WO2020249675A1 - Vorrichtung und verfahren zur beschallung eines räumlichen bereichs - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur beschallung eines räumlichen bereichs Download PDF

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WO2020249675A1
WO2020249675A1 PCT/EP2020/066205 EP2020066205W WO2020249675A1 WO 2020249675 A1 WO2020249675 A1 WO 2020249675A1 EP 2020066205 W EP2020066205 W EP 2020066205W WO 2020249675 A1 WO2020249675 A1 WO 2020249675A1
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WO
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sound
virtual sound
virtual
sound source
transducers
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/066205
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French (fr)
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Helmut Oellers
Adrian Lara MORENO
Emad Yacoub HANNA
Original Assignee
Holoplot Gmbh
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Publication date
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/40—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers
    • H04R1/403—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers loud-speakers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S7/00—Indicating arrangements; Control arrangements, e.g. balance control
    • H04S7/30—Control circuits for electronic adaptation of the sound field
    • H—ELECTRICITY
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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    • H—ELECTRICITY
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    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S2420/00—Techniques used stereophonic systems covered by H04S but not provided for in its groups
    • H04S2420/13—Application of wave-field synthesis in stereophonic audio systems

Definitions

  • the invention relates to a device for sounding a spatial area with the features of claim 1 and a method for sounding with the features of claim 9.
  • the principle of wave field synthesis in audio can be implemented by folding the signal into an impulse response related to the position of each individual sound transducer. This allows the direct sound waves and also the reflections of the recording room to be synthesized on the playback side.
  • the procedure is mathematically complex. In practice, it is therefore usually reduced to a single, horizontal row of transducers arranged around the listener in an acoustically heavily damped reproduction room. This method is unsuitable for use in live sound reinforcement because of the redundancy of the signal caused by the convolution in the impulse response.
  • a sound transducer field radiates sound over a surface, whereby the surface can be flat or curved.
  • a transducer field can also be flat and have curved portions.
  • a sound transducer array typically comprises an array of sound transducers, such as loudspeakers, typically dynamic loudspeakers, which are arranged in the area.
  • loudspeakers typically dynamic loudspeakers
  • MEMS microelectromechanical systems
  • the object is therefore to create improved sound transducer fields and methods for sounding spatial areas.
  • a device for sounding a spatial area with at least one sound transducer field with a plurality of flatly arranged individual sound transducers e.g. loudspeakers
  • the transducer field can e.g. have a flat or curved shape. It is also possible for the transducer field to have curved and flat sections.
  • the sound transducers can e.g. be arranged in a grid, but need not be, as long as their geometric position remains exactly determined.
  • the transducers can be the same, but this is not mandatory.
  • the sound transducer field is set up and operable to emit wavefronts which correspond to a model with at least two virtual sound sources which, as seen from the sonicated spatial area, lie behind the at least one sound transducer field.
  • the sonicated area can e.g. be a closed room, the public area in the closed room, part of the outdoor space, or an audience area in the outdoor space.
  • a computing means is used to control individual sound transducers in at least one sound transducer field, with emission times for the same audio content for sound transducers in a horizontal arrangement in the sound transducer field being determinable as a function of at least one first virtual sound source, and for sound transducers in a vertical arrangement (ie in elevation direction) can be determined in the sound transducer field as a function of at least one second virtual sound source.
  • emission times ti for the same audio content for the sound transducers can be determined by their distance from the at least one first virtual sound source, independently of a vertical position of the at least one virtual sound source and the respective sound transducer.
  • the transit time t2 for the respective sound transducer which results from the distance of the respective sound transducer to the at least one second virtual sound source, regardless of the respective horizontal position of the at least one first virtual sound source and the respective sound transducer, is added to these calculated values.
  • the additional latency of the audio signal caused by the addition of the values of the transit times can e.g. B. can be eliminated by subtracting a common value from each running time calculated for the individual sound transducers, which is less than the smallest of all values calculated in the result of the addition.
  • the computing means is designed so that the transducer field can generate several wave fronts with the same audio content using a common virtual sound source for the horizontal plane (azimuth plane) and at least two vertically staggered virtual sound sources for the vertical plane (elevation plane) .
  • a combined wavefront can be formed with which spatial areas with complex geometry can also be well exposed to sound.
  • Each of the graduated levels can be assigned its own input channel so that the sound pressure level and frequency responses of individual beams with the same audio content can be set independently of one another.
  • the acoustic beams in the elevation plane have different vertical opening angles, whereby the size of individual supply areas in the spatial area is adapted to one another in order to be able to use the maximum available diaphragm deflection of the individual sound transducers in all areas.
  • the computing means is designed such that the vertical curvature of the wavefronts is divided into different frequency ranges is, in particular only an inner area in the vertical center of the transducer field is equipped with transducers that radiate the upper frequency range of the audio content, the curvature of the wave front in this frequency range can be determined by a separate, secondary virtual sound source so that its wave fronts has the same vertical delimitation in at least one part of the acoustic area, for example the public area, as the wave front of the external sound transducer for the same beam. This prevents linear distortion of the audio content.
  • a time compensation between the wavefronts of the different frequency ranges can be established in such a way that the time errors between the wavefronts of the different frequency ranges of the same audio content at the boundaries of the service area of the respective audio content due to the different distances of the second virtual sound sources to the transducer field for the different frequency ranges Beams are halved by shifting the virtual sound source for the lower frequency band, after correcting the time difference in the middle of the wavefront, by half the difference between the two radii of curvature at the border of the service area in the direction of the two-dimensional transducer arrangement.
  • the delay times and levels of the audio content determined in the model-based approach of wave field synthesis are converted into impulse responses with which the sound transducers of a wave field synthesis system based on the convolution of the audio content in impulse responses can be controlled.
  • the computing means can be designed so that the curvatures of the wave fronts in the elevation plane and the curvatures of the same wave fronts in the azimuth plane are formed differently, with virtual sound sources at different distances from the transducer field for calculating the delay times and the level of the same Audio content for each individual transducer of the transducer field are used as a reference point for calculating the delay times in the azimuth and elevation planes, with the Localization of the nearby first virtual sound source is decisive for the localization of the sound event in the azimuth plane and the more distant, second virtual sound source determines the curvature and alignment of the same wave front in the elevation plane.
  • the object is also achieved by a method with the features of claim 9 and a computer program product with the features of claim 17.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a device for sounding a spatial area
  • FIG. 2 shows a schematic perspective illustration of an embodiment of a device for sounding a sub-area of an arena-shaped area
  • FIG. 3 shows a schematic perspective illustration of an embodiment of a device for sounding an arena-shaped area with four second virtual sound sources in the elevation plane;
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of an embodiment of a device with a determination of the sound propagation in the overlapping area
  • 5 shows a schematic perspective illustration of an embodiment for sounding a spatial area with different distance zones
  • 6 shows a perspective view of an embodiment with a subdivided sound transducer field for sounding a spatial area
  • FIG. 7 shows a sectional view through an embodiment according to FIG. 6;
  • FIG. 7A shows a sectional view through an embodiment according to FIG. 7 with a time compensation.
  • FIG. 1 shows the basic principle of an embodiment of a device for irradiating a spatial area 200 with sound by means of a sound transducer field 100.
  • the sound transducer field 100 which works according to the principle of wave field synthesis, generates an 'acoustic curtain'. With a corresponding calculation of sound transit times and levels from the distance between a virtual sound source 1 and the respective sound transducer 11 im Sound transducer field 100 uses a model-based approach to obtain the signals that a sound transducer would receive from a microphone located directly behind its position in a partition wall from a real sound source at the position of the virtual sound source 1. A wave front is created like a "curtain" reconstructed from a real sound source.
  • Each virtual sound source 1 behind this arrangement is physically reconstructed from a large number of individual sound transducers according to the Fluygens principle.
  • the curvature of the wavefront 30 corresponds to that of a wavefront which would emanate from a real sound source at the position of the virtual sound source 1.
  • the virtual sound source 1 therefore does not change its starting point, like the phantom sound sources in the psychoacoustic-based methods, with the position of the listener.
  • the curvature and alignment of the wave fronts 30 in the azimuth direction (i.e. in the horizontal) and elevation direction (i.e. in the vertical) can be determined.
  • Acoustic transducer rows 10 with individually operated transducers 1 1 generate cylindrical waves when a parallel wave front is to be generated.
  • the cylindrical waves are reflected on the ceiling and floor of a room, which is why the room must be heavily steamed in order to at least partially comply with the condition of the source-free volume theoretically required for wave field synthesis.
  • the size of the sound transducer field and the position of the virtual sound source 1 determine the area in which the audience is supplied by this virtual sound source 1. Outside the area in which there are sound transducers 11 between the virtual sound source 1 and the sound receiver, the sound pressure decreases very quickly.
  • the virtual sound source 1 can only be heard in the area in which it could also be seen from the viewer's position within the area of the sound transducer field 11. In this way, a wavefront 30 can be aimed specifically, for example at the public area, without the reflection surfaces of the room being unintentionally hit.
  • the virtual sound source 1 in the model-based approach must be positioned close behind the sound transducer field in order to be able to cover a wide audience area in spatial area 200.
  • a distant virtual sound source 1 would have the advantage that the surface of the wavefront 30 in the public area only grows slowly with the distance and the level decreases correspondingly slowly with the distance from the generating sound transducer field 100.
  • the supply area would be almost limited to the size of the transducer field 100.
  • the vertical height of the acoustic transducer field 100 cannot be too small. Otherwise there will be insufficient directivity in the elevation plane.
  • This directional effect in both planes is the prerequisite for abandoning the requirement for the source-free volume for the reproduction room, which results from the theoretical derivation of the principle of wave field synthesis. Only if the excitation of undesired reflections can largely be avoided through the targeted supply of the desired display area will the volume of the display area remain largely free of source. Only then can the principle also be used in rooms that have not been specially treated acoustically.
  • Such a wave front 30, synthesized from a single virtual sound source 1, forms a segment of a sphere, the size and shape of which is determined by the dimension of the sound transducer field and the position of the virtual sound source 1.
  • This spherical section is characterized in that it has the same radius of curvature in the azimuth and elevation planes.
  • a spherical surface grows quadratically with its radius.
  • the sound intensity decreases rapidly with the distance from the virtual sound source 1, because it is distributed over the spherical surface, which grows square.
  • wave field synthesis is that wave fronts can also be generated with a sound transducer field 100, the surfaces of which only increase with distance grow slowly or, as in the case of a parallel wavefront, even remain constant with distance, does not have any effect if the virtual sound source 1 is arranged near the sound transducer field 100.
  • the supply area in the azimuth plane is reduced or even restricted to the width of the sound transducer field 100 if the virtual sound source 1 is positioned far behind the two-dimensional sound transducer field.
  • a virtual sound source 1 located near the sound transducer field 100 to emanate a wave front which has only a slight curvature in the elevation plane E.
  • the level of the wavefront will decrease less sharply with the distance from the sound transducer field 100 than the spherical wave section arising from this position dictates due to the square increase in its surface area with the distance.
  • the localization of the primary virtual sound source 1 must, however, be retained from all listener positions in the public area of the spatial area 200.
  • the decoupling of the radii of curvature KE, KA can be achieved in that a computing means 50 controls the individual sound transducers 1 1 in the at least one sound transducer field 100 in the following way:
  • the emission times of the same audio content for the individual sound transducers 1 1 of the sound transducer field 100 are determined as a function of their distance from the first virtual sound source 1, whereby the different vertical positions of the individual sound transducers 1 1 in relation to the first virtual sound source 1 are not taken into account.
