WO2023280982A1 - Verfahren und vorrichtung zur beschallung mindestens eines publikumsbereiches - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur beschallung mindestens eines publikumsbereiches Download PDF

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WO2023280982A1
WO2023280982A1 PCT/EP2022/068913 EP2022068913W WO2023280982A1 WO 2023280982 A1 WO2023280982 A1 WO 2023280982A1 EP 2022068913 W EP2022068913 W EP 2022068913W WO 2023280982 A1 WO2023280982 A1 WO 2023280982A1
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sound
sound transducer
transducer arrangement
transducers
vectors
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PCT/EP2022/068913
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English (en)
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Evert W. START
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Holoplot Gmbh
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • 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
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for sound reinforcement of an audience area with the features of claim 1, a method for determining delay times ⁇ i for operating sound transducers with the features of claim 16, a computer program product with the features of claim 30 and a device for sound reinforcement of at least one Public area with the features of claim 31.
  • a typical application are so-called line arrays, which are arranged e.g. on the left and right above a stage front. Its curvature is tuned to the audience area so that the emitted wavefront in the elevation plane is aligned with the more distant audience areas. At this time, almost a cylindrical wave is generated around this part of the speaker assembly.
  • the surface of a cylinder increases linearly with its radius, which is why the sound pressure decreases by 3 decibels for every doubling of distance.
  • the greater curvature of the transducer surfaces requires a larger vertical opening angle.
  • the wavefront is almost a sector of a sphere.
  • the surface of a sphere that increases squarely with the radius causes a drop in sound pressure of 6 dB with every doubling of distance.
  • the differences in sound pressure between the front and rear audience areas are significantly reduced due to the rapid sound pressure drop in the close-up range and the longer-reaching cylinder wave for the distant seats.
  • the directional characteristic can only be adjusted in the elevation plane even with this improved radiation, the sound field remains only roughly tailored to the given audience area.
  • the radiation is only given by the mechanical alignment of the loudspeaker group.
  • the audience area can be adjusted by selecting speaker elements with a broader or narrower horizontal directional characteristic.
  • Loudspeaker fields such as those available for audio reproduction based on the principle of wave field synthesis (as, for example, in WO2015036845A1), are significantly more flexible.
  • each sound transducer is operated on a separate power amplifier.
  • the superposition of the elementary waves of each individual sound transducer results in a wave front that reconstructs a spherical section of the wave front of a real sound source.
  • the center of this spherical section is the virtual sound source of the wave field synthesis.
  • the boundaries of the spherical section are determined by the size of the transducer field in conjunction with the position of the virtual sound source.
  • the aim of the proposed solution is a method for irradiating an audience area with sound using a sound transducer arrangement, which brings about an improved adaptation of the radiation characteristics to the audience area.
  • the proposed solution relates to a method for providing sound to at least one audience area using a sound transducer arrangement with a large number of sound transducers.
  • Sound transducer arrangement radiate - in operation - from elementary waves that are superimposed to form a common wavefront. Whenever the radiation of elementary waves from the sound transducers is mentioned in the following, the acoustic center of the sound transducers is meant.
  • the at least one sound transducer arrangement and the audience area are assigned to a common coordinate system, in particular a Cartesian coordinate system.
  • the coordinate system on the side of the at least one sound transducer arrangement serves in particular to determine starting points for position vectors s i which, together with direction vectors r i , determine the emission of the sound from the at least one sound transducer arrangement.
  • the coordinate system thus links the at least one sound transducer arrangement and the at least one audience area.
  • the position vectors s i can be stored in the form of a list, for example.
  • the method starts from an assignment of points of the coordinate system to points in at least one audience area and accordingly assigns a position vector r i .
  • the position vector r i thus points to a specific location in the audience area 3.
  • Positions of the individual transducers can be determined
  • Direction vectors in particular normalized direction vectors determine the emission direction of the wavefront in the area of the respective
  • delay times ⁇ j are now determined for the sound transducers, with which elementary acoustic waves are then radiated.
