NL1016172C2 - Een stelsel van geluidstransducenten met regelbare richteigenschappen. - Google Patents

Description

Titel: Een stelsel van geluidstransducenten met regelbare richteigenschappen.

De uitvinding heeft betrekking op een stelsel van geluidstransducenten, in het bijzonder luidsprekers, omvattende n luidsprekers (n = 2 ... x) die volgens een regelmatig patroon langs één lijn in een zuilvormige behuizing zijn aangebracht, waarbij de 5 geluidstransducenten elk zijn voorzien van een bijbehorend filter, welke filters alle aan een ingang ervan een audiosignaal ontvangen en aan een uitgang ervan een signaal afgeven aan de bijbehorende geluidstransducent, opdat de geluidstransducenten in bedrijf een signaalpatroon met een tevoren bepaalde karakteristiek bezitten.

10 Alhoewel de uitvinding betrekking heeft op geluidstransducenten, dat wil zeggen luidsprekers en microfoons, zal in het onderstaande verder over luidsprekers worden gesproken ter wille van een duidelijk begrip van de uitvinding.

Dergelijke luidsprekersystemen in zuilvorm worden vooral 15 gebruikt in "public address” systemen, bij (pop)concerten en dergelijke en hebben als voordeel dat door toepassing van een groot aantal parallel geschakelde luidsprekers een zeer groot vermogen kan worden afgegeven, waardoor met één systeem een grote ruimte kan worden bestreken.

Een bezwaar van dergelijke luidsprekerzuilen is, dat zij, gezien in 20 verticale richting, zeer richtingsgevoelig zijn.

Figuur 1 toont de richteigenschappen van een conventionele luidsprekerzuil, waaruit blijkt dat voor hoge frequenties de openingshoek klein is en voor lagere frequenties de openingshoek groot, terwijl tevens de zijlobben aan weerszijden van de hoofdlob goed zichtbaar zijn. De eerste 25 orde zijlobben hebben in het getoonde voorbeeld ten opzichte van de 1016172 2 hoofdlob een niveau van ± -13 dB, de tweede orde zijlobben een niveau van ± -18 dB en de derde orde zijlobben een niveau van ± -21 dB, etc.

De variërende openingshoek en de zijlobben zijn in veel gevallen ongewenst, omdat zij de geluidskwaliteit van het systeem in het algemeen 5 en de verstaanbaarheid in het bijzonder, sterk nadelig kunnen beïnvloeden. Vooral in ruimten waarin sterk reflecterende vlakken aanwezig zijn en waar afhankelijk van de omstandigheden een groot of een klein aantal personen aanwezig kan zijn, is ten gevolge van de variërende openingshoek en de zijlobben nauwelijks een bevredigend geluidspatroon te verkrijgen.

10 Voor een nadere bespreking van de bovengeschetste problemen wordt verwezen naar "Design and Implementation of a Sound Column with Exceptional Properties" door J. van der Werff, 96e AES Convention, 26 februari - 1 maart 1994, Amsterdam.

In genoemd artikel is ook een luidsprekerzuil beschreven met de 15 naam "constante λ zuil", die voor alle frequenties een zelfde openingshoek en het zelfde niveau van zijlobben heeft. Dit wordt bereikt door een hoog-af filtering van het aan de luidsprekers toegevoerde signaal, op zodanig wijze, dat naarmate een luidspreker zich verder van het akoestisch midden van de zuil bevindt, de filtering bij een lagere frequentie aanvangt.

20 Figuur 2 toont de richtingseigenschappen van een dergelijke constante λ zuil. Uit deze figuur blijkt echter dat, alhoewel de karakteristiek t.a.v. die van figuur 1 is verbeterd, de zijlobben toch aanwezig blijven.

De uitvinding beoogt te voorzien in een luidsprekerstelsel en meer 25 in het algemeen in een stelsel van geluidstransducenten, waarmee het mogelijk is de zijlobben in wezen volledig of tenminste tot een gewenst zeer laag niveau te onderdrukken, terwijl de constante openingshoek voor alle van belang zijnde audiofrequenties behouden blijft.

1016172 3

De uitvinding beoogt tevens te voorzien ik een stelsel van voornoemde soort, waarmee het mogelijk is de hoofdlob te verbreden.

Ten slotte beoogt de uitvinding te voorzien in een stelsel van voornoemde soort, waarmee het mogelijk is de zogenaamde gratinglobben te 5 elimineren of ten minste vergaand te onderdrukken.