  • the calculated values are stored temporarily.
  • the emission times of the same audio content for the individual sound transducers 1 1 in the sound transducer field 100 are determined depending on their distance to at least one second virtual sound source 2, the different horizontal position of the individual sound transducers 1 1 in relation to the second virtual sound source 2 is not taken into account. These calculated values are also stored temporarily.
  • the shortest emission time can then be subtracted in order to avoid unnecessary redundancy of the reproduction that would arise in the virtual part of the wave field synthesis due to the transit time from the respective virtual sound source to the sound transducer field 100.
  • the sound travel times from the first step are then added to the sound travel times from the second step and the audio signal that is assigned to the beam of the second virtual sound source 2 is emitted by the individual sound transducers 11 with these delay times.
  • a wave front is generated which can have a different curvature in the elevation plane than in the azimuth plane.
  • Several such wave fronts can be generated simultaneously in a common sound transducer field 100, the first virtual sound source 1 determining the common curvature of all these wave fronts in the azimuth plane, but independent control being achieved in the elevation plane with a number of differently positioned further virtual sound sources.
  • This radius of curvature KE in the elevation plane is independent of the position of the primary virtual sound source 1 to be localized and only depends on the distance between the secondary, second virtual sound source position 2, which is decisive for the curvature of the wave fronts 30 in the elevation plane E, from the sound transducer field 100. If this distance approaches infinity, a cylindrical wave section is created around the position of the primary virtual sound source 1, which is only curved in the azimuth plane A.
  • the transducer array 100 is designed as a flat surface with a rectangular shape, i. the individual sound transducers 1 1 are geometrically seen in one plane and form a type of array. This is not absolutely necessary.
  • the sound transducers 11 can lie on a surface with a curvature. The surface curvature can be identical or different within the field.
  • the sound transducer field 100 can also be composed of several fields of different curvature.
  • an arena-shaped public area in an event hall is the spatial area 200 to be sounded.
  • the primary first virtual sound source 1 which determines the localization of the sound event in the azimuth plane A (not shown separately here, see FIG. 1), is positioned close to the sound transducer field 100, so that an entire listener area in the spatial area 200 in azimuth -Plane A is supplied by the wave front emanating from it according to the principle of wave field synthesis. In the azimuth plane A, this position determines the curvature KA of the wave front 30, which is why it is localized at this position independently of the position of a listener. This significant advantage of the virtual sound sources over the phantom sound sources based on psychoacoustic effects is thus retained.
  • a second virtual sound source 2 is defined for the same wave front 30, which determines the curvature KE and orientation of the wave front 30 in the elevation plane E. The distance of the second virtual sound source from the sound transducer field 100 then determines the opening angle of the wave front 30 in the elevation plane E, its vertical position, and its vertical alignment.
  • Both virtual sound sources 1, 2 have the same audio content. Therefore, the second virtual sound source 2 of the wave front 30 does not have to be assigned a separate audio channel.
  • the value for the respective delay and the level of the signal is determined in a first step for each individual sound transducer 11 in the azimuth plane, independently of that of the vertical. For each individual sound transducer 11 in the elevation plane, the respective delay and the level of the signal are determined independently of the horizontal plane.
  • the delay times related to the second virtual sound source 2 are then added to these values, which are dependent on the azimuth position of the first virtual sound source 1. These are also calculated only on a single line, this time vertically at the azimuth position of the second virtual sound source 2.
  • the calculated transit time values of the second virtual sound source 2 are then added to the transit time on the azimuth plane A of the first virtual sound source 1 in accordance with the vertical position of the respective sound transducer 11 (ie in the vertical arrangement 20 in FIG. 2). If the audio signal for the common wavefront 30 is associated with those of the position of the respective sound transducers 1, 2 Delay times is fed to the power amplifiers of the respective sound transducers 1 1, the wave front 30 arises with its different radii of curvature KA, KA.
  • Fig. 3 this is shown using an arena sound system, which is similar to the forms described above.
  • the first virtual sound source 1 determining the localization can be assigned further independent second virtual sound sources 2a, 2b, 2c, 2d for the elevation plane E.
  • the audio signal itself can be provided by a single input channel.
  • an advantageous embodiment of the invention is to assign a separate input channel to each of the wave fronts 30a, 30b, 30c, 30d generated in this way.
  • the signal content should be the same, but the separate access option to the level and the equalization of each of the wavefronts 30a, 30b, 30c, 30d have significant advantages.
  • the sound pressure between the front and rear seats of the audience area 200 can be adjusted very well will. In the case of large distances, the loss due to the airborne sound insulation in the upper transmission range can also be compensated for by corresponding equalization of the input signal of the corresponding wavefront 30a, 30b, 30c, 30d.
  • the wave fronts 30a, 30b, 30c, 30d are supplied with coherent signals. Due to the principle, overlap areas arise at the boundaries of the individual wave fronts 30a, 30b, 30c, 30d.
  • the height of the sound transducer field 100 in the vertical direction in relation to the wavelength of the audio signal determines the sharpness of the transition area.
  • the spectator arena 200 according to FIG. 3 is shown in section. Behind the transducer field 100, the first virtual sound source 1 determines the localization in the azimuth plane A. The distance between a second virtual sound source 2a, 2d for the elevation plane E and the transducer field 100 then determines the vertical opening angle of the beam, i.e. of directed sound
  • an arc is drawn around the intersection point B through the second virtual sound source 2a to determine the position of the adjacent virtual sound source.
  • the extended line L from the intersection point B through the lower edge of the sound transducer field 100 with the circular arc around B is then the position of a further second virtual sound source 2d for the beam above.
  • the two second virtual sound sources 2a, 2d are then equidistant from the spectators in the overlap area of the two beams, so that the sound waves emanating from them arrive at the same time. Therefore, at the intersection point B of the two beams, there is no runtime-related interference of the coherent signals.
  • the starting points of further levels are then determined in the same way until the entire audience area 200 is supplied with audio signals. It should be noted that the subtraction of the latency times in the virtual part must not be carried out independently for each beam. This would shift the running times of the individual beams against each other.
  • all transit times of all virtual sound sources 2a, 2b, which determine the curvature of wave fronts 30a, 30d in elevation plane E are determined for all sound transducers 11 on their vertical line in transducer field 100. The common minimum value from all these delay times is then subtracted from each calculated delay time for each individual sound transducer 11. This means that there is no unnecessary latency, but the time relationships between the individual beams are retained.
  • the ratio of the opening angles of the beams to one another is fixedly predetermined by the geometric relationships between the audience area 200 and the vertical height of the sound transducer field 100. This also determines the sound pressure that can be achieved in the individual beams.
  • FIG. 5 the supply of a level audience area 200 from a sound transducer field 100 arranged above the stage area is shown as an example.
  • the audience area is divided into three areas A, B and C of approximately the same size.
  • a virtual sound source 2a, 2b, 2c determining the curvature of the wave front in the elevation plane E is assigned to each area. So that their supply areas are the same size, because of the different Opening angle of the beams each set a different distance to the transducer field 100.
  • the audience area 200 is divided in the first step into areas A, B and C which are approximately the same size and which are differently distant from the position of the sound transducer field 100.
  • the intersection of the extended straight line from the lower and upper range limits AB, BC to the lower and upper edge of the sound transducer field 100 is then the position of the associated virtual sound source 2a, 2b, 2c.
  • the distances between the acoustic centers of the individual sound transducers are calculated and the resulting sound propagation times are calculated in the virtual part of the wave field synthesis.
  • the difference between the radii through points A and B around the overlap area AB is then subtracted from the temporarily stored values that are assigned to the virtual sound source A. There is thus no time difference between these wave fronts in the elevation plane in the overlap area AB.
  • the transit time is subtracted from these temporarily stored values, which corresponds to the difference between the radii B and C around the overlap area BC, so that their wave fronts arrive at the same time in this area.
  • the same procedure is used if further virtual sound sources are necessary in order to further subdivide the reproduction area.
  • the transit time is subtracted from all calculated and temporarily stored values, and the transit time between the virtual sound source that is closest to the transducer field is subtracted between it and the one close to it most convenient transducer results. This means that there is no unnecessary latency left in the values for the elevation plane.
  • the transit time is calculated and stored for each transducer. By subtracting the shortest calculated transit time for all transit times, the unnecessary latency of the signal that would result from the distance between the virtual sound source and the transducer field is removed.
  • the vertical curvature KE of the wave fronts 30 is divided into different frequency ranges within a sound transducer field 100.
  • the high expenditure for a sound transducer field 100 based on the principle of wave field synthesis arises primarily from the need to arrange the sound transducers 11 closely together in order to avoid undesirable aliasing effects and side lobes of the directional characteristic.
  • the adaptation of the transducer geometry to the wavelength of the signal is known from other audio applications.
  • the long-wave frequency range is emitted by a wide array of transducers, while the upper frequency range is only emitted in the center.
  • FIG. 6 shows such a radiation, divided into two frequency ranges, with two wave fronts of different vertical curvature arranged one above the other.
  • a full-range area 102 with closely adjacent high-frequency transducers is arranged between the low and mid-range areas 101 of the sound transducer field 100.
  • FIG. 7 shows the situation for a single one of the beams in the side view according to the embodiment of FIG. 6.
  • the size of the public area 200 to be supplied with the relevant beam is determined with the position of the second virtual sound source 2a which determines the vertical opening angle of the beam.
  • both wavefronts arrive in the center of the supply area in spatial area 200 at the same time, i.e. without a phase shift.
  • the selected public area is supplied with all frequency components. Again the smallest of all calculated delay times can then be subtracted from all calculated values in order to reduce the redundancy of the signal.
  • the wave front of the virtual sound source 2b for the high frequency range has a smaller radius of curvature than the wave front emanating from the virtual sound source 2a. This means that both signals at the edges of the supply area are no longer in phase. Comb filter effects in the crossover area would be the result.
  • the vertical opening angle determined with the position of the virtual sound source 2a must not become too large.
  • the time difference is initially very small; it then increases very quickly as the opening angle increases.
  • the opening angle must then be selected so that the slight temporal shift V in the crossover frequency range that occurs at the edges of the supply area leads to level errors that can be compensated for, but not to mutual cancellation of the signals.
  • the lowest possible crossover frequency between the virtual sound sources 2a, 2b also contributes to the fact that given geometrical conditions there is no cancellation of the signal components.
  • Another solution for reducing the physically caused problem is to delay the signal of the virtual sound source 2a by half the sound delay time difference (see Fig. 7A) at the boundaries of the supply area after compensating for the transit times between the second virtual sound sources 2a, 2b .
  • the result is that the time difference is halved at the edges of the coverage area. An equally large difference then arises in the middle of the beam in the opposite direction, with two points in phase between them. The halved time differences shift the frequency of the cancellation up one octave.
  • the division into frequency ranges is not fundamentally restricted to two ranges.
  • the sound transducer field 100 can also be supplemented by further sound transducers 11, which exclusively radiate the low-frequency audio range from their upper and lower edges.
  • the correction of the transit times is then carried out in the same way as the procedure described for the mid and high range. But it is ensure that the entire frequency range is always emitted in the vertical center of the two-dimensional transducer arrangement. Otherwise, the upper and lower rows of transducers would emit cylinder waves that would radiate uncontrollably into the neighboring supply areas.
