FI93506C

FI93506C - Menetelmä äänen toistamiseksi

Info

Publication number: FI93506C
Application number: FI934099A
Authority: FI
Inventors: Reijo Kuusela
Original assignee: Reijo Kuusela
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1993-09-20
Publication date: 1995-04-10
Also published as: FI934099A0; AU7658594A; WO1995008905A1; FI93506B

Description

93506

MENETELMÄ ÄÄNEN TOISTAMISEKSI

Keksinnön kohteena on menetelmä ääniaaltokenttien tuottamiseksi ja kohdistamiseksi, erityisesti ääniviestin kohdista-5 mistä varten, jossa menetelmässä ääniaalto lähetetään laaja-pintaisen kaiutinelementin muodostamasta äänilähteestä tiettyyn suuntaan siten, että kaiutinelementin pinta saatetaan värähtelemään samanvaiheisena ja pinnan pisteet liikkuvat pinnan normaalin suunnassa.

10

Nykyisin käytössä olevat kaiutinjärjestelmät on rakennettu tyypillisesti dynaamisista kaiutinkartioista, jotka ovat pistemäisiä äänilähteitä ja näistä rakennetut kaiuttimet ovat myös lähes pistemäisiä äänilähteitä. Lähetettäessä 15 ääniviesti tällaisilla kaiuttimilla muodostuu ääniaaltokent-tä vapaassa tilassa pallomaiseksi, jolloin suurin äänen intensiteettitaso on havaittavissa aivan kaiuttimen välittömässä läheisyydessä ja intensiteettitaso vaimenee kääntäen verrannollisesti etäisyyden neliöön.

20 Ääniviestien lähettämiseen pistemäisillä äänilähteillä liittyy eräitä ongelmia. Lähetettyjen ääniviestien perillemenoon ja viestien ymmärretyksi tulemiseksi ei riitä, että äänen intensiteettitaso on kuulijoille riittävä. Viestien perille-25 menon parantamiseksi on lisäksi tarpeen, että ääniviestit voidaan osoittaa niille kuulijoille, joille viestien sisältö on tarpeellinen. Jos pistemäisellä äänilähteellä aikoo toteuttaa äänentoiston, jossa ääniviestit on kohdistettu vain tietylle osalle kuulijoita, on kaiuttimen oltava mahdolli-30 simman lähellä niitä kuulijoita, joille viesti on osoitettu. Kuitenkin hyvin harvoin on mahdollista sijoittaa kaiuttimia tällä tavoin lähelle kuulijoita, joten selektiivinen viestien lähettäminen ei onnistu häiritsemättä muita samassa tilassa olevia. Tällaisten kaiuttimien sijoittelussa onkin 35 tavallista, että suureenkin tilaan on sijoitetaan vain muutamia kaiuttimia kauas potentiaalisesta kohderyhmästä, jolloin ääniviestin perille menemisen varmistamiseksi joudu- 2 93506 taan käyttämään korkeita äänen intensiteettitasoja. Kuitenkin ääniviestien perillemeno on epävarmaa useiden tekijöiden johdosta. Viestin perillemenoa häiritsevät mm. kaukana olevasta äänilähteestä lähetetyn viestin puuroutuminen 5 kaikumisen takia, viestien peittyminen hälyääniin, liian suuri äänen intensiteettitaso, äänenvoimakkuuden vahvistamisessa tavallinen signaalin säröytyminen ym. tekijät. Ne kuulijat, joille kuulutettu asia ei ole relevantti, kokevat kuulutuksen ylimääräisenä äänisaasteena.

10

Keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin menetelmä kuuli-jaselektiivisen äänentoiston toteuttamiseksi, jolla menetelmällä voidaan tuottaa ääniaaltokenttiä niin, että kuultavissa oleva äänen voimakkuustaso voidaan rajata tarkoituksen i-15 sesti tiettyyn osaan sitä tilaa, jonne ääniviesti lähetetään. Lisäksi keksinnön tarkoituksena on tuoda esille menetelmä, jota hyväksikäyttämällä voidaan samassa tilassa esittää samanaikaisesti useita eri ääniviestejä niin, että viestit eivät häiritse toisiaan ja että kukin viesti on 20 kuultavissa vain siinä osassa tilaa, johon kyseinen viesti on tarkoitettu.