De uitvinding voorziet hiertoe in een stelsel van geluidstransducenten van voornoemde soort, met het kenmerk, dat voorzien is in middelen om aan iedere luidspreker n in de zuil een spanning Vn toe te voeren volgens: 10 a.dlsn ry -0,5(-O-)2 V -V.e (1) n hierin is:

Vn : de spanning op de klemmen van luidspreker n; 15 V : de spanning op de klemmen van de luidsprekers in het akoestische centrum van de zuil; dlsn : de afstand in meter van luidspreker n tot het akoestische centrum van de zuil; dlsmax : de afstand in meter tot het akoestische centrum van de verst 20 daarvan verwijderde luidspreker; α : parameter afhankelijk van openingshoek, frequentie en arrayafmeting volgens de relatie: a = β./.1^ k 25 waarin: 1016172 4 β : de verticale openingshoek in graden, die vast gekozen wordt voor een bepaald ontwerp; f : de frequentie in Hz; larray : de lengte van de array in meter; 5 k : constante = 14.103 bij de genoemde eenheden voor β, f en larray.

Volgens de uitvinding is verrassenderwijs gebleken dat, indien het aan de luidspreker in de zuil toegevoerde vermogen aan bovenstaande relatie voldoet, de zijlobben volledig zijn geëlimineerd en de openingshoek 10 constant is.

Figuur 3 toont het richtingsdiagram van een volgens het principe van de uitvinding geconstrueerde luidsprekerzuil, waaruit dit duidelijk blijkt.

In het voorbeeld volgens figuur 3 is uitgegaan van een zuil met 43 15 luidsprekers en een diameter van 13,5 cm waarbij het akoestisch centrum in het langsmidden van de zuil is gelegen, een zogenaamd symmetrisch array. Het principe van de uitvinding is echter ook zonder meer toepasbaar bij arrays met een asymmetrisch gelegen akoestisch centrum.

In bepaalde gevallen kan het in verband met de akoestische eisen 20 gewenst zijn dat een luidsprekerarray toch zijlobben met een beperkte sterkte bezitten. In een dergelijk geval kan het aan een luidspreker en in een array toegevoerde spanning bepaald zijn door een curve die verwant is aan de formule van de cosinus windows: 25 V=a-b.cos(m)+c.cos(2.m) (2) waarbij: a, b en c de constanten zijn die het venster bepalen, zoals:

Hanning: a = 0,5 ; b = 0,5 ; c = 0 1015172 5

Hamming a = 0,54; b = 0,46; c = 0

Blackman : a = 0,42; b = 0,5 ; c = 0,08 m mde fractie van eenheidscirkel (in radialen) is volgens: s w=0’U~(«-l)2;r (nls-1) waarbij: nls : werkzame aantal luidsprekers in de array, afhankelijk van openingshoek en frequentie volgens onderstaande 10 relatie: nls = —-— <p.f.c.d waarbij: φ : gewenste openingshoek in graden 15 f : frequentie in Hz c : geluidssnelheid (ca. 340 m/sec in lucht) d : hart op hart afstand tussen de transducers in meter k : constante in enige mate afhankelijk van venstertype:

Hanning : 11,5.106 (zijlob onderdrukking ca. 30 dB) 20 Hamming : 11,5.106 (zijlob onderdrukking ca. 40 dB)

Blackman : 15. 106 (zijlob onderdrukking ca. 60 dB)

Met al deze vensters zijn zijlob onderdrukkingen te realiseren die voor praktische toepassingen meestal voldoende zijn.

25 Figuur 4a en b toont een curve A volgens formule (1) en curve B, C

en D volgens formule (2), waarbij curve B de Hanning-curve, curve C de 1016172 6

Hamming-curve en curve D de Blackman-curve is. De verticale as in figuur 4b geeft de spanning in dB. De horizontale as de luidsprekers n met n = 0-45 in het voorbeeld. Luidspreker No. 23 vormt het akoestische centrum voor de zuil.

5 Door af te wijken van de ideale curve zijn er in principe oneindig veel mogelijke curven te realiseren.

Figuur 5 toont schematisch een luidsprekerstelsel volgens de uitvinding voorzien van een aantal luidsprekers 1, waaraan het uitgangssignaal van een versterker 2 wordt toegevoerd. Tussen de uitgang 10 van de versterker en de luidsprekers is een serieschakeling van instelbare verzwakkers 3 en instelbare laagdoorlaatfilters 4 op genomen. De verzwakkers zijn ingesteld volgens formule (1) en de laagdoorlaatfilters volgens het principe van de constante λ zuil.