  • a sound transducer field 100 based on the principle of wave field synthesis, the principle arises that the adaptation of the individual sound transducers 11 to the load resistance of the air improves as the wavelength of the signal increases. Because neighboring sound transducers 1 1 work approximately synchronously in this frequency range, their diaphragm no longer works completely mismatched with almost no load resistance because the air in front of the diaphragm can escape to all sides. The neighboring sound transducers 11 generate the same sound pressure at the same time, so that the weight of the air column in front of the membrane forms a better adapted load resistance.
  • the acoustic performance of the system is only aimed at the audience area, which fundamentally increases the efficiency of the system and at the same time contributes to the fact that the requirement for a source-free volume of the playback room is almost fulfilled in the case of wave field synthesis.
  • the method described relates to the model-based approach of wave field synthesis.
  • the delay times and level values determined by the method described can also easily be generated in the form of an impulse response.
  • the method described is not limited to the model-based approach of wave field synthesis, since the values can be converted to a pulse method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschallung eines räumlichen Bereiches (200) mit mindestens einem Schallwandler-Feld (100) mit einer Mehrzahl von flächig angeordneten einzelnen Schallwandlern (11), wobei das Schallwandler-Feld (100) eingerichtet und betreibbar ist, Wellenfronten (30) auszustrahlen, die einem Modell mit mindestens zwei virtuellen Schallquellen (1, 2) entsprechen, die vom beschallten räumlichen Bereich (200) aus gesehen hinter dem mindestens einen Schallwandler-Feld (100) liegen, gekennzeichnet durch ein Rechenmittel (50) zur Ansteuerung der einzelnen Schallwandler (11) im mindestens einen Schallwandler-Feld (100), wobei Abstrahlzeiten für denselben Audioinhalt für Schallwandler (11) in einer horizontalen Anordnung (10) im Schallwandler-Feld (100) in Abhängigkeit von mindestens einer ersten virtuellen Schallquelle (1) bestimmt werden, und für Schallwandler (11) in einer vertikalen Anordnung (20) im Schallwandler-Feld (100) in Abhängigkeit mindestens einer zweiten virtuellen Schallquelle (2) bestimmt werden, und wobei mit dem Rechenmittel (50) Abstrahlzeiten (t1) für denselben Audioinhalt für die Schallwandler (11) durch ihre Distanz zur mindestens einen ersten virtuellen Schallquelle (1), unabhängig von einer vertikalen Position der mindestens einen virtuellen Schallquelle (1) und dem jeweiligen Schallwandler (11) bestimmbar sind, und dass zu diesen berechneten Werten die Laufzeit (t2) zu dem jeweiligen Schallwandler (11) addiert wird, die sich aus der Distanz des jeweiligen Schallwandlers (11) zu der mindestens einen zweiten virtuellen Schallquelle (2), ungeachtet der jeweiligen horizontalen Position der mindestens einen ersten virtuellen Schallquelle (1) und dem jeweiligen Schallwandler (11) ergibt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Beschallung eines räumlichen Bereichs
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschallung eines räumlichen Bereichs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Beschallung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Zur Beschallung von räumlichen Bereichen, wie z.B. Veranstaltungshallen oder Bereichen im Außenraum, ist es bekannt, Anlagen zu verwenden, die nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese arbeiten. Solche Anlagen sind z.B. aus der WO 2015 022579 A2 und der WO 2001 023104 A2 grundsätzlich bekannt.
Weitere Informationen für die Wellenfeldsynthese finden sich in Makarski, Goertz, Weinzierl, Moldrzyk: Zur Entwicklung von Lautsprechern für die Wellenfeldsynthese. Tonmeistertagung 2008, S. Spors, R. Rabenstein, J. Ahrens: The theory of wave field synthesis revisited. In: 124th AES Convention, Amsterdam, Mai 2008,
Das Prinzip der Wellenfeldsynthese im Audiobereich kann durch Faltung des Signals in eine, auf die Position jedes einzelnen Schallwandlers bezogene, Impulsantwort realisiert werden. Damit können die direkten Schallwellen und auch die Reflexionen des Aufnahmeraumes wiedergabeseitig synthetisiert werden. Das Verfahren ist mathematisch aufwändig. In der Praxis wird es auch deshalb üblicherweise auf eine einzelne, in einem akustisch stark bedämpften Wiedergaberaum rund um den Zuhörer angeordnete, horizontale Schallwandler-Reihe reduziert. Für den Einsatz bei Live- Beschallungen ist dieses Verfahren wegen der durch die Faltung in die Impulsantwort bedingten Redundanz des Signals nicht geeignet.
Im modellbasierenden Ansatz der Wellenfeldsynthese können virtuelle Schallquellen erzeugt werden, die ihre Elementarwellen mit einer sehr geringen Latenz zu den ihr nahegelegensten Schallwandlern erzeugen. Das macht das Verfahren grundsätzlich auch dafür geeignet, im Public-Address-Bereich eingesetzt zu werden. Es sind auch Schallwandler-Felder nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese bekannt.
Ein Schallwandler-Feld strahlt Schall über eine Fläche ab, wobei die Fläche eben oder gekrümmt ausgebildet sein kann. Ein Schallwandler-Feld kann auch flache und gekrümmte Abschnitte aufweisen. Ein Schallwandler-Feld umfasst typischerweise eine Anordnung von Schallwandlern, wie Lautsprechern, typischerweise dynamischen Lautsprechern, die in der Fläche angeordnet sind. Jedoch ist auch der Einsatz anderer Wandlerprinzipien, wie elektrostatische oder piezoelektrische Wandler oder auch Microelectromechanical Systems (MEMS) möglich.
Es besteht daher die Aufgabe, verbesserte Schallwandler-Felder und Verfahren zur Beschallung von räumlichen Bereichen zu schaffen.
Dabei wird eine Vorrichtung zur Beschallung eines räumlichen Bereiches mit mindestens einem Schallwandler-Feld mit einer Mehrzahl von flächig angeordneten einzelnen Schallwandlern (z.B. Lautsprechern) eingesetzt. Das Schallwandler-Feld kann dabei z.B. eine ebene oder gekrümmte Form aufweisen. Es ist auch möglich, dass das Schallwandler-Feld gekrümmte und ebene Abschnitte aufweist. Die Schallwandler können z.B. in einem Raster angeordnet sein, müssen es aber nicht, solange ihre geometrische Position exakt bestimmt bleibt. Die Schallwandler können untereinander gleich sein, was aber nicht zwingend ist.
Das Schallwandler-Feld ist eingerichtet und betreibbar, Wellenfronten auszustrahlen, die einem Modell mit mindestens zwei virtuellen Schallquellen entsprechen, die vom beschallten räumlichen Bereich aus gesehen hinter dem mindestens einen Schallwandler-Feld liegen. Der beschallte Bereich kann z.B. ein geschlossener Raum, der Publikumsbereich im geschlossenen Raums, ein Teil des Außenraums, oder ein Publikumsbereich im Außenraum sein.
Dabei dient ein Rechenmittel zur Ansteuerung einzelner Schallwandler im mindestens einen Schallwandler-Feld, wobei Abstrahlzeiten für denselben Audioinhalt für Schallwandler in einer horizontalen Anordnung im Schallwandler-Feld in Abhängigkeit von mindestens einer ersten virtuellen Schallquelle bestimmbar sind, und für Schallwandler in einer vertikalen Anordnung (d.h. in Elevationsrichtung) im Schallwandler-Feld in Abhängigkeit mindestens einer zweiten virtuellen Schallquelle bestimmbar sind. Mit dem Rechenmittel sind Abstrahlzeiten ti für denselben Audioinhalt für die Schallwandler durch ihre Distanz zur mindestens einen ersten virtuellen Schallquelle, unabhängig von einer vertikalen Position der mindestens einen virtuellen Schallquelle und dem jeweiligen Schallwandler bestimmbar. Zu diesen berechneten Werten werden die Laufzeit t2 zu dem jeweiligen Schallwandler addiert, die sich aus der Distanz des jeweiligen Schallwandlers zu der mindestens einen zweiten virtuellen Schallquelle, ungeachtet der jeweiligen horizontalen Position der mindestens einen ersten virtuellen Schallquelle und dem jeweiligen Schallwandler ergibt.
Die durch die Addition der Werte der Laufzeiten bedingte zusätzliche Latenz des Audiosignals kann z. B. durch Subtraktion eines gemeinsamen Wertes von jeder für die einzelnen Schallwandler berechneten Laufzeit eliminiert werden, der geringer ist als der kleinste von allen im Ergebnis der Addition berechneten Werten.
In einer Ausführungsform ist das Rechenmittel so ausgebildet, dass durch das Schallwandler-Feld mehrere Wellenfronten mit gleichem Audioinhalt mittels einer gemeinsamen virtuellen Schallquelle für die horizontale Ebene (Azimut-Ebene) und mindestens zwei vertikal gestaffelten virtuellen Schallquellen für die vertikale Ebene (Elevationsebene) erzeugbar sind.
Mit einer solchen Anordnung kann eine kombinierte Wellenfront gebildet werden, mit der auch räumliche Bereiche mit komplexer Geometrie gut beschallt werden können. Dabei kann z.B. jeder der gestaffelten Ebenen ein eigener Eingangskanal zuweisbar sein, so dass sich die Schalldruckpegel und Frequenzgänge einzelner Beams mit gleichem Audioinhalt unabhängig voneinander einstellen lassen.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die akustischen Beams in der Elevationsebene unterschiedliche vertikale Öffnungswinkel auf, wodurch die Größe einzelner Versorgungsbereiche im räumlichen Bereich zueinander angepasst wird, um in allen Bereichen die maximal verfügbare Membranauslenkung der einzelnen Schallwandler nutzen zu können.
Ferner ist in einer Ausführungsform das Rechenmittel so ausgebildet, dass die vertikale Krümmung der Wellenfronten in verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilt ist, wobei insbesondere nur ein innerer Bereich im vertikalen Zentrum des Schallwandler-Feldes mit Schallwandlern bestückt ist, die den oberen Frequenzbereich des Audioinhalts abstrahlen, wobei die Krümmung der Wellenfront in diesem Frequenzbereich von einer eigenen, sekundären virtuellen Schallquelle so bestimmbar ist, dass ihre Wellenfronten in mindestens einem Teil des beschallten räumlichen Bereichs, z.B. dem Publikumsbereich, die gleiche vertikale Begrenzung aufweist, wie die Wellenfront der außen liegenden Schallwandler für denselben Beam. Damit wird einer linearen Verzerrung des Audioinhalts vorgebeugt. Insbesondere kann dabei ein Zeitausgleich zwischen den Wellenfronten der verschiedenen Frequenzbereiche so ausgebildet werden, dass die durch die unterschiedlichen Distanzen der zweiten virtuellen Schallquellen zum Schallwandler-Feld für die verschiedenen Frequenzbereiche bedingten Zeitfehler zwischen den Wellenfronten der verschiedenen Frequenzbereiche desselben Audioinhalts an den Grenzen des Versorgungsbereiches des jeweiligen Beams dadurch halbiert werden, dass die virtuelle Schallquelle für das untere Frequenzband nach der Korrektur des Zeitunterschiedes in der Mitte der Wellenfront nochmals um die Hälfte des Unterschiedes beider Krümmungsradien an der Grenze des Versorgungsbereiches in Richtung der zweidimensionalen Schallwandler-Anordnung verschoben wird.
