallgenerator, bevorzugt für mindestens eine der oben genannte Verwendungen, einsetzen lassen.
Das in Figur la schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 110 umfasst eine Steuerschnittstelle 120, die dazu eingerichtet ist, elektronische Signale 122, die mit den zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signalen 114 derart korreliert sind, dass die akustischen Signale 114, vorzugsweise in möglichst unveränderter Form, wieder aus den elektronischen Signalen 122 erzeugbar sind, an einem Signal eingang 124 zu empfangen. Daher können die mit den akustischen Signalen 114 korrelierten elektronischen Signale 122 üblicherweise auch als „Audio Signale“ bezeichnet werden. Im Unterschied zu den akustischen Signalen 114 handelt es sich bei den elektronischen Signalen um eine von elektromagnetischen Wellen getragene Information, wobei die Information durch eine Modulation in die elektromagnetische Welle eingeprägt ist. Besonders geeignet hierfür sind elektromagnetische Wellen, die eine Frequenz von 1 Hz bis 5 MHz, bevorzugt von 10 Hz bis 500 kHz, aufweisen.
Das in Figur 1b schematisch dargestellte weitere Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 110 umfasst zusätzlich zu der Steuerschnittstelle 120 einen Signalmodulator 126, der dazu eingerichtet, aus den elektronischen Signalen 122 jeweils modulierte elektronische Signale 128 zu erzeugen. Hierzu erfolgt eine Modulation der von dem Signalmodulator 126 empfangenen elektronischen Signale 122 durch Überlagerung der elektronischen Signale 122, um die elektronischen Signale 122 als Trägersignal mittels zusätzlicher Information zu kodieren, wobei die zusätzliche Information mittels eines ausgewählten Verfahrens in die als Trägersignal füngierenden elektronischen Signale 122 eingeprägt werden. Wie oben erwähnt, kann hierbei auf bekannte Modulationsverfahren zurückgegriffen werden, wobei Verfahren der digitalen Audiomodulation, insbesondere der Pulsweitenmodulation (PWM), Plusamplituden-Modulation (PAM) oder ein XA-Modulationsverfahren oder besonders bevorzugt sind; anderen Modulationsverfahren ist jedoch möglich. Der Signalmodulator 126 eignet sich insbesondere für einige Modulationsverfahren, insbesondere für SA- Modulationsverfahren, während sich Steuersignale 130 für andere Modulationsverfahren, insbesondere für PWM und PAM, direkt aus den elektronische Signalen 122, die mit den zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signalen 114 korreliert sind, erzeugen lassen.
Wie weiterhin aus den Figuren 1 a und 1b hervorgeht, erzeugt die Steuerschnittstelle 120 aus den elektronische Signalen 122, die mit den zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signalen 114 korreliert sind, die Steuersignale 130, die an das hier dargestellte einzige Laserelement 132 zur Steuerung einer Abstrahlung 134 von optischen Signalen 136 bereitgestellt werden. In einer weiteren Ausführung (nicht dargestellt) kann die Vorrichtung 110 jedoch über mindestens zwei, insbesondere drei, vier, fünf, sechs, acht, zehn, zwölf oder mehr, Laserelemente 132 verfügen. Bei jedem Laserelement 132 kann es sich vorzugsweise um eine Laserdiode oder einen Festkörperlaser handeln; andere Arten von Laserelementen 132 sind jedoch möglich.
Die Steuerschnittstelle 120 kann hierbei eine elektronische Einrichtung, die zur Erzeugung der Steuersignale 130 eingerichtet ist, sein oder umfassen, wobei die Steuersignale 130 vorzugsweise weitere elektronische Signale oder optische Signale sind, die Informationen zur Änderung mindestens eines Zustands des hierdurch zu steuernden Laserelements 132 aufweisen. Wie in Figur 3 näher ausgeführt, kann die Steuerschnittstelle 120 vorzugsweise ein oder mehrere weitere Steuersignale an ein oder mehrere weitere Einheiten zu deren Steuerung übertragen. Für weitere Einzelheiten wird auf die untenstehende Beschreibung zu den Figuren 2 und 3 verwiesen.