Keksinnön tarkoitus saavutetaan menetelmällä, jolle on pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuk-25 sissa.

Keksinnön mukaan ääniaaltokenttä lähetetään elektrostaatti-sesti toimivalla kaiutinelementillä, jossa on kahden laaja-pintaisen elektrodin välissä joustavaa eristemateriaalia, 30 saattamalla kaiutinelementin koko pinta värähtelemään siten, että värähtelyn aikana pinnan jokaisen pisteen normaalin suunta pysyy samana kuin pinnan lepotilassa. Lisäksi kai-utinelementti muotoillaan kohdistamaan ääniaaltokenttä tasaisena tai fokusoituna tiettyyn tilaan, jossa ääniaalto-35 kentän kohde tai ääniviestin kuulija sijaitsee tai liikkuu, jolloin kuulija kokee ääniviestin seuraavan kuulijaa tämän liikkuessa kyseessä olevassa ääniaaltokentässä. Kuulijalla 3 93506 tarkoitetaan ihmistä tai eläintä tai myös sellaista laitetta, joka voi vastaanottaa tai havaita akustisia ääniviestejä. Kaiutinelementti voidaan muotoilla eri sovelluksissa eri muotoisiksi, jolloin niillä lähetettävät ääniaaltokentät 5 saadaan kohdistetuiksi tiettyyn haluttuun kohteeseen. Rajaamalla ääniviestin kohdealue ja kohderyhmä parannetaan viestin perille menoa ja samalla voidaan vähentää turhaa ääni-saastetta. Tällainen parannus on tarpeen useiden julkisten tilojen kuulutusratkaisujen suhteen kuten esimerkiksi rauta-10 tie- ja linja-autoasemilla, näyttelytiloissa, toimistoissa, urheilupaikoilla. Kohdistettujen ääniviestien eräs potentiaalinen käyttösovellutus on tavaratalojen kuulutusratkai-suissa, jolloin esimerkiksi eri myyntipisteissä asiakasta voidaan kohdistetusti informoida kyseessä olevan myyntipis-15 teen tuotteista häiritsemättä muita tavaratalon asiakkaita.

On tunnettua, että pistemäinen äänilähde lähettää vapaassa tilassa pallomaisen ääniaaltokentän. Tätä ilmiötä voidaan myös käyttää keksinnön mukaisessa menetelmässä käänteisesti 20 hyväksi. Kun laajapintainen kaiutinelementti muotoillaan pallopinnalle vaipaksi ts segmentin muotoiseksi, voidaan kaiuttimella lähettää ääniaaltokenttä fokusoituna pallon keskipisteeseen niin, että ääniaaltokenttä vahvistuu äänen edetessä keskipistettä kohti. Tällöin pinnan jokaisen pis-25 teen normaali osoittaa kyseiseen fokusointipisteeseen. Lähetettäessä ääniaaltokenttä tällä tavoin saadaan fokusointipisteeseen vahvistumaan korkea äänen intensiteettitaso, vaikka kaiutinelementin pinnan läheisyydessä äänen intensiteettitaso ei ylittäisi kuulokynnystä. Säätämällä sopivasti 30 ääniaallon intensiteettitaso saadaan siis fokuspintipistee-seen ja sen ympäristöön kuulemisen kannalta riittävä intensiteettitaso, vaikka ääniviesti ei muualla olekaan kuultavissa. Pallon keskipistettä kohti etenevän ääniaaltokentän intensitetti riippuu kääntäen verrannollisesti keskipisteen 35 etäisyyden neliöstä. Siten ääniaaltokentän intensiteettimak-simi on pallon keskipisteessä ja minimi pallon vaipalla olevan äänilähteen pinnassa. Valitsemalla sopivasti ääniläh- 93506 -- Γ 4 teen lähettämän ääniviestin intensiteetti saadaan ääniviesti kuulumaan ainoastaan lähellä pallon keskipistettä. Pallon säde voidaan tarvittaessa valita siten, että kohta, jossa ääniviesti on kuultavissa, voi olla kaukana ääniviestin 5 lähettäneestä äänilähteestä. Tarkoitetun fokusointipisteensä ohitettuaan ääniaalto ei enää ole kuultavissa ja siten se ei rasita ympäristöään turhana meluna.

Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan kuulijan kulkurei-10 tille lähettää intensiteettitasoltaan tasainen ääniaalto-kenttä. Tällöin kuulija kokee ääniviestin seuraavan itseään kuulijan liikkuessa kyseessä olevassa ääniaaltokentässä.

Keksinnön lisäsovelluksessa lähetettävä ääniaaltokenttä 15 muodostetaan kaarevan pinnan muotoiseksi muotoilulla kai-utinelementillä. Tällöin ääniaaltokenttä fokusoituu viivalle, joka on pinnan suuntainen ja muodostuu pinnan kaare-vuussäteen keskipisteistä. Äänen intensiteettitasoa sopivasti säätämällä voidaan fokukseen muodostaa kolmiulotteinen 20 putkimainen tila, jossa on kuultavissa oleva intensiteetti-taso. Kuulijan ollessa tässä putkimaisessa tilassa ja liikkuessa pinnan suuntaisesti hän kuulee ääniviestin koko ajan yhtä voimakkaana ja kokee ääniviestin seuraavan itseään.

25 Keksinnön edullisessa lisäsovellutuksessa kaiutinelementistä rakennetaan tasomainen äänilähde, joka säteilee äänilähteen normaalin suuntaan etenevän tasomaisen ääniaaltokentän. Kuulijan joutuessa täysin tasomaiseen ääniaaltokenttään kuulijan havaitsema äänen intensiteetti ei riipu kuulijan etäi-30 syydesta äänilähteestä. Tällaisen tasomaisen ääniaaltokentän alueella oleva tai liikkuva kuulija kokee äänenpäinetason pysyvän samana eri etäisyyksillä äänilähteestä.

Keksinnön eräässä edullisessa lisäsovelluksessa kaiutinele-35 mentistä rakennetaan pitkä, tasomainen äänilähde, joka voidaan sijoittaa edullisesti kuulijoiden kulkureitin varteen kuten esimerkiksi käytävätilan seinään tai muuhun sopivaan , 93506 5 pintaan. Kuulijan liikkuessa tällaisen äänilähteen suuntaisesti saa kuulija vaikutelman kuin äänilähde seuraisi vierellä. Koska äänilähde on jatkuva ja nauhamainen, havaitsee kuulija liikkuessaan ääniviestin, joka tulee lyhimmän etäi-5 syyden suunnasta kaiuttimesta ja tämä lyhimmän etäisyyden paikka muuttuu kuulijan liikkuessa kaiuttimen suhteen.

Keksinnön edullisessa lisäsovellutuksessa kaiutineleroentistä rakennetaan sylinterimäinen äänilähde, joka säteilee ulko-10 pinnaltaan sylinterisymmetrisesti tasaisen äänialtokentän. Kaiutin voidaan sijoittaa edullisesti kuulijoiden kulkureitin varteen esimerkiksi pystypilareihin tai pylväisiin. Kuulijan kiertäessä tällaista sylinteriäänilähdettä kuulija saa vaikutelman kuin äänilähde kiertäisi vierellä. Koska 15 äänilähde on sylinterimäinen ja jatkuva, kuulija kiertäessään äänilähdettä havaitsee ääniviestin, joka tulee lyhimmän etäisyyden suunnasta äänilähteestä ja tämä lyhimmän etäisyyden paikka muuttuu kuulijan liikkuessa äänilähteen suhteen.