Für eine flexible Verwendung einer Beschallung, werden in einer Ausführungsform im Rechenmittel die im modellbasierenden Ansatz der Wellenfeldsynthese bestimmten Verzögerungszeiten und Pegel des Audioinhalts in Impulsantworten umgerechnet, mit denen die Schallwandler eines auf die Faltung des Audioinhalts in Impulsantworten basierenden Wellenfeldsynthesesystems ansteuerbar sind.
Ferner kann das Rechenmittel so ausgebildet sein, dass die Krümmungen der Wellenfronten in der Elevationsebene und die Krümmungen derselben Wellenfronten in der Azimut-Ebene unterschiedlich ausgebildet sind, wobei unterschiedlich weit vom Schallwandler-Feld entfernte virtuelle Schallquellen für die Berechnung der Verzögerungszeiten und des Pegels des gleichen Audioinhalts für jeden einzelnen Schallwandler des Schallwandler-Feldes als Bezugspunkt für die Berechnung der Verzögerungszeiten in Azimut- und Elevationsebene herangezogen werden, wobei die Lokalisation der nahe gelegenen ersten virtuellen Schallquelle für die Lokalisation des Schallereignisses in der Azimut-Ebene maßgeblich ist und die weiter entfernte, zweite virtuelle Schallquelle die Krümmung und Ausrichtung derselben Wellenfront in der Elevationsebene bestimmt.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung auch anhand von Zeichnungen beschrieben, dabei zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Beschallung eines räumlichen Bereiches;
Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung für die Beschallung eines Teilbereichs eines arenaförmigen Bereiches;
Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Beschallung eines arenaförmigen Bereiches mit vier zweiten virtuellen Schallquellen in der Elevationsebene;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung mit einer Bestimmung der Schallausbreitung im Überlappungsbereich;
Fig. 5 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform zur Beschallung eines räumlichen Bereiches mit unterschiedlichen Entfernungszonen; Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform mit einem unterteilten Schallwandler-Feld zur Beschallung eines räumlichen Bereiches;
Fig. 7 eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform gemäß Fig. 6;
Fig. 7A eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform gemäß Fig. 7 mit einem Zeitausgleich.
Anhand von Fig. 1 wird das grundsätzliche Prinzip einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Beschallung eines räumlichen Bereiches 200 mittels eines Schallwandler-Feldes 100 dargestellt.
Das Schallwandler-Feld 100, das nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese arbeitet, erzeugt einen 'Akustischen Vorhang". Aus einem einzigen Mono-Signal können mit einer entsprechenden Berechnung von Schalllaufzeiten und Pegeln aus der Distanz zwischen einer virtuellen Schallquelle 1 und dem jeweiligen Schallwandler 11 im Schallwandler-Feld 100 in einem modellbasierenden Ansatz die Signale gewonnen werden, die ein Schallwandler von einem unmittelbar hinter seiner Position in einer Trennwand angeordneten Mikrofon von einer realen Schallquelle an der Position der virtuellen Schallquelle 1 erhalten würde. Wie durch einen "Vorhang" wird eine Wellenfront einer realen Schallquelle rekonstruiert.
Dabei wird jede virtuelle Schallquelle 1 hinter dieser Anordnung nach dem Fluygenschen Prinzip aus einer Vielzahl einzelner Schallwandler physikalisch rekonstruiert. Die Krümmung der Wellenfront 30 entspricht der einer Wellenfront, die von einer realen Schallquelle an der Position der virtuellen Schallquelle 1 ausgehen würde. Die virtuelle Schallquelle 1 verändert deshalb ihren Ausgangspunkt nicht, wie die Phantomschallquellen bei den psychoakustisch basierten Verfahren, mit der Position des Zuhörers.
Deshalb ist sie, von Beugungseffekten aufgrund der endlichen Fläche des Schallwandler-Feldes 100 abgesehen, auch nur in dem Bereich hörbar, in dem sich die virtuelle Schallquelle 1 , 2 vom Zuhörer aus gesehen innerhalb des Schallwandler- Feldes 100 befindet.
Mit Schallwandler-Feldern 100 nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese können Krümmung und Ausrichtung der Wellenfronten 30 in Azimut-Richtung (d.h. in der Horizontalen) und Elevationsrichtung (d.h. in der Vertikalen) bestimmt werden.
Schallwandlerreihen 10 mit einzeln betriebenen Schallwandlern 1 1 erzeugen Zylinderwellen, wenn eine parallele Wellenfront erzeugt werden soll. Die Zylinderwellen werden an Decke und Boden eines Raumes reflektiert, weshalb der Raum stark bedampft werden muss, um die für die Wellenfeldsynthese theoretisch geforderte Bedingung des quellfreien Volumens wenigstens ansatzweise einzuhalten.
Bei Schallwandler-Feldern 100 bestimmt die Größe des Schallwandler-Feldes und die Position der virtuellen Schallquelle 1 , in welchem Bereich das Publikum von dieser virtuellen Schallquelle 1 versorgt wird. Außerhalb des Bereiches, in dem sich zwischen der virtuellen Schallquelle 1 und dem Schallempfänger Schallwandler 1 1 befinden, nimmt der Schalldruck sehr schnell ab. Bildlich gesprochen ist die virtuelle Schallquelle 1 nur in dem Bereich hörbar, in dem sie von der Zuschauerposition aus innerhalb des Bereiches des Schallwandler-Feldes 1 1 auch zu sehen wäre. So kann eine Wellenfront 30 gezielt, zum Beispiel auf den Publikumsbereich, ausgerichtet werden, ohne dass die Reflektionsflächen des Raumes ungewollt getroffen werden.
Wegen des begrenzten Versorgungsbereiches ergibt sich aber, dass die virtuelle Schallquelle 1 im modellbasierenden Ansatz nah hinter dem Schallwandler-Feld positioniert werden muss, um einen breiten Publikumsbereich im räumlichen Bereich 200 beschallen zu können. Eine weit entfernte virtuelle Schallquelle 1 hätte zwar den Vorteil, dass die Oberfläche der Wellenfront 30 im Publikumsbereich mit der Entfernung nur langsam wächst und der Pegel mit der Entfernung zum erzeugenden Schallwandler-Feld 100 entsprechend langsam abnimmt. Sie würde aber den wesentlichen Vorzug der virtuellen Schallquellen 1 gegenüber den Phantomschallquellen, dass ihre Lokalisation nicht von der Position des Zuhörers abhängig ist, verlieren. Sie behielte zwar ihre Position, die würde aber dann je nach Blickwinkel des Zuschauers deutlich, z.B. von der Azimut-Richtung eines Künstlers auf der Bühne, abweichen. Zudem wäre der Versorgungsbereich nahezu auf die Größe des Schallwandler-Feldes 100 eingeschränkt.
Im Verhältnis zur Wellenlänge der zu synthetisierenden Wellenfront 30 kann die vertikale Höhe des Schallwandler-Feldes 100 nicht zu gering sein. Sonst entsteht in der Elevationsebene keine ausreichende Richtwirkung. Diese Richtwirkung in beiden Ebenen ist aber die Voraussetzung dafür, dass die Forderung nach dem quellfreien Volumen für den Wiedergaberaum, die sich aus der theoretischen Herleitung des Prinzips der Wellenfeldsynthese ergibt, aufgegeben werden kann. Nur wenn durch die gezielte Versorgung des gewünschten Wiedergabebereiches die Anregung unerwünschter Reflexionen weitgehend vermieden werden kann, bleibt das Volumen des Wiedergabebereiches weitgehend quellfrei. Nur dann ist das Prinzip auch in akustisch nicht speziell behandelten Räumen anwendbar.
Die aus diesem Grund notwendige vertikale Ausdehnung des Schallwandler-Feldes 100 führt aber in der Elevationsebene zu einem großen Öffnungswinkel, wenn die virtuelle Schallquelle 1 nah hinter ihm positioniert ist. Das ist aber wiederum die Voraussetzung dafür, dass in der Azimut-Ebene ein breiter Publikumsbereich versorgt werden kann und die Lokalisation in der Azimut-Ebene z.B. mit der Position des Künstlers auf der Bühne übereinstimmt.
Insgesamt bildet eine solche, aus einer einzelnen virtuellen Schallquelle 1 synthetisierte Wellenfront 30, einen Kugelausschnitt, dessen Größe und Form durch die Dimension des Schallwandler-Feldes und die Position der virtuellen Schallquelle 1 bestimmt ist.
Dieser Kugelausschnitt ist dadurch gekennzeichnet, dass er in der Azimut- und Elevationsebene den gleichen Krümmungsradius hat. Eine Kugeloberfläche wächst quadratisch mit ihrem Radius. Entsprechend nimmt die Schallintensität mit der Entfernung von der virtuellen Schallquelle 1 schnell ab, weil sie sich auf der quadratisch anwachsenden Kugeloberfläche verteilt.
Der Vorteil der Wellenfeldsynthese, dass mit einem Schallwandler-Feld 100 auch Wellenfronten erzeugt werden können, deren Oberflächen mit der Entfernung nur langsam wachsen oder, wie bei einer parallelen Wellenfront, sogar mit der Entfernung konstant bleiben, kommt dabei nicht zum Tragen, wenn die virtuelle Schallquelle 1 nahe dem Schallwandler-Feld 100 angeordnet wird. Andererseits wird der Versorgungsbereich in der Azimut-Ebene reduziert oder sogar auf die Breite des Schallwandler-Feldes 100 eingeschränkt, wenn die virtuelle Schallquelle 1 weit hinter dem zweidimensionalen Schallwandler-Feld positioniert wird.
Das kann dadurch vermieden werden, wenn eine Krümmung KE der Wellenfront 30 eines Schallwandler-Feldes 100 in der Elevationsebene E von einer Krümmung KA derselben Wellenfront 30 in der Azimut-Ebene A entkoppelt wird. Dies wird im Zusammenhang mit der Fig. 1 dargestellt.
Mit einer Entkopplung ist es z.B. möglich, dass von einer nahe dem Schallwandler- Feld 100 gelegenen virtuellen Schallquelle 1 eine Wellenfront ausgeht, die in der Elevationsebene E nur eine geringe Krümmung hat. Dadurch wird der Pegel der Wellenfront weniger stark mit der Entfernung von dem Schallwandler-Feld 100 abnehmen, als der von dieser Position entstehende Kugelwellenausschnitt das aufgrund der quadratischen Zunahme seiner Oberfläche mit der Entfernung vorgibt. Die Lokalisation der primären virtuellen Schallquelle 1 muss dabei aber von allen Zuhörerpositionen im Publikumsbereich des räumlichen Bereichs 200 erhalten bleiben.
Die Entkopplung der Krümmungsradien KE, KA kann dadurch erreicht werden, dass ein Rechenmittel 50 die einzelnen Schallwandler 1 1 im mindestens einen Schallwandler-Feld 100 in folgender Weise ansteuert:
Die Abstrahlzeiten desselben Audioinhaltes für die einzelnen Schallwandler 1 1 des Schallwandler Feldes 100 werden in Abhängigkeit von ihrer Entfernung zu der ersten virtuellen Schallquelle 1 bestimmt, wobei die unterschiedliche vertikale Position der einzelnen Schallwandler 1 1 in Bezug auf die erste virtuelle Schallquelle 1 nicht berücksichtigt wird. Die berechneten Werte werden zwischengespeichert.