Wie Figur 1 weiterhin schematisch zeigt, umfasst die vorgeschlagene Vorrichtung das hier dargestellte eine Laserelement 132, das zur Abstrahlung 134 der optischen Signale 136 an ein Zielmedium 138 eingerichtet ist. Hierdurch erfolgt eine Übertragung 140 der optischen Signale 136 an das Zielmedium 138 sowie eine Wiedergabe 112 der akustischen Signale 114 mittels des Zielmediums 138, das zur Umwandlung der optischen Signale 136 in die akustischen Signale 114 eingerichtet ist. Als das Zielmedium 138 eignet sich eine feste Substanz, insbesondere ein fester Körper; eine fluide, d.h. eine flüssige und/oder gasförmige, Substanz; oder eine Mischung hiervon. Das Zielmedium 138, in das die Einstrahlung der optischen Signale 136 erfolgt, und dessen räumliche Anordnung werden erfindungsgemäß derart ausgewählt, dass hierdurch ein Transport der optischen Signale 136, bevorzugt in unveränderter Form, von einem optischer Ausgang 142 des Laserelements 132 zu dem Ort 116 in dem dreidimensionalen Raum 118 und die Bereitstellung der akustischen Signale 114, bevorzugt in unveränderter Form, an dem Ort 116 in dem dreidimensionalen Raum 118. Da sich das Zielmedium 138 erfindungsgemäß zur Umwandlung der optischen Signale 136 in die akustischen Signale 114 eignet, kann somit an dem Ort 116 in dem dreidimensionalen Raum 118, an dem sich das Zielmedium 138 oder ein Teil hiervon befindet, die Wiedergabe der akustischen Signale 114 erfolgen. Für bevorzugte Ausführung des Zielmediums 138 wird auf die untenstehenden Ausführungsbeispiele verwiesen.
Die Figuren 2 und 3 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Wiedergabe 112 der akustischen Signale 114 an dem gewünschten Ort 116 in dem dreidimensionalen Raum 118, der sich an oder in dem Zielmedium 138 befindet. Während Figur 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 auf Basis einer Einzel-Bit-Kodierung zeigt, stellt Figur 2 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 auf Basis einer Multi-Bit-Kodierung dar.
Sowohl der in Figur 2 als auch der in Figur 3 eingesetzte Signalmodulator 126 ist jeweils dazu eingerichtet, die als „Audiosignale“ bezeichneten elektronischen Signale 122, die mit den zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signalen 114 - wie oben näher beschrieben - korreliert sind, zu empfangen. Hierbei erzeugt der in der Ausführungsform gemäß Figur 2 eingesetzte Signalmodulator 126 aus den empfangenen elektronischen Signalen 122 modulierte elektronische Signale 128, aus welchen die Steuerschnittsteil e 120 - ebenso wie in der Darstellung gemäß Figur 1b - die Steuersignale 130 zur Ansteuerung des Laserelements 132 erzeugt, die z.B. einem Trigger-Eingang des Laserelements 132 bereitgestellt werden können. Damit kann die Steuerschnittstelle 120 die als „Audiosignale“ bezeichneten elektronischen Signale 122, die der Signalmodulator 126 in Form von analogen, modulierten elektronischen Signalen, vorzugsweise als pulsweitenmodulierte Signale, bereitstellt, in einen Strom von digitalen modulierten elektronischen Signalen 128 umwandeln.
Zusätzlich kann der Signalmodulator 126 in der Ausführungsform gemäß Figur 3 ebenfalls aus den empfangenen, als „Audiosignale“ bezeichneten elektronischen Signalen 122 zusätzlich weitere modulierte elektronische Signale 144 erzeugen, aus welchen die Steuerschnittstelle 120 - in ähnlicher Weise wie die Steuersignale 130 - weitere Steuersignale 146 zur Ansteuerung einer optischen Modulationseinheit 148 erzeugen kann, vorzugsweise mittels eines Modulator-Kontrollers 150. Bei der optischen Modulationseinheit 148 kann es sich bevorzugt um eine Bragg-Zelle handeln, die mittels Spannungssignalen 152, die von dem Modulator-Kontroller 150 erzeugt werden, beaufschlagt werden kann; andere Arten von optischen Modulationseinheiten 148, z.B. eine Pockels-Zelle, sind jedoch denkbar. Unabhängig von der Art ihrer Ausführung ist die optische Modulationseinheit 148 zur optischen Modulation der von dem Laserelement 148 abgestrahlten optischen Signale 136, insbesondere der Amplitude der von dem Laserelement 148 abgestrahlten optischen Signale 136, vor der Beaufschlagung des Zielmediums 138 mit den optischen Signalen 136 eingerichtet.