Formule (1) kan ook met voordeel gebruikt worden om diverse 15 luidsprekers in een zuil een tijdweging te geven. Met een tijdweging kan de richtingskarakteristiek van een zuil, en in het bijzonder de breedte van de hoofdlob, beïnvloed worden.

Formule (1) wordt voor de tijdvertraging van het aan luidspreker n in een zuil toegevoerde signaal geschreven als: 20 a.dls„ o -0i(|-—r t = max t.e 'rffa|nax (3) n waarin: tn : de vertragingstijd van transducer n 25 maxt : het maximale tijdverschil tussen de transducers (afhankelijk van frequentie, mate van verbreding) dlsn : de afstand van luidspreker n tot het akoestische centrum; 1016172 7 dlsmax : de afstand van de verst van het akoestisch centrum verwijderde luidspreker; α : parameter die past bij het gezochte effect, doorgaans ca. 3.

5 Met formule (3) kan eventueel ook de hoofdlob gesplitst worden in twee hoofdlobben, die een gelijke hoek maken met de hoofdas. Dit is vooral nuttig in bijvoorbeeld stadions voor het aanstralen van twee rijen tribunes. De tijdweging kan onafhankelijk, maar ook in combinatie met de niveau-weging volgens formule (1) worden toegepast.

10 Gratinglobben ontstaan door discontinuïteiten tussen transducenten binnen een array. Elke praktische array bestaat uit een eindig aantal transducenten met een zekere richtwerking. Wanneer de richtwerking van de individuele transducenten kleiner is dan kritisch, ontstaan gratinglobben. Deze gratinglobben kunnen voorkomen worden 15 door de richtwerking niet lager dan volgens onderstaande relatie te kiezen: α.φ o -0,5(- Γ p -P e 2·π /> rf,0 waarbij: 20 P : de geluiddruk druk in Pascal (bij frequentie en hoek met hoofdas).

φ : de hoek (in radialen tussen -π en π) ten opzichte van de hoofdas van de transducer, in de richting van de array (0 is de hoofdas) f : de frequentie waarbij de richtwerking bepaald wordt 25 α : parameter afhankelijk van frequentie en transducerafmeting volgens onderstaande relatie: 1016172 8 fd a -— k waarbij: d : de hart op hart afstand tussen de transducers 5 k : een constante. Optimaal is deze 18, praktische waarden liggen tussen 18 en ca. 25.

Deze relatie omschrijft de polaire afstraling respectievelijk gevoeligheid van de transducer in de array. Dit polaire gedrag kan op de gebruikelijke wijzen 10 gerealiseerd worden.

Figuur 6 toont typische curven bij frequenties van 250 Hz - 5 KHz bij K = 18 en d = 13,5 cm.

1 0 16 1 T 2

Claims (10)

1. Stelsel van geluidstransducenten, in het bijzonder luidsprekers, omvattende n luidsprekers (n = 2 ... x) die volgens een regelmatig patroon in hoofdzaak langs één lijn in een zuilvormige behuizing zijn aangebracht, waarbij de geluidstransducenten elk zijn voorzien van een bijbehorend 5 filter, welke filters alle aan een ingang ervan een audiosignaal ontvangen en aan een uitgang ervan een signaal afgeven aan de bijbehorende geluidstransducent, opdat de geluidstransducenten in bedrijf een signaalpatroon met een tevoren bepaalde karakteristiek bezitten, met het kenmerk, dat voorzien is in middelen om aan iedere luidspreker n in de zuil 10 een spanning Vn toe te voeren volgens: a.dls„ 's -0,5(-^)2 y ~y e dlsm&x n hierin is:

15 Vn : de spanning op de klemmen van luidspreker n; V : de spanning op de klemmen van de luidsprekers in het akoestische centrum van de zuil; dlsn : de afstand in meter van luidspreker n tot het akoestische centrum van de zuil; 20 dlsmax : de afstand in meter tot het akoestische centrum van de verst daarvan verwijderde luidspreker; α : parameter afhankelijk van openingshoek, frequentie en arrayafmeting volgens de relatie: i 0 1 : 1 7 2 a = β. ƒ k waarin: β : de verticale openingshoek in graden, die vast gekozen wordt voor 5 een bepaald ontwerp; f : de frequentie in Hz; larray : de lengte van de array in meter; k : constante = 14.103 bij de genoemde eenheden voor β, f en larray.