Im zweiten Schritt werden die Abstrahlzeiten desselben Audioinhaltes für die einzelnen Schallwandler 1 1 im Schallwandler Feld 100 in Abhängigkeit von ihrer Entfernung zu mindestens einer zweiten virtuellen Schallquelle 2 bestimmt, wobei die unterschiedliche horizontale Position der einzelnen Schallwandler 1 1 in Bezug auf die zweite virtuelle Schallquelle 2 nicht berücksichtigt wird. Auch diese berechneten Werte werden zwischengespeichert.
Nach der Addition der zwischengespeicherten Werte kann dann die kürzeste Abstrahlzeit subtrahiert werden, um unnötige Redundanz der Wiedergabe, die im virtuellen Teil der Wellenfeldsynthese aufgrund der Laufzeit von der jeweiligen virtuellen Schallquelle zum Schallwandler Feld 100 entstehen würde, zu vermeiden.
Danach werden die Schallaufzeiten aus dem ersten Schritt zu den Schallaufzeiten aus dem zweiten Schritt addiert und das Audiosignal, das dem Beam der zweiten virtuellen Schallquelle 2 zugeordnet ist wird mit diesen Verzögerungszeiten von den einzelnen Schallwandlern 1 1 abgestrahlt.
Im Ergebnis wird eine Wellenfront erzeugt, die in der Elevationsebene eine andere Krümmung haben kann als in der Azimutebene. Mehrere solcher Wellenfronten können in einem gemeinsamen Schallwandler Feld 100 gleichzeitig erzeugt werden, wobei die erste virtuelle Schallquelle 1 die gemeinsame Krümmung all dieser Wellenfronten in der Azimutebene bestimmt, in der Elevationsebene mit einer Anzahl unterschiedlich positionierter weiterer virtuellen Schallquellen aber eine unabhängige Steuerung erreicht werden kann.
Dieser Krümmungsradius KE in der Elevationsebene ist von der Position der primären, zu lokalisierenden virtuellen Schallquelle 1 unabhängig und nur vom Abstand der sekundären, für die Krümmung der Wellenfronten 30 in der Elevationsebene E maßgeblichen zweiten virtuellen Schallquellenposition 2 zum Schallwandler-Feld 100 abhängig. Geht diese Entfernung gegen unendlich, so entsteht um die Position der primären virtuellen Schallquelle 1 ein Zylinderwellenausschnitt, der nur in der Azimut- Ebene A gekrümmt ist.
Die Oberfläche einer Zylinderwelle wächst linear mit ihrem Radius, nicht quadratisch wie die Oberfläche des Kugelwellenausschnittes. Deshalb beträgt der Pegelabfall einer solchen Wellenfront, abgesehen von Verlusten durch die Luftschalldämmung und Beugungsverlusten, nur -3 dB pro Entfernungsverdoppelung statt der -6 dB, wie beim Kugelwellenausschnitt. Abhängig von der Position der sekundären virtuellen Schallquelle, die den Öffnungswinkel und die Ausrichtung der Wellenfront 30 in der Elevationsebene E bestimmt, liegt der theoretische Pegelabfall mit der Entfernung dann zwischen diesen Werten.
In der Ausführungsform der Fig. 1 ist das Schallwandler-Feld 100 als ebene Fläche mit einer rechteckigen Form ausgeführt, d.h. die einzelnen Schallwandler 1 1 liegen geometrisch gesehen in einer Ebene und bilden eine Art Array. Dies ist nicht zwingend notwendig. In anderen Ausführungsformen können die Schallwandler 1 1 auf einer Fläche mit einer Krümmung liegen. Die Flächenkrümmung kann innerhalb des Feldes identisch oder unterschiedlich sein. Das Schallwandler-Feld 100 kann auch aus mehreren Feldern unterschiedlicher Krümmung zusammengesetzt sein.
Weitere Ausführungsformen der Vorrichtung und Einzelheiten des Verfahrens werden anhand der weiteren Figuren beschrieben.
In Fig. 2 ist ein arenaförmiger Publikumsbereich in einer Veranstaltungshalle der zu beschallende räumliche Bereich 200.
Dabei zeigt Fig. 2 die Trennung der Krümmungsradien KA, KE der Wellenfront 30 in die Azimut- und Elevationsebene. Die primäre, die Lokalisation des Schallereignisses in der Azimut-Ebene A (hier nicht gesondert dargestellt, siehe Fig. 1 ) bestimmende erste virtuelle Schallquelle 1 ist nahe am Schallwandler-Feld 100 positioniert, so dass ein gesamter Zuhörerbereich im räumlichen Bereich 200 in der Azimut-Ebene A nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese von ihr ausgehenden Wellenfront versorgt wird. In der Azimut-Ebene A bestimmt diese Position die Krümmung KA der Wellenfront 30, weshalb sie unabhängig von der Position eines Zuhörers an dieser Position lokalisiert wird. Damit bleibt dieser signifikante Vorteil der virtuellen Schallquellen gegenüber den auf psychoakustischen Effekten beruhenden Phantomschallquellen erhalten.
Eine geringere Krümmung der Wellenfronten 30, die mit der bezüglich der Entfernung weniger schnell anwachsenden Oberfläche den Vorteil einer besseren Pegelkonstanz hat, kann nur in der Elevationsebene E erfolgen. Bei einer durch die Wellenlänge der abzustrahlenden Wellenfronten 30 und die Geometrie des Zuhörerbereiches 200 vorgegebenen Größe des Schallwandler-Feldes 100 wird es so möglich, unerwünschte Reflexionen des räumlichen Bereichs 200 nicht anzuregen und so die theoretische Forderung nach dem quellfreien Volumen des Wiedergabe-Bereiches prinzipiell zu erfüllen. Deshalb wird für die gleiche Wellenfront 30 eine zweite virtuelle Schallquelle 2 definiert, die die Krümmung KE und Ausrichtung der Wellenfront 30 in der Elevationsebene E bestimmt. Die Entfernung der zweiten virtuellen Schallquelle vom Schallwandler-Feld 100 bestimmt dann den Öffnungswinkel der Wellenfront 30 in der Elevationsebene E, seine vertikale Position, ihre vertikale Ausrichtung.
Beide virtuellen Schallquellen 1 , 2 haben den gleichen Audioinhalt. Deshalb muss der zweiten virtuellen Schallquelle 2 der Wellenfront 30 kein separater Audiokanal zugewiesen werden.
Dabei wird im modellbasierenden Ansatz der Wellenfeldsynthese in einem ersten Schritt für jeden einzelnen Schallwandler 11 in der Azimut-Ebene der Wert für die jeweilige Verzögerung und den Pegel des Signals unabhängig von der der Vertikalen bestimmt. Für jeden einzelnen Schallwandler 11 in der Elevation-Ebene wird die jeweilige Verzögerung und der Pegel des Signals unabhängig von der Florizontalen bestimmt.
In einem zweiten Schritt werden dann zu diesen, von der Azimut-Position der ersten virtuellen Schallquelle 1 abhängigen Werten, die auf die zweite virtuelle Schallquelle 2 bezogenen Verzögerungszeiten addiert. Auch diese werden nur auf einer einzelnen Linie, diesmal vertikal an der Azimut-Position der zweiten virtuellen Schallquelle 2, berechnet.
Wegen der größeren Entfernung der zweiten virtuellen Schallquelle 2 zum Schallwandler-Feld 100 würde bei der Addition beider Werte eine zusätzliche Latenz des Audiosignals entstehen. Das wäre für Live-Veranstaltungen nicht akzeptabel. Deshalb wird vor der Addition der Verzögerungswerte der Elevationsebene E der kleinste dieser Verzögerungswerte von allen berechneten Elevations- Verzögerungswerten subtrahiert. Die reduzierten Werte repräsentieren dann die Kurvenkrümmung in der Elevationsebene E, ohne die Laufzeit und damit die Latenz des Systems unnötig zu erhöhen.
Die berechneten Laufzeitwerte der zweiten virtuellen Schallquelle 2 werden dann entsprechend der vertikalen Position des jeweiligen Schallwandlers 11 (d.h. in der vertikalen Anordnung 20 in Fig. 2) zur Laufzeit der auf der Azimut-Ebene A der ersten virtuellen Schallquelle 1 addiert. Wenn das Audiosignal für die gemeinsame Wellenfront 30 mit denen der Position der jeweiligen Schallwandler 1 , 2 zugeordneten Verzögerungszeiten den Endverstärkern der jeweiligen Schallwandler 1 1 zugeführt wird, entsteht die Wellenfront 30 mit ihren unterschiedlichen Krümmungsradien KA, KA.
Hohe Pegelkonstanz mit der Entfernung wird dann erreicht, wenn die zweite virtuelle Schallquelle 2 weit entfernt vom Schallwandler-Feld 100 entfernt positioniert wird. Dabei wird die Krümmung KA der Wellenfront 30 in der Elevationsebene E geringer, aber auch der vertikale Öffnungswinkel der Wellenfront 30 kleiner. Das wird meist dazu führen, dass in dieser Ebene nicht der gesamte Publikumsbereich im räumlichen Bereich 200 mit dem Audiosignal versorgt wird. In einer Ausführungsform werden daher mehrere der Wellenfronten mit unterschiedlichem Krümmungsradius übereinander angeordnet.
In Fig. 3 ist das anhand einer Arenabeschallung dargestellt, die ähnlich zu den oben beschriebenen Formen ist. Der die Lokalisation bestimmenden ersten virtuellen Schallquelle 1 können weitere unabhängige zweite virtuelle Schallquellen 2a, 2b, 2c, 2d für die Elevationsebene E zugeordnet werden.
Im Zuhörerbereich 200 entstehen dann mehrere Ebenen aus Wellenfronten 30a, 30b, 30c, 30d mit geringer Krümmung, aber unterschiedlicher Ausrichtung in der Elevationsebene E. Die Verzögerungszeiten für das Audiosignal werden in der gleichen Weise berechnet, wie das für eine einzelne Wellenfront 30 beschrieben wurde. Die Krümmung aller Wellenfronten 30a, 30b, 30c, 30d in der Azimut-Ebene A wird weiterhin durch Berechnung der horizontalen Distanz der ersten virtuellen Schallquelle 1 zu dem jeweiligen Schallwandler 1 1 in der vertikalen Anordnung 20 (siehe Fig. 1 ) berechnet. Entsprechend ihrer vertikalen Position im Schallwandler-Feld 100 wird zu dem jeweiligen Wert die entsprechende Verzögerungszeit, die sich aus der Position der zweiten virtuellen Schallquelle 2a, 2b, 2c, 2d ergibt, addiert.
Dabei kann das Audiosignal selbst von einem einzigen Eingangskanal bereitgestellt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es jedoch, jeder der so erzeugten Wellenfronten 30a, 30b, 30c, 30d einen separaten Eingangskanal zuzuordnen. Der Signalinhalt soll dabei gleich sein, jedoch hat die separate Zugriffsmöglichkeit auf den Pegel und die Entzerrung jeder einzelnen der Wellenfronten 30a, 30b, 30c, 30d signifikante Vorteile. Der Schalldruck kann zwischen vorderen und hinteren Plätzen des Zuschauerbereiches 200 sehr gut angeglichen werden. Bei großen Entfernungen kann auch der Verlust durch die Luftschalldämmung im oberen Übertragungsbereich durch entsprechende Entzerrung des Eingangssignals der entsprechenden Wellenfront 30a, 30b, 30c, 30d ausgeglichen werden.