Bei der Steuerschnittstelle 120, die in den Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 und 3 eingesetzt wird, kann es sich vorzugweise um eine Input/Output- Schnittstelle handeln, bevorzugt um eine handelsübliche Soundkarte 154 mit breitem Frequenzbereich, hoher Abtastrate und einer ausreichenden Anzahl von Ausgangskanälen, um die Steuersignale 130, 146 zu liefern.
In den beiden Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 und 3 werden die optischen Signale 136 vor der Beaufschlagung des Zielmediums 138 mittels eines geeigneten optischen Elements 156, insbesondere einer fokussierenden optischen Linse 158, fokussiert, um so eine möglichst lokale Beaufschlagung des Orts 116 in dem Zielmedium 138 zu erreichen, um auf diese Weise eine möglichst lokal begrenzte Erzeugung eines Plasmas, insbesondere eines laserinduzierten Plasmas (LIB), an dem Ort 116 zu bewirken. Damit kann mittels der Ausführungsform gemäß Figur 2 jeder optische Impuls genau einen akustischen Impuls erzeugen, während die als „Audiosignale“ bezeichneten elektronischen Signale 122 eine Folge der akustischen Impulse an dem Ort 116 nachbilden können.
In beiden den Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 und 3 ermöglicht jeweils eine Platte 160, die insbesondere mindestens ein Metall, eine Keramik oder ein Polymer aufweisen kann, eine direkte Wiedergabe 112 der akustischen Signale 114, wobei zusätzliche harmonische oder nicht-harmonische Verzerrungen durch Ablation in Folge einer Bearbeitung, insbesondere eines Ätzens, einer Oberfläche der Platte 160 und/oder aufgrund von Vibrationen der Platte 160 entstehen können. Wie bereits oben erwähnt, kann das Zielmedium 138 jedoch auch auf andere Art ausgeführt sein, insbesondere in Form eines Fluids, vorzugsweise eine die Vorrichtung umgebende natürliche oder künstliche Atmosphäre.
Während in der Ausführungsform gemäß Figur 2 die Frequenzen der akustischen Signale 114 durch eine Wiederholrate des Laserelements 132 begrenzt sind, ermöglicht es die in der Ausführungsform gemäß Figur 3 eingesetzte optische Modulationseinheit 148, eine Energiemenge der anfänglichen, von dem Laserelement 132 erzeugten optischen Signale 136 und somit eine Intensität der hieraus an dem Ort 116 erzeugten akustischen Signale 114 zu steuern, wodurch eine Implementierung von verschiedenen Pegeln der gewünschten Multi- Bit-Kodierung ermöglicht wird.
Zum Nachweis der Erzeugung der akustischen Signale 114 kann, wie die Figuren 2 und 3 schematisch zeigen, ein Mikrofon 162 eingesetzt werden, das der Soundkarte 154 als der Input/ Output- Schnittstelle 128 weitere elektronische Signale 164 zuführen kann, die hieraus noch weitere elektronische Signale 166 erzeugen kann, die dem Signalmodulator 126 zuführt werden können, der hieraus durch Signalmodulation demodulierte elektronische Signale 168 erzeugen kann, die an einem Signalausgang 170 ausgegeben und mit den als „Audio Signalen“ bezeichneten elektronischen Signalen 122 verglichen werden können. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 210 zur Wiedergabe 112 mindestens eines akustischen Signals 114.
Sowohl in der Ausführung gemäß Figur 4a als auch in der Ausführung gemäß Figur 4b erfolgt während eines Empfangsschritts 212 gemäß Schritt a) ein Empfangen der als „Audio Signale“ bezeichneten elektronischen Signale 122, die mit den zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signalen 114 korreliert sind.
Gemäß eines Bereitstellungsschritts 214 gemäß Schritt b) erfolgt ein Bereitstellen der Steuersignale 130 an das Laserelement 132 zur Steuerung der Abstrahlung 134 der optischen Signale 136 unter Verwendung der während des Empfangsschritts 212 gemäß Schritt a) empfangenen elektronischen Signale 122. Optional kann der Bereitstellungsschritt 214 ein Bereitstellen der weiteren Steuersignale 146 an die optische Modulationseinheit 148 ebenfalls unter Verwendung der während des Empfangsschritts 212 gemäß Schritt a) empfangenen elektronischen Signale 122 umfassen.
Gemäß eines Abstrahlungsschritts 216 gemäß Schritt c) erfolgt ein Abstrahlen der optischen Signale 136 durch das Laserelement 132 derart an das Zielmedium 138, dass hierdurch eine Übertragung 140 der optischen Signale 136 an das Zielmedium 138 und eine Wiedergabe 112 der akustischen Signale 114 mittels des Zielmediums 138 erfolgt, wobei das Zielmedium 138 eine Umwandlung der optischen Signale 136 in die akustischen Signale 114 ausführt.