20 Keksinnön edullisessa lisäsovellutuksessa kaiutinelementistä rakennetaan pitkä putkimainen tai tankomainen äänilähde, joka säteilee ulkopinnaltaan sylinterisymmetrisesti tasaisen äänialtokentän. Tällainen äänilähde voidaan sijoittaa kuulijoiden kulkureitin varteen kuten esimerkiksi käytävätilan 25 kattoon, seinään tai muuhun sopivaan pintaan. Kuulijan liikkuessa tällaisen äänilähteen suuntaisesti saa kuulija vaikutelman kuin äänilähde seuraisi mukana. Ulospäin etenevän sylinterimäisen ääniaaltokentän tasaisuuden ansiosta ääniviesti on kuultavissa samanlaisena eri kuuntelukulmista. 30 Koska äänilähde on jatkuva ja putkimainen, kuulija liikkuessaan havaitsee ääniviestin, joka tulee lyhimmän etäisyyden suunnasta kaiuttimesta. Tämä lyhimmän etäisyyden paikka muuttuu kuulijan liikkuessa kaiuttimen suhteen.

35 Keksinnön mukaisen menetelmän eräässä sovelluksessa lähetetään samassa tilassa samanaikaisesti eri ääniviestejä niin, että kukin viesti on kuultavissa siinä osassa tilaa, johon 6 93506 viesti on kohdistettu. Tällöin ääniviestit eivät häiritse toisiaan.

Seuraavaksi keksintöä selvitetään tarkemmin viittaamalla 5 oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää kaaviomaisesti ääniaaltokentän muodostamista kaarevalla kaiutinelementillä, kuvio 2 esittää yksityiskohtaa erään kaiutinelementin pinnan liikkumisesta ja liikkeen suunnasta, 10 kuvio 3 esittää yksityiskohtaa erään toisen kaiutinelementin pinnan liikkumisesta ja liikkeen suunnasta, kuvio 4 esittää erästä kolmiulotteista ääniaaltokentän sovellutusta, kuvio 5 esittää samaan tilaan sijoitettua kahden eri ääni-15 aaltokentän erästä sovellutusta, kuvio 6 esittää kaiutinelementin erästä tasomaista sovellutusta , kuvio 7 esittää kaiutinelementin erästä nauhamaista sovellutusta , 20 kuvio 8 esittää kaiutinelementin erästä sylinterimäistä sovellutusta, ja kuvio 9 esittää kaiutinelementin erästä putkimaista sovellutusta.

25 Kuvio 1 esittää kaksiulotteisesti laajapintaisella kaarevalla kaiutinelementillä 1 aikaansaatavaa ääniaaltokenttää 5, joka fokusoituu tiettyyn rajattuun alueeseen 2 sitä tilaa, jossa ääniviesti lähetetään ja jossa viesti on kuulijan 3 kuultavissa. Tässä sovellutusmuodossa ääniaaltokentän inten-30 siteettitaso kasvaa ääniaaltojen edetessä kohti kohdistus-pistettä.

Kuviot 2 ja 3 esittävät yksityiskohtia eräiden kaiutinele-menttien poikkileikkauksista, jossa kaiutinelementin 1 liik-35 kuvan pinnan 4 jokaisen pisteen liikkeen suunta on pinnan normaalin suuntainen kyseisessä pisteessä. Kaiutinelement-teihin kuuluu kaksi laajapintaista elektrodia 6, 7 ja niiden 7 93506 välissä oleva joustava eristemateriaalikerros 8. Kuvan 2 esittämä kaiutinelementti 1 on kaareva, ja ääniaallot lähetetään fokusoivasta, jolloin äänikenttä on homogeeninen ja vahvistuva. Kuvan 3 esittämä kaiutinelementti 1 on sylinte-5 rimäinen, jolloin sen muodostama ääniaaltokenttä etenee sylinterisymmetrisesti. Äänen intensiteetti joka suunnassa samalla etäisyydellä kaiutinelementin akselista on yhtä suuri.