Trotz dieser Trennung der Eingangssignale werden die Wellenfronten 30a, 30b, 30c, 30d mit kohärenten Signalen versorgt. Prinzipbedingt entstehen an den Grenzen der einzelnen Wellenfronten 30a, 30b, 30c, 30d Überlappungsbereiche. Die Höhe des Schallwandler-Feldes 100 in vertikaler Richtung im Verhältnis zur Wellenlänge des Audiosignals bestimmt die Schärfe des Übergangsbereiches.
Die Überlagerung zweier kohärenter Signale führt nur dann nicht zu interferenzbedingten Auslöschungen und Überhöhungen im Frequenzgang des Signals, wenn beide Wellenfronten 30a, 30b, 30c, 30d zeitgleich beim Zuhörer eintreffen. Dieses Problem muss bei der Positionierung der die Elevation der Wellenfront bestimmenden virtuellen Schallquellen 2a, 2b, 2c, 2d beachtet werden.
In Fig. 4 ist die Zuschauerarena 200 gemäß Fig. 3 im Schnitt dargestellt. Hinter dem Schallwandler-Feld 100 bestimmt die erste virtuelle Schallquelle 1 die Lokalisation in der Azimut-Ebene A. Der Abstand zwischen einer zweiten virtuellen Schallquelle 2a, 2d für die Elevationsebene E und dem Schallwandler-Feld 100 bestimmt dann den vertikalen Öffnungswinkel des Beams, d.h. des gerichteten Schalls
Damit im Zuschauerbereich 200 die unvermeidliche Überlappung mit dem vertikal benachbarten Beam weitgehend frei von Kammfiltereffekten im Frequenzgang durch phasenverschobene Addition der kohärenten Signale bleibt, wird für die Bestimmung der Position der benachbarten virtuellen Schallquelle ein Kreisbogen um den Kreuzungspunkt B durch die zweite virtuelle Schallquelle 2a geschlagen. Die verlängerte Linie L vom Kreuzungspunkt B durch die Unterkante des Schallwandler- Feldes 100 mit dem Kreisbogen um B ist dann die Position einer weiteren zweiten virtuellen Schallquelle 2d für den darüber liegenden Beam. Von den Zuschauern im Überlappungsbereich der beiden Beams sind die beiden zweiten virtuellen Schallquellen 2a, 2d dann gleich weit entfernt, so dass die von ihnen ausgehenden Schallwellen gleichzeitig eintreffen. Deshalb entstehen am Kreuzungspunkt B der beiden Beams keine laufzeitbedingten Interferenzen der kohärenten Signale. In der gleichen Weise werden dann die Ausgangspunkte weiterer Ebenen bestimmt, bis der gesamte Zuschauerbereich 200 mit Audiosignalen versorgt ist. Dabei ist zu beachten, dass die Subtraktion der Latenzzeiten im virtuellen Teil nicht für jeden Beam unabhängig erfolgen darf. Dadurch würden sich die Laufzeiten der einzelnen Beams gegeneinander verschieben. Dabei werden zuerst alle Laufzeiten aller virtuellen Schallquellen 2a, 2b, die die Krümmung der Wellenfronten 30a, 30d in der Elevationsebene E bestimmen, zu allen Schallwandlern 1 1 auf ihrer vertikalen Linie im Schallwandler-Feld 100 ermittelt werden. Dann wird der gemeinsame Minimalwert aus allen diesen Verzögerungszeiten von jeder berechneten Verzögerungszeit zu jedem einzelnen Schallwandler 1 1 subtrahiert. Damit entsteht keine unnötige Latenz, die zeitlichen Relationen zwischen den einzelnen Beams bleiben aber erhalten.
Nach dem beschriebenen Verfahren ist das Verhältnis der Öffnungswinkel der Beams zueinander durch die geometrischen Verhältnisse von Zuschauerbereich 200 und vertikaler Höhe des Schallwandler-Feldes 100 fest vorgegeben. Das bestimmt auch den in den einzelnen Beams zu erreichbaren Schalldruck.
Daraus entsteht in der Praxis das Problem, dass die einzelnen Beams bei gleichem vertikalem Öffnungswinkel sehr unterschiedlich große Publikumsflächen beschallen. So muss zum Beispiel bei einer ebenen Publikumsfläche der Beam für den hinteren Publikumsbereich eine viel größere Fläche beschallen als sie dem Beam im vorderen Publikumsbereich zugeordnet ist. Für einen ausgeglichenen Schalldruck ist dann die Membranauslenkung der einzelnen Schallwandler 1 1 im Schallwandler-Feld 100 für die entfernteren Bereiche deutlich größer, was dann den maximal erreichbaren Schallduck in dem Bereich begrenzt. Für eine gleichmäßige Pegelverteilung sind dann die Beams, die eine geringere Publikumsfläche versorgen, auf diesen Schalldruck abzusenken. Das reduziert die maximal mögliche Schalleistung des Gesamtsystems.
In der Fig. 5 ist beispielhaft die Versorgung einer ebenen Publikumsfläche 200 aus einem über dem Bühnenbereich angeordneten Schallwandler-Feld 100 dargestellt. Um die volle Leistung des Schallwandler-Feldes 100 im gesamten Publikumsbereich 200 nutzen zu können, wird der Zuschauerbereich in drei etwa gleich große Bereiche A, B und C aufgeteilt. Jedem Bereich ist eine, die Krümmung der Wellenfront in der Elevationsebene E bestimmende virtuelle Schallquelle 2a, 2b, 2c zugeordnet. Damit ihre Versorgungsbereiche gleich groß werden, wird wegen der unterschiedlichen Öffnungswinkel der Beams jeweils eine andere Entfernung zum Schallwandler-Feld 100 festgelegt.
Um die Positionen der virtuellen Schallquellen 2a, 2b, 2c zu bestimmen, wird der Zuschauerbereich 200 im ersten Schritt in etwa gleich große, von der Position des Schallwandler-Feldes 100 aus gesehen unterschiedlich weit entfernte Bereiche A, B und C, aufgeteilt. Der Schnittpunkt der verlängerten Geraden von den unteren und oberen Bereichsgrenzen AB, BC zur unteren und oberen Kante des Schallwandler- Feldes 100 ist dann jeweils die Position der zugehörigen virtuellen Schallquelle 2a, 2b, 2c.
Jedoch kann die sich aus deren unterschiedlicher Entfernung zum Schallwandler-Feld 100 ergebende Latenz der einzelnen Wellenfronten nicht in derselben Weise korrigiert werden, wie das bei den gleichen Öffnungswinkeln der Fall ist. In den Überlappungsbereichen würden sie zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen. Grund dafür ist, dass die Wellenfronten der beiden beteiligten virtuellen Schallquellen einmal von der Unterkante der Schallwandler Anordnung ausgehen und einmal von ihrer Oberkante. Somit ist der Weg beider Wellenfronten zu den Zuhörern im jeweiligen Überlappungsbereich unterschiedlich lang. Ein auf den Mittelpunkt der Anordnung aus Schallwandlern bezogener Zeitausgleich würde deshalb zu mit den Zeitfehlern verbundenen Kammfiltereffekten im Frequenzgang führen. Die Radien Ra, Rb, Rc um die Grenzen AB, BC der Überlappungsbereiche bestimmen deshalb die zeitliche Korrektur für die einzelnen Wellenfronten.
Um die Verzögerungszeiten zu bestimmen, werden in einem ersten Schritt die Distanzen zwischen den akustischen Zentren der einzelnen Schallwandler berechnet und die sich daraus ergebenden Schallaufzeiten im virtuellen Teil der Wellenfeldsynthese berechnet. Von den zwischengespeicherten Werten, die der virtuellen Schallquelle A zugeordnet sind, wird dann die Differenz der Radien durch die Punkte A und B um den Überlappungsbereich AB subtrahiert. Damit entsteht in der Elevationsebene im Überlappungsbereich AB kein Zeitunterschied zwischen diesen Wellenfronten.
Im zweiten Schritt wird von diesen zwischengespeicherten Werten die Laufzeit subtrahiert, die der Differenz der Radien B und C um den Überlappungsbereich BC entspricht, damit deren Wellenfronten in diesem Bereich zeitgleich eintreffen. Entsprechend wird verfahren, wenn weitere virtuelle Schallquellen notwendig sind, um den Wiedergabebereich weiter aufzuteilen.
Nach dem letzten Zeitausgleich zwischen den virtuellen Schallquellen für die Elevationsebene wird von allen berechneten und zwischengespeicherten Werten die Laufzeit subtrahiert, die zwischen der virtuellen Schallquelle, die dem Wandler-Feld am nächsten gelegen ist noch die Laufzeit subtrahiert, die sich zwischen ihr und dem ihr nahe gelegensten Schallwandler ergibt. Damit verbleibt in den Werten für die Elevationsebene keine unnötige Latenz.
Auch in der Azimut Ebene wird, unabhängig von deren vertikaler Position, für jeden Schallwandler die Laufzeit berechnet und zwischengespeichert. Durch Subtraktion der kürzesten berechneten Laufzeit zu allen Laufzeiten wird auch hier die unnötige Latenz des Signals, die sich aus der Entfernung der virtuellen Schallquelle zum Wandler-Feld ergeben würde, entfernt.
Auch nach Addition der berechneten Werte für die Azimut Ebene und den Werten für die verschiedenen Beams in der Elevationsebene ergeben sich dann Wellenfronten mit den kürzest möglichen Latenzzeiten.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die vertikale Krümmung KE der Wellenfronten 30 innerhalb eines Schallwandler-Feldes 100 in verschiedene Frequenzbereiche geteilt. Der hohe Aufwand für ein Schallwandler-Feld 100 nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese entsteht vor allem aus der Notwendigkeit, die Schallwandler 1 1 eng benachbart anzuordnen, um unerwünschte Aliasingeffekte und Nebenkeulen der Richtcharakteristik zu vermeiden. Aus anderen Audioanwendungen ist die Abstimmung der Wandlergeometrie auf die Wellenlänge des Signals bekannt. Der langwellige Frequenzbereich wird von einer weit ausgedehnten Wandler Anordnung abgestrahlt, während der obere Frequenzbereich nur im Zentrum abgestrahlt wird.
Bei der Wellenfeldsynthese ist es möglich, mit verschiedenen Öffnungswinkeln der Beams in der Elevationsebene E aus unterschiedlich hohen, in verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilten Schallwandlern 1 1 , den Abstand der einzelnen Wandler 1 1 im oberen Frequenzbereich deutlich zu reduzieren. Damit verbessert sich die Steuerbarkeit der einzelnen Wellenfronten signifikant. Die durch den endlichen Abstand der Elementarwellen bedingten Aliasingeffekte bei der Wellenfeldsynthese werden bei gleichem Hardwareaufwand deutlich reduziert.
Figur 6 zeigt eine solche, in zwei Frequenzbereiche aufgeteilte Abstrahlung mit zwei übereinander angeordneten Wellenfronten unterschiedlicher vertikaler Krümmung. Über dem Bühnenbereich, an der Frontseite der Arena 201 , ist zwischen dem Tief- und Mitteltonbereich 101 des Schallwandler-Feldes 100 ein Fullrange-Bereich 102 mit eng benachbarten Hochtonwandlern angeordnet.