2. Stelsel van geluidstransducenten, in het bijzonder luidsprekers, omvattende n luidsprekers (n = 2 ... x) die volgens een regelmatig patroon in hoofdzaak langs één lijn in een zuilvormige behuizing zijn aangebracht, waarbij de geluidstransducenten elk zijn voorzien van een bijbehorend filter, welke filters alle aan een ingang ervan een audiosignaal ontvangen 15 en aan een uitgang ervan een signaal afgeven aan de bijbehorende geluidstransducent, opdat de geluidstransducenten in bedrijf een signaalpatroon met een tevoren bepaalde karakteristiek bezitten, met het kenmerk, dat voorzien is in middelen om aan iedere luidspreker n in de zuil een spanning Vn toe te voeren volgens: 20 F=a-&.cos(m)+c.cos(2.m) (2) waarbij: a, b en c de constanten zijn die het venster bepalen, 25. mde fractie van eenheidscirkel (in radialen) is volgens: 1016172 (n/s-l) waarbij: nis : werkzame aantal luidsprekers in de array, afhankelijk van 5 openingshoek en frequentie volgens onderstaande relatie: nis = —-— <p.f.c.d waarbij: 10 φ : gewenste openingshoek in graden f : frequentie in Hz c : geluidssnelheid (ca. 340 m/sec in lucht) d : hart op hart afstand tussen de transducers in meter k : constante in enige mate afhankelijk van venstertype: 15

3. Stelsel volgens conclusie 2, waarbij a - 0,5, b = 0,5 en c = 0.

4. Stelsel volgens conclusie 2, waarbij a = 0,54, b = 0,46 en c = 0.

5. Stelsel volgens conclusie 2, waarbij a = 0,42, b = 0,5 en c = 0,08.

6. Stelsel van geluidstransducenten, in het bijzonder luidsprekers, omvattende n luidsprekers (n = 2 ... x) die volgens een regelmatig patroon in hoofdzaak langs één lijn in een zuilvormige behuizing zijn aangebracht, 25 waarbij.de geluidstransducenten elk zijn voorzien van een bijbehorend filter, welke filters alle aan een ingang ervan een audiosignaal ontvangen 1010172 en aan een uitgang ervan een signaal afgeven aan de bijbehorende geluidstransducent, opdat de geluidstransducenten in bedrijf een signaalpatroon met een tevoren bepaalde karakteristiek bezitten, met het kenmerk, dat voorzien is in middelen om het signaal dat toegevoerd wordt 5 aan een luidspreker n in de zuil in de tijd te vertragen volgens de formule a.dls„ λ -05(-,-—)1 t =maxt.e ^max n waarin: 10 tn : de vertragingstijd van transducer n maxt : het maximale tijdverschil tussen de transducers (afhankelijk van frequentie, mate van verbreding) dlsn : de afstand van luidspreker n tot het akoestische centrum; dlsmax : de afstand van de verst van het akoestisch centrum verwijderde 15 luidspreker; a : parameter die past bij het gezochte effect, doorgaans ca. 3.

7. Stelsel volgens conclusie 6, waarbij cc = 3.

8. Stelsel van geluidstransducenten, in het bijzonder luidsprekers, omvattende n luidsprekers (n = 2 ... x) die volgens een regelmatig patroon in hoofdzaak langs één lijn in een zuilvormige behuizing zijn aangebracht, waarbij de geluidstransducenten elk zijn voorzien van een bijbehorend filter, welke filters alle aan een ingang ervan een audiosignaal ontvangen 25 en aan een uitgang ervan een signaal afgeven aan de bijbehorende geluidstransducent, opdat de geluidstransducenten in bedrijf een signaalpatroon met een tevoren bepaalde karakteristiek bezitten, met het 4 fii * ' - ~7 o «O li _ ii 'j (L. kenmerk, dat voorzien is in middelen om aan iedere luidspreker n in de zuil een vermogen Ργ.φ toe te voeren volgens: α.φ o P, 2·π f,<p ƒ,0 5 waarbij: P : de geluiddruk druk in Pascal (bij frequentie en hoek met hoofdas). φ : de hoek (in radialen tussen -π en π) ten opzichte van de hoofdas 10 van de transducer, in de richting van de array (O is de hoofdas) f : de frequentie waarbij de richtwerking bepaald wordt α : parameter afhankelijk van frequentie en transducerafmeting volgens onderstaande relatie: fd 15 a -— k waarbij: d : de hart op hart afstand tussen de transducers k : een constante. 20

9. Stelsel volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de waarde van k gelegen is tussen 18 en 25.

10. Stelsel volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat k = 18. 25 1016172