In der Ausführung gemäß Figur 4b zusätzlich gemäß eines Modulationsschritts 218 ein Erzeugen von modulierten elektronischen Signalen 128, 144, insbesondere mittels des Signalmodulators 126, ebenfalls unter Verwendung der während des Empfangsschritts 212 gemäß Schritt a) empfangenen elektronischen Signale 122, erfolgen.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das Verfahren 210 wird auf die obige Darstellung der Vorrichtung 110 verwiesen.
Bezugszeichenliste
110 Vorrichtung zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals
112 Wiedergabe
114 akustische Signale
116 Ort
118 dreidimensionaler Raum
120 Steuerschnittstelle
122 elektronische Signale
124 Signaleingang
126 Signalmodulator
128 modulierte elektronische Signale
130 Steuersignale
132 Laserelement
134 Ab Strahlung
136 optische Signale
138 Zielmedium
140 Übertragung
142 optischer Ausgang
144 weitere modulierte elektronische Signale
146 weitere Steuersignale
148 optische Modulationseinheit
150 Modulator-Kontroller
152 Spannungssignale
154 Soundkarte
156 optisches Element
158 fokussierende optische Linse
160 Platte
162 Mikrofon
164 weitere elektronische Signale
166 noch weitere elektronische Signale
168 demodulierte elektronische Signale
170 Signalausgang
210 Verfahren zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals
212 Empfangsschritt
214 Bereitstellungsschritt
216 Abstrahlungsschritt
218 Modulationsschritt

Claims

- 22 -
Patentansprüche Vorrichtung (110) zur Wiedergabe (112) mindestens eines akustischen Signals (114), umfassend
- mindestens ein Laserelement (132), das zur Abstrahlung (134) mindestens eines optischen Signals (136) derart an mindestens ein Zielmedium (138) eingerichtet ist, dass hierdurch eine Übertragung (140) des mindestens einen optischen Signals (136) an das mindestens eine Zielmedium (138) und eine Wiedergabe (112) mindestens eines akustischen Signals (114) mittels des mindestens einen Zielmediums (138) erfolgt, wobei das mindestens eine Zielmedium (138) zur Umwandlung des mindestens einen optischen Signals (136) in das mindestens eine akustische Signal (114) eingerichtet ist; und
- mindestens eine Steuerschnittstelle (120), die dazu eingerichtet ist, aus mindestens einem elektronischen Signal (122), das mit dem mindestens einen zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal (114) korreliert ist, mindestens ein Steuersignal (130) an das mindestens eine Laserelement (132) zur Steuerung der Abstrahlung (134) des mindestens einen optischen Signals (136) bereitzustellen. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, ferner umfassend
- mindestens einen Signalmodulator (126), der zum Empfang des mindestens eines elektronischen Signals (122), das mit dem mindestens einem zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal (114) korreliert ist, und zur Erzeugung des mindestens einen Steuersignals (130) an das mindestens eine Laserelement (132) eingerichtet ist. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der mindestens eine Signalmodulator (126) weiterhin zur Erzeugung mindestens eines modulierten elektronischen Signals (128) eingerichtet ist, wobei das mindestens eine Steuersignal (130) an das mindestens eine Laserelement (132) aus dem mindestens einen modulierten elektronischen Signal (128) erzeugt wird. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend
- mindestens eine optische Modulationseinheit (148), die zur optischen Modulation des von dem mindestens einen Laserelement (132) abgestrahlten optischen Signals (136) vor einer Beaufschlagung des mindestens einen Zielmediums (138) mit dem mindestens einen optischen Signal (136) eingerichtet ist, wobei die mindestens eine Steuerschnittstelle (120) weiterhin dazu eingerichtet ist, mindestens ein weiteres Steuersignal (146) an die mindestens eine optische Modulationseinheit (148) zur Steuerung der optischen Modulation des von dem mindestens einen Laserelement (132) abgestrahlten optischen Signals (136) bereitzustellen. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der mindestens eine Signalmodulator (126) weiterhin zur Erzeugung des mindestens eines weiteren Steuersignals (146) an die mindestens eine optische Modulationseinheit (148) eingerichtet ist. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der mindestens eine Signalmodulator (126) und/oder die mindestens eine Steuerschnittstelle (120) dazu eingerichtet ist, das mindestens eine weitere Steuersignal (146) an die mindestens eine optische Modulationseinheit (148) aus dem mindestens einen modulierten elektronischen Signal (128) zu erzeugen. Vorrichtung (110) nach einem der drei vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine optische Modulationseinheit (148) zur optischen Modulation einer Amplitude des von dem mindestens einen Laserelement (132) abgestrahlten optischen Signals (136) eingerichtet ist. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (110) oder das mindestens eine Laserelement (132) weiterhin mindestens ein weiteres optisches Element (156) umfasst, wobei das mindestens eine weitere optische Element (156) dazu eingerichtet ist, das von dem mindestens einen Laserelement (132) abgestrahlte mindestens eine optische Signal (136) auf mindestens einen gewünschten Ort (116) in einem dreidimensionalen Raum (118) zu fokussieren. Verfahren (210) zur Wiedergabe (112) mindestens eines akustischen Signals (114), umfassend die Schritte: a) Empfangen mindestens eines elektronischen Signals (122), das mit mindestens einem zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal (114) korreliert ist; b) Bereitstellen mindestens eines Steuersignals (130) an mindestens ein Laserelement (132) zur Steuerung einer Abstrahlung (134) mindestens eines optischen Signals (136) unter Verwendung des mindestens eines elektronischen Signals (122), das mit dem mindestens einen zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal (114) korreliert ist; und c) Abstrahlen (134) des mindestens eines optischen Signals (136) durch das mindestens eine Laserelement (132) derart an mindestens ein Zielmedium (138), dass hierdurch eine Übertragung (140) des mindestens einen optischen Signals (136) an das mindestens eine Zielmedium (138) und eine Wiedergabe (112) des mindestens einen akustischen Signals (114) mittels des mindestens einen Zielmediums (138) erfolgt, wobei das mindestens eine Zielmedium (138) eine Umwandlung des mindestens einen optischen Signals (136) in das mindestens eine akustische Signal (114) ausführt. Verfahren (210) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei aus dem mindestens einen elektronischen Signal (122), das mit dem mindestens einem zu übertragenden und wiederzugebenden akustischen Signal (114) korreliert ist, mindestens ein moduliertes elektronisches Signal (128) bereitgestellt wird, wobei das mindestens eine Steuersignal (130) an das mindestens eine Laserelement (132) aus dem mindestens einen modulierten elektronischen Signal (128) erzeugt wird. Verfahren (210) nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei mindestens ein weiteres Steuersignal (146) an mindestens eine optische Modulationseinheit (148) zur Steuerung einer optischen Modulation des durch das mindestens eine Laserelement (132) abgestrahlten optischen Signals (136) bereitstellt wird, wobei die optische Modulation des von dem mindestens einen Laserelement (132) abgestrahlten optischen Signals (136) vor einer Beaufschlagung des mindestens einen Zielmediums (138) mit dem mindestens einen optischen Signal (136) erfolgt. Verfahren (210) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das mindestens eine weitere Steuersignal (146) an die mindestens eine optische Modulationseinheit (148) aus dem mindestens einen modulierten elektronischen Signal (128) erzeugt wird. Verfahren (210) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei die optische Modulation des durch das mindestens eine Laserelement (132) abgestrahlten optischen Signals (136) eine optische Modulation einer Amplitude des durch das mindestens eine Laserelement (132) abgestrahlten optischen Signals (134) umfasst. - 25 - Verfahren (210) nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei vor der Beaufschlagung des mindestens einen Zielmediums (138) mit dem mindestens einen optischen Signal (136) weiterhin eine Fokussierung des von dem mindestens einen Laserelement (132) abgestrahlten mindestens einen optischen Signals (136) auf mindestens einen gewünschten Ort (116) in einem dreidimensionalen Raum (118) erfolgt. Verwendung einer Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche betreffend die Vorrichtung (110) als Lautsprecher zur Wiedergabe mindestens eines akustischen Signals (114) an einem gewünschten Ort (116) in einem dreidimensionalen Raum (118).
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YOICHI OCHIAI ET AL: "Fairy Lights in Femtoseconds : Aerial and Volumetric Graphics Rendered by Focused Femtosecond Laser Combined with Computational Holographic Fields", ACM TRANSACTIONS ON GRAPHICS, vol. 35, no. 2, 19 February 2016 (2016-02-19), US, pages 1 - 14, XP055481553, ISSN: 0730-0301, DOI: 10.1145/2850414 *

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