Soweit nur die zweiten virtuellen Schallquellen 2a, 2b die Krümmung der gesamten Wellenfronten in der Elevationsebene E bestimmen würden, wären große Zuschauerbereiche nicht mit den oberen Frequenzanteilen versorgt. Deshalb muss dieser Frequenzbereich getrennt verarbeitet werden. Die Krümmung der Wellenfronten in diesem Frequenzbereich wird dann von den virtuellen Schallquellen 6 und 7 bestimmt.
Fig. 7 stellt die Situation für einen einzelnen der Beams in der Seitenansicht gemäß der Ausführungsform der Fig. 6 dar.
Die Größe des mit dem betreffenden Beam zu versorgenden Publikumsbereiches 200 wird mit der den vertikalen Öffnungswinkel des Beams bestimmenden Position der zweiten virtuellen Schallquelle 2a bestimmt. Eine verlängerte Gerade von den unteren und oberen Begrenzungslinien des Beams im Publikumsbereich 200 durch die untere und obere Grenze des auch mit Hochtonwandlern bestückten Bereiches 102 des Schallwandler-Feldes 100 bestimmt dann mit ihrem Schnittpunkt die Position der jeweiligen virtuellen Schallquelle 2b für den Hochtonbereich.
Wenn die der Streckendifferenz S entsprechende Schallausbreitungszeit von allen für die virtuelle Schallquelle 2a berechneten Laufzeiten von der Schallquelle zu den jeweiligen Schallwandlern 11 subtrahiert wird, treffen beide Wellenfronten in der Mitte des Versorgungsbereiches im räumlichen Bereich 200 gleichzeitig, also ohne Phasenverschiebung, ein. Der ausgewählte Publikumsbereich wird mit allen Frequenzanteilen versorgt. Wieder kann dann die kleinste aller berechneten Verzögerungszeiten von allen berechneten Werten subtrahiert werden, um die Redundanz des Signals zu reduzieren. Jedoch ist dabei zu beachten, dass auch danach die Wellenfront der virtuellen Schallquelle 2b für den Hochtonbereich einen geringeren Krümmungsradius als die von der virtuellen Schallquelle 2a ausgehende Wellenfront hat. Das führt dazu, dass beide Signale an den Rändern des Versorgungsbereiches nicht mehr in Phase sind. Kammfiltereffekte im Crossover-Bereich wären die Folge.
Aus diesem Grund darf der mit der Position der virtuellen Schallquelle 2a festgelegte, vertikale Öffnungswinkel nicht zu groß werden. Bei kleinen Winkeln ist die Zeitdifferenz anfänglich sehr gering, sie wächst dann sehr schnell mit steigendem Öffnungswinkel. Je nach den gegebenen geometrischen Verhältnissen muss der Öffnungswinkel dann so gewählt werden, dass die an den Rändern des Versorgungsbereiches entstehende, geringe zeitliche Verschiebung V im Crossover-Frequenzbereich zu ausgleichbaren Pegelfehlern, nicht aber zur gegenseitigen Auslöschung der Signale führt. Neben der Begrenzung des vertikalen Versorgungswinkels trägt auch eine möglichst niedrige Trennfrequenz zwischen den virtuellen Schallquellen 2a, 2b dazu bei, dass bei gegebenen geometrischen Verhältnissen keine Auslöschung der Signalanteile entsteht.
Eine weitere Lösung zur Reduktion des physikalisch bedingten Problems ist es, nach der Kompensation der Laufzeiten zwischen den zweiten virtuellen Schallquellen 2a, 2b das Signal der virtuellen Schallquelle 2a zusätzlich um die Hälfte der Schalllaufzeitdifferenz (siehe Fig. 7A) an den Begrenzungen des Versorgungsbereiches zu verzögern. Das gibt der Wellenfront von der virtuellen Schallquelle 2b in der Mitte des Versorgungsbereiches einen kleinen Vorsprung W vor der Wellenfront der virtuellen Schallquelle 2b. Die Folge ist, dass an den Rändern des Versorgungsbereiches die Zeitdifferenz halbiert ist. Eine gleich große Differenz entsteht dann in der Mitte des Beams in der entgegengesetzten Richtung, dazwischen entstehen zwei phasengleiche Punkte. Die halbierten Zeitdifferenzen verschieben die Frequenz der Auslöschung um eine Oktave nach oben.
Die Aufteilung in Frequenzbereiche ist nicht grundsätzlich auf zwei Bereiche beschränkt. Das Schallwandler-Feld 100 kann auch durch weitere Schallwandler 1 1 , die ausschließlich den tieffrequenten Audiobereich von ihren oberen und unteren Rändern abstrahlt, ergänzt werden. Die Korrektur der Laufzeiten geschieht dann analog zum beschriebenen Verfahren für den Mittel- und Hochtonbereich. Es ist aber darauf zu achten, dass auch im vertikalen Zentrum der zweidimensionalen Schallwandler-Anordnung immer der gesamte Frequenzbereich abgestrahlt wird. Im anderen Falle würden die oberen und unteren Schallwandler-Reihen Zylinderwellen abstrahlen, die unkontrolliert in die benachbarten Versorgungsbereiche abstrahlen.
Auch die Kombination der in Frequenzbereiche aufgeteilten Beams mit den unterschiedlichen Abstrahlwinkeln ist möglich. Allen beschriebenen Verfahren ist gemeinsam, dass die verschiedenen Wellenfronten im Zuschauerbereich gleichzeitig eintreffen, im Schallwandler-Feld 100 aber zu etwas versetzten Zeiten erzeugt werden. An dieser Stelle sind die Signale der einzelnen Beams im oberen Frequenzbereich gegeneinander verschoben. Das hat den Vorteil, dass sich nicht alle Membranauslenkungen, wie mit kohärenten Signalen, linear addieren.
In einem Schallwandler-Feld 100 nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese entsteht prinzipbedingt der Vorteil, dass mit steigender Wellenlänge des Signals die Anpassung der einzelnen Schallwandler 1 1 an den Lastwiderstand der Luft besser wird. Weil benachbarte Schallwandler 1 1 in diesem Frequenzbereich annähernd synchron arbeiten, arbeitet ihre Membran nicht mehr völlig fehlangepasst nahezu ohne Lastwiderstand, weil die Luft vor der Membran nach allen Seiten ausweichen kann. Die benachbarten Schallwandler 1 1 erzeugen zur gleichen Zeit denselben Schalldruck, so dass die vor der Membran liegende Luftsäule mit ihrem Gewicht einen besser angepassten Lastwiderstand bildet.
Leider macht sich der Effekt im Hochtonbereich nicht bemerkbar, weil die Membranen der Treiber von vornherein besser an die kleine Wellenlänge angepasst sind. Zudem ist die Bewegung benachbarter Membranen in dem Bereich nicht mehr gleichphasig. Die prinzipbedingte Verbesserung des Wirkungsgrades der Schallwandler 1 1 in einem Schallwandler-Feld 100 kommt also im oberen Übertragungsbereich nicht zum Tragen, weshalb hier vergleichsweise viel akustische Leistung erzeugt werden muss, um den im Mittel- und Tieftonbereich erzeugten Pegel zu erreichen. Deshalb ist eine nicht kohärente Überlagerung der Membranauslenkungen in dem Bereich ein signifikanter Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens. Eine Verdoppelung der akustischen Leistung benötigt dann nur noch 3 dB mehr Leistung, nicht mehr 6 dB, wie bei kohärenter Überlagerung. Darüber hinaus wird die akustische Leistung des Systems nur auf den Zuschauerbereich ausgerichtet, was die Effizienz des Systems grundsätzlich erhöht und gleichzeitig dazu beiträgt, dass die Forderung nach dem quellfreien Volumen des Wiedergaberaumes bei der Wellenfeldsynthese nahezu erfüllt bleibt.
Das beschriebene Verfahren bezieht sich auf den modellbasierenden Ansatz der Wellenfeldsynthese. Jedoch können die nach dem beschriebenen Verfahren ermittelten Verzögerungszeiten und Pegelwerte auch leicht in Form einer Impulsantwort erzeugt werden. Insofern ist das beschriebene Verfahren nicht auf den modellbasierenden Ansatz der Wellenfeldsynthese beschränkt, da die Werte auf ein Impulsverfahren umgerechnet werden können.
Weitere mögliche Ausbildungsformen sind in den folgenden Ansprüchen beschrieben. Insbesondere können auch die verschiedenen Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, soweit sie sich nicht technisch ausschließen.
Bezugszeichenliste
1 erste virtuelle Schallquelle
2 zweite virtuelle Schallquelle
2a virtuelle Schallquelle für die Bestimmung der Krümmung der Wellenfront in der oberen Ebene
2b virtuelle Schallquelle für die Bestimmung der Krümmung der Wellenfront in der zweiten Ebene
2c virtuelle Schallquelle für die Bestimmung der Krümmung der Wellenfront in der dritten Ebene
2d virtuelle Schallquelle für die Bestimmung der Krümmung der Wellenfront in der unteren Ebene
10 horizontale Anordnung von Schallwandlern in einem Schallwandler-Feld)
11 Schallwandler im Schallwandler-Feld
20 vertikale Anordnung (in Elevationsrichtung) von Schallwandlern im Schallwandler-Feld
30 Wellenfront
30a resultierende Wellenfront der oberen Ebene
30b resultierende Wellenfront der zweiten Ebene
30c resultierende Wellenfront der dritten Ebene
30d resultierende Wellenfront der unteren Ebene
50 Rechenmittel
100 Schallwandler-Feld
101 Tief-Mittelton-Bereich eines Schallwandler-Feldes
102 Fullrange-Bereich eines Schallwandler-Feldes 200 räumlicher Bereich
201 Frontseite eines räumlichen Bereiches
A Azimut-Ebene
B Kreuzungspunkt
E Elevationsebene
KA Krümmung des Wellenfeldes in Azimutal-Ebene
KE Krümmung des Wellenfeldes in Elevationsebene
L Linie zur Bestimmung der Überlappung
Ra, Rb, Rc Radien der Grenzen zwischen ebenen Bereichen
S Streckendifferenz zwischen virtuellen Schallquellen
V zeitliche Verschiebung
W zeitliche Verschiebung

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Beschallung eines räumlichen Bereiches (200) mit mindestens einem Schallwandler-Feld (100) mit einer Mehrzahl von flächig angeordneten einzelnen Schallwandlern (1 1 ), wobei das Schallwandler-Feld (100) eingerichtet und betreibbar ist, Wellenfronten (30) auszustrahlen, die einem Modell mit mindestens zwei virtuellen Schallquellen (1 , 2) entsprechen, die vom beschallten räumlichen Bereich (200) aus gesehen hinter dem mindestens einen Schallwandler-Feld (100) liegen,
gekennzeichnet durch
ein Rechenmittel (50) zur Ansteuerung der einzelnen Schallwandler (1 1 ) im mindestens einen Schallwandler-Feld (100), wobei Abstrahlzeiten für denselben Audioinhalt für
Schallwandler (1 1 ) in einer horizontalen Anordnung (10) im Schallwandler-Feld (100) in Abhängigkeit von mindestens einer ersten virtuellen Schallquelle (1 ) bestimmbar sind, und für
Schallwandler (1 1 ) in einer vertikalen Anordnung (20) im Schallwandler-Feld (100) in Abhängigkeit mindestens einer zweiten virtuellen Schallquelle (2) bestimmbar sind, und wobei mit dem Rechenmittel (50) Abstrahlzeiten (ti) für denselben Audioinhalt für die Schallwandler (1 1 ) durch ihre Distanz zur mindestens einen ersten virtuellen Schallquelle (1 ), unabhängig von einer vertikalen Position der mindestens einen virtuellen Schallquelle (1 ) und dem jeweiligen Schallwandler (1 1 ) bestimmbar sind, und dass zu diesen berechneten Werten die Laufzeit (t2) zu dem jeweiligen Schallwandler (1 1 ) addiert wird, die sich aus der Distanz des jeweiligen Schallwandlers (1 1 ) zu der mindestens einen zweiten virtuellen Schallquelle (2), ungeachtet der jeweiligen horizontalen Position der mindestens einen ersten virtuellen Schallquelle (1 ) und dem jeweiligen Schallwandler (1 1 ) ergibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenmittel (50) so ausgebildet ist, dass durch das Schallwandler-Feld (100) mehrere Wellenfronten (30) mit gleichem Audioinhalt mittels einer gemeinsamen virtuellen Schallquelle für die horizontale Ebene und mindestens zwei vertikal gestaffelten virtuellen Schalquellen für die vertikale Ebene erzeugbar sind.