10 Kuviossa 4 on esitetty kolmiulotteisesti eräs keksinnön mukainen edullinen ääniaaltokentän sovellutus. Siinä laaja-pintaisen kaarevaksi muotoillun äänilähteen 1 fokusoitu ääniaaltokenttä 5 muodostaa kolmiulotteisen putkimaisen tilan 2, jossa ääniviesti on kuultavissa.

15

Kuviossa 5 on kaaviomaisesti esitetty eräs mahdollisuus keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseksi. Kuviossa on samaan tilaan asennettu kaksi kaarevaksi muotoiltua eri äänilähdettä IA ja IB, jotka lähettävät samanaikaisesti eri 20 ääniviestejä 5A, 5B kohdistettuna eri kuulijoille 3A ja 3B. Viestien lähetysgeometriasta ja keksinnön mukaisen menetelmän soveltamisesta johtuen eri kohteissa olevat kuulijat havaitsevat vain ne ääniviestit, jotka kyseisten kohteiden rajattuihin tiloihin 2A ja 2B on lähetetty.

25

Kuviossa 6 on esitetty eräs keksinnön mukainen edullinen ääniaaltokentän sovellutus. Tässä äänilähde muodostuu tasomaiseksi muotoillusta kaiuttimesta 1, joka on sijoitettu kuulijan 3 läheisyyteen. Kaiutin 1 säteilee kaiuttimen nor-30 maalin suuntaan etenevän tasomaisen ääniaaltokentän 5. Kuulijan ollessa tai liikkuessa kaiuttimen lähettämässä tasomaisessa ääniaaltokentässä kuulijan havaitsema äänen-painetaso ei riipu kuulijan etäisyydestä äänilähteestä. Tällaisen tasomaisen ääniaaltokentän alueella oleva tai 35 liikkuva kuulija kokee äänenpainetason pysyvän samana eri etäisyyksillä äänilähteestä.

93506 δ

Kuviossa 7 on esitetty eräs kuvion 4 tai kuvion 6 mukaisen tilanteen edullinen sovellutus. Tässä äänilähde muodostuu nauhamaisesta kaiuttimesta 1 sijoitettuna tarkoitetun kuulijan 3 kulkureitin läheisyyteen. Kuulijan 3 liikkuessa 5 kaiuttimen lähettämässä äänikentässä 5 saa kuulija vaikutelman kuin ääniviesti seuraisi kuulijaa. Tämä mielikuva johtuu siitä ilmiöstä, että kuulija aistii ääniviestin tulosuunnaksi äänen voimakkaimman intensiteetin suunnan eli tässä tapauksessa lyhimmän etäisyyden suunnan äänilähteestä. Kun 10 kuulija liikkuu suhteessa nauhakaiuttimeen muuttuu myös se kohta nauhamaisesta kaiuttimesta, joka on lyhimmän etäisyyden päässä kuulijasta.

Kuviossa 8 on esitetty eräs keksinnön mukainen edullinen 15 ääniaaltokentän sovellutus. Tässä äänilähde muodostuu sy-linterimäiseksi muotoillusta kaiuttimesta 1 ja se on sijoitettu pylvääseen, jonka tarkoitettu kuulija 3 joutuu kiertämään. Kuulijan kiertäessä pylvästä kaiuttimen lähettämässä äänikentässä 5 saa kuulija vaikutelman kuin ääniviesti kier-20 täisi kuulijan mukana pylvästä. Tämä mielikuva johtuu siitä ilmiöstä, että kuulija aistii ääniviestin tulosuunnaksi ääniviestin voimakkaimman suunnan eli tässä tapauksessa lyhimmän etäisyyden suunnan äänilähteestä. Kun kuulija kiertää sylinterikaiutinta muuttuu myös se kohta kaiuttimesta, joka 25 on lyhimmän etäisyyden päässä kuulijasta.