aus zwei getrennten virtuellen Schallquellen (1 , 2) für die Azimut- und Elevationsebene vertikal gestaffelt gleichzeitig erzeugbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der gestaffelten Ebenen ein eigener Eingangskanal zuweisbar ist, so dass sich die Schalldruckpegel und Frequenzgänge in einzelnen Beams mit gleichem Audioinhalt unabhängig voneinander einstellen lassen.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Beams in der Elevationsebene (E) unterschiedliche vertikale Öffnungswinkel aufweisen, wodurch die Größe einzelner Versorgungsbereiche (A, B, C) im räumlichen Bereich (200) zueinander angepasst wird, um in allen Bereichen eine maximal verfügbare Membranauslenkung der einzelnen Schallwandler (1 1 ) nutzen zu können.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenmittel (50) so ausgebildet ist, dass die vertikale Krümmung der Wellenfronten (30a, 30b, 30c, 30d) in verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilt ist, wobei insbesondere nur ein innerer Bereich (102) im vertikalen Zentrum des Schallwandler-Feldes (100) mit Schallwandlern (1 1 ) bestückt ist, die einen oberen Frequenzbereich des Audiosignals abstrahlen, wobei die Krümmung der Wellenfront (30a, 30b, 30c, 30d) in diesem Frequenzbereich von einer eigenen, sekundären virtuellen Schallquelle (2a, 2b, 2c, 2d) so bestimmbar ist, dass ihre Wellenfronten (30a, 30b, 30c, 30d) in mindestens einem Teilbereich eines beschallten räumlichen Bereich (200), insbesondere im Bereich für Zuhörer die gleiche vertikale Begrenzung aufweist, wie die Wellenfront der außen liegenden Schallwandler (1 1 ) für denselben Beam.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitausgleich zwischen den Wellenfronten (30a, 30b, 30c, 30d) der verschiedenen
Frequenzbereiche so ausgebildet ist, dass die durch die unterschiedlichen Distanzen der zweiten virtuellen Schallquellen (2a, 2b, 2c, 2d) zum Schallwandler-Feld (100) für die verschiedenen Frequenzbereiche bedingten Zeitfehler zwischen den Wellenfronten der verschiedenen Frequenzbereiche desselben Audioinhalts an den Grenzen des Versorgungsbereiches des jeweiligen Beams dadurch halbiert werden, dass die virtuelle Schallquelle für das untere Frequenzband nach der Korrektur des Zeitunterschiedes in der Mitte der Wellenfront nochmals um die Hälfte des Unterschiedes beider Krümmungsradien an der Grenze des Versorgungsbereiches in Richtung der zweidimensionalen Schallwandler-Anordnung verschoben wird.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechenmittel (50) die im modellbasierenden Ansatz der Wellenfeldsynthese bestimmten Verzögerungszeiten und Pegel des Audioinhalts in Impulsantworten umgerechnet werden, mit denen Schallwandler (1 1 ) eines auf eine Faltung des Audiosignals in Impulsantworten basierenden Wellenfeldsynthese Systems ansteuerbar sind.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenmittel (50) ausgebildet ist, die Krümmungen der Wellenfronten (30a, 30b, 30c, 30d) in der Elevationsebene und die Krümmungen derselben Wellenfronten in der Azimut-Ebene unterschiedlich auszubilden, wobei unterschiedlich weit vom Schallwandler-Feld (100) entfernte virtuelle Schallquellen (1 , 2) für die Berechnung der Verzögerungszeiten und / oder des Pegels des gleichen Audioinhalts für jeden einzelnen Schallwandler (1 1 ) des Schallwandler-Feldes (100) als Bezugspunkt für die Berechnung der Verzögerungszeiten in Azimut- und Elevationsebene herangezogen werden, wobei die Lokalisation der nahe gelegenen ersten virtuellen Schallquelle (1 ) für die Lokalisation des Schallereignisses in der Azimut-Ebene maßgeblich ist und die weiter entfernte, zweite virtuelle Schallquelle (2, 2a, 2b, 2c, 2d) die Krümmung und Ausrichtung derselben Wellenfront in der Elevationsebene bestimmt.
9. Verfahren zur Beschallung eines räumlichen Bereiches (200) mit mindestens einem Schallwandler-Feld (100) mit einer Mehrzahl von flächig angeordneten einzelnen Schallwandlern (1 1 ), das eingerichtet und betreibbar ist, Wellenfronten (30) auszustrahlen, die einem Modell mit mindestens zwei virtuellen Schallquellen (1 , 2) entsprechen, die vom beschallten räumlichen Bereich (200) aus gesehen hinter dem mindestens einen Schallwandler-Feld (100) liegen,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) von einem Rechenmittel (50) Abstrahlzeiten für denselben Audioinhalt für Schallwandler (1 1 ) in einer horizontalen Anordnung (10) im Schallwandler-Feld (100) in Abhängigkeit von einer ersten virtuellen Schallquelle (1 ) bestimmt werden, und für Schallwandler (1 1 ) in einer vertikalen Anordnung (20) im Schallwandler-Feld (100) in Abhängigkeit von der mindestens einer zweiten virtuellen Schallquelle (2) bestimmt werden und b) mit dem Rechenmittel (50) Abstrahlzeiten (ti) für denselben Audioinhalt für die Schallwandler (1 1 ) durch ihre Distanz zur mindestens einen ersten virtuellen Schallquelle (1 ), unabhängig von einer vertikalen Position der mindestens einen virtuellen Schallquelle (1 ) und dem jeweiligen Schallwandler (1 1 ) bestimmt werden, und dass c) zu diesen berechneten Werten die Laufzeit (t2) zu dem jeweiligen Schallwandler (1 1 ) addiert wird, die sich aus der Distanz des jeweiligen Schallwandlers (1 1 ) zu der mindestens einen zweiten virtuellen Schallquelle (2), ungeachtet der jeweiligen horizontalen Position der mindestens einen ersten virtuellen Schallquelle (1 ) und dem jeweiligen Schallwandler (1 1 ) ergibt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenmittel (50) mehrere Wellenfronten (30) mit gleichem Signalinhalt gleichzeitig aus zwei getrennten virtuellen Schallquellen (1 , 2) für die Azimut- und Elevationsebene vertikal gestaffelt im Schallwandler-Feld (100) erzeugt.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der gestaffelten Ebenen ein eigener Eingangskanal zugewiesen ist, so dass sich die Schalldruckpegel und Frequenzgänge in den einzelnen Beams mit gleichem Signalinhalt unabhängig voneinander einstellen lassen.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Beams in der Elevationsebene (E) unterschiedliche vertikale Öffnungswinkel aufweisen, wodurch die Größe der einzelnen Versorgungsbereiche (A, B, C) zueinander angepasst wird, um in allen Bereichen die maximal verfügbare Membranauslenkung der einzelnen Schallwandler (1 1 ) nutzen zu können.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenmittel (50) die vertikale Krümmung der Wellenfronten (30a, 30b, 30c, 30d) in verschiedene Frequenzbereiche aufteilt, wobei insbesondere nur der innere Bereich (102) im vertikalen Zentrum des Schallwandler- Feldes (100) mit Schallwandlern (1 1 ) bestückt ist, die den oberen Frequenzbereich des Audiosignals abstrahlen, wobei die Krümmung der Wellenfront (30a, 30b, 30c, 30d) in diesem Frequenzbereich von einer eigenen, sekundären virtuellen Schallquelle (2a, 2b, 2c, 2d) so bestimmt wird, dass ihre Wellenfronten (30a, 30b, 30c, 30d) im beschallten räumlichen Bereich (200) die gleiche vertikale Begrenzung aufweisen wie die Wellenfront der außen liegenden Schallwandler (1 1 ) für denselben Beam.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitausgleich zwischen den Wellenfronten (30a, 30b, 30c, 30d) der verschiedenen
Frequenzbereiche so ausgebildet ist, dass die durch die unterschiedlichen Distanzen der zweiten virtuellen Schallquellen (2a, 2b, 2c, 2d) zum Schallwandler-Feld (100) für die verschiedenen Frequenzbereiche bedingten Zeitfehler zwischen den Wellenfronten der verschiedenen Frequenzbereiche desselben Signals an den Grenzen des Versorgungsbereiches des jeweiligen Beams dadurch halbiert werden, dass die virtuelle Schallquelle für das untere Frequenzband nach der Korrektur des Zeitunterschiedes in der Mitte der Wellenfront nochmals um die Hälfte des Unterschiedes beider Krümmungsradien an der Grenze des Versorgungsbereiches in Richtung der zweidimensionalen Schallwandler-Anordnung verschoben wird.
15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechenmittel (50) die im modellbasierenden Ansatz der Wellenfeldsynthese bestimmten Verzögerungszeiten und Pegel des Audiosignals in Impulsantworten umgerechnet werden, mit denen Schallwandler (1 1 ) eines auf die Faltung des Audiosignals in Impulsantworten basierenden Wellenfeldsynthese ansteuerbar sind.
16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenmittel (50) die Krümmungen der Wellenfronten (30a, 30b, 30c, 30d) in der Elevationsebene und die Krümmungen derselben Wellenfronten in der Azimut-Ebene unterschiedlich ausbildet, wobei unterschiedlich weit vom Schallwandler-Feld (100) entfernte virtuelle Schallquellen (1 , 2) für die Berechnung der Verzögerungszeiten und / oder des Pegels des gleichen Audiosignals für jeden einzelnen Schallwandler (1 1 ) des Schallwandler-Feldes (100) als Bezugspunkt für die Berechnung der Verzögerungszeiten in Azimut- und Elevationsebene herangezogen werden, wobei die Lokalisation der nahe gelegenen ersten virtuellen Schallquelle (1 ) für die Lokalisation des Schallereignisses in der Azimut-Ebene maßgeblich ist und die weiter entfernte, zweite virtuelle Schallquelle (2, 2a, 2b, 2c, 2d) die Krümmung und Ausrichtung derselben Wellenfront in der Elevationsebene bestimmt.
17. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren mindestens eines des Verfahrens nach den Ansprüche 9 bis 16 auszuführen.
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