Kuviossa 9 on esitetty eräs keksinnön mukainen edullinen ääniaaltokentän sovellutus. Tässä äänilähde muodostuu putkimaiseksi muotoillusta pitkästä kaiuttimesta 1, joka on 30 sijoitettu tarkoitetun kuulijan 3 kulkureitin läheisyyteen. Kuulijan 3 liikkuessa kaiuttimen lähettämässä äänikentässä 5 saa kuulija vaikutelman kuin ääniviesti seuraisi kuulijaa. Tässä sovelluksessa putkimainen äänilähde säteilee ympärilleen sylinterisymmetrisesti tasaisen ääniaaltokentän, 35 jonka äänenpainetaso ei riipu kuulijan kuuntelukulmasta suhteessa äänilähteeseen. Kuulijan 3 liikkuessa kaiuttimen lähettämässä sylinterisymmetrisessä ääniaaltokentässä sy- 9 93506 linterin akselin suuntaisesti saa kuulija vaikutelman kuin ääniviesti seuraisi kuulijaa.

Keksintöä ei rajata esitettyihin sovellutuksiin vaan se voi 5 vaihdella patenttivaatimusten muodostaman keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims

10 93506

1. Menetelmä ääniaaltokenttien tuottamiseksi ja kohdistamiseksi, erityisesti ääniviestin kohdistamista varten, jossa 5 menetelmässä ääniaalto lähetetään laajapintaisen kaiutinele-mentin muodostamasta äänilähteestä (1; IA, IB) tiettyyn suuntaan siten, että kaiutinelementin pinta saatetaan väräh-telemään samanvaiheisena ja että pinnan pisteet liikkuvat pinnan normaalin suunnassa, tunnettu siitä, että 10 ääniaaltokenttä (5; 5A, 5B) lähetetään elektrostaattisesti toimivalla kaiutinelementillä (1; IA, IB), jossa on kahden laajapintaisen elektrodin (6, 7) välissä joustavaa eristemateriaalia (8), saattamalla kaiutinelementin (1; IA; IB) koko pinta (4) värähtelemään siten, että värähtelyn aikana pinnan 15 (4) jokaisen pisteen normaalin suunta pysyy samana kuin pinnan lepotilassa, sekä että kaiutinelementti muotoillaan kohdistamaan ääniaaltokenttä tasaisena tai fokusoituna tiettyyn tilaan (2; 2A; 2B), jossa ääniaaltokentän kohde tai ääniviestin kuulija (3; 3A, 3B) sijaitsee tai liikkuu, jol-20 loin kuulija kokee ääniviestin seuraavan kuulijaa tämän liikkuessa kyseessä olevassa ääniaaltokentässä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että kaiutinelementti (l? IA, IB) muotoillaan 25 kaarevaksi fokusoimaan ääniaaltokenttä (5; 5A, 5B) tiettyyn rajattuun alueeseen.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että kaiutinelementti (1) muotoillaan tasomai- 30 seksi lähettämään kaiutinelementin pinnan normaalin suunnassa etenevä tasomainen ääniaaltokenttä (5) tilaan.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että kaiutinelementti (l) muotoillaan pitkäksi 35 ja tasomaiseksi lähettämään ääniaaltokenttä (5) tietylle korkeudelle tai linjalle tilassa. 11 93506

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että kaiutinelementti (1) muotoillaan sylinte-rimäiseksi, putkimaiseksi tai tankoina i seksi lähettämään akselinsa suhteen symmetrinen ääniaaltokenttä (5) tilaan. 5

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että kaiutinelementti muotoillaan segmentin muotoiseksi.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että samassa tilassa lähetetään eri kaiuttimilla (IA, IB) erilaisia ääniviestejä samanaikaisesti niin, että eri ääniviestit kohdistuvat ja ovat kuultavissa eri kohdissa kyseistä tilaa. i2 93506 PAT E NTKRAV