  • the delay times ⁇ j of the sound transducers are selected in such a way that the local direction of the common wavefront corresponds to the direction of the directional vector, in particular the normalized directional vector.
  • the sound transducers of the at least one sound transducer arrangement are thus each operated with a specific delay time ⁇ j .
  • the delay time ⁇ j of a sound transducer determines the point in time at which an elementary wave is generated at the relevant sound transducer.
  • the delay times ⁇ j of the individual sound transducers in relation to the input signal can be determined.
  • each sound transducer will be assigned an individual delay time ⁇ j .
  • the delay times of the individual sound transducers can fundamentally differ, although some sound transducers can also be operated with the same delay time ⁇ j .
  • the totality of the delay times with which the individual sound transducers of the sound transducer arrangement are operated influences the shape of the common wave front, which is generated from the individual sound transducers composed of elementary waves.
  • Delay times ⁇ j the shape of the common wavefront can be determined.
  • complex-shaped wave fronts can be generated by specific choices of the delay times ⁇ j .
  • the different delay times ⁇ j in the sound transducer arrangement result in a correspondingly shaped wave front, for example with different curvatures.
  • the wavefront formed by the elementary waves is no longer a spherical section, as is generated by a virtual sound source with a two-dimensional wave field synthesis sound transducer arrangement.
  • stronger curvatures and flatter curved areas result.
  • the convex curvature of the wavefront is usually less in the direction of the more distant spectator seats, a greater curvature in the direction of the front spectator seats causes the sound pressure level to drop more quickly with distance and distributes the energy over a larger audience area.
  • the delay times ⁇ j of the individual sound transducers can be determined in such a way that the common wave front adapts to the geometry of the audience area.
  • the local directions of the wave front are controlled by the delay times ⁇ j .
  • the same number of grid points (ie the coordinate system in the area of the sound transducer arrangement) of the sound transducer arrangement and thus also of sound transducers is assigned to the irregularly shaped wavefront that is created in this way for the same size of the audience area.
  • such a wave front differs fundamentally from the spherical section of a point-shaped virtual sound source of wave field synthesis, in which the audience area supplied by the same number of sound transducers increases steadily with distance.
  • the local direction of the common wavefront at a position on the wavefront describes the direction in which the common wavefront propagates at the respective position.
  • the local direction of the common wavefront can be described in each case by the directional vector that is perpendicular to the respective point on the common wavefront.
  • the directional vector describes a local propagation direction of the common wavefront when the wavefront moves perpendicular to the directional vector.
  • Adaptation of the common wave front to the geometry of the at least one audience area is made possible by a determinable assignment which assigns a position in the audience area to the position vectors s i (which can be assigned to individual wave transducers, for example) corresponding to a position vector r i .
  • the respective assignment results in normalized ones
  • Direction vectors The delay times ⁇ j are then in each case like this chosen such that the local direction of the common wavefront at the position in the audience area described by the position vector r i corresponds to the direction of the directional vector.
  • local propagation directions of the common wavefront given by the normalized direction vectors.
  • the sound transducers of the at least one sound transducer arrangement can be arranged on or in one plane.
  • the sound transducers of the sound transducer arrangement can be arranged on or in an at least partially curved surface.
  • the arrangement can be grid-like, for example.
  • the distances between the sound transducers can be uniform.
  • the distances in a first direction, in particular in the vertical direction, and/or the distances in a second direction, in particular in the horizontal direction can correspond in each case or result in a regular sequence of distance sizes.
  • the geometric shape in or on which the sound transducers are arranged can be complex.
  • the transducers may lie on a flat surface, with other transducers of the same array of transducers lying on a curved surface. Different parts of the surface can also have different radii of curvature.
  • the sound transducers of the at least one sound transducer arrangement are arranged in a three-dimensional area, in particular a room.
  • the arrangement of the individual sound transducers can be determined starting from a reference surface, for example a plane or a curved surface, with at least a subset of the sound transducers of the at least one sound transducer arrangement being arranged on the reference surface and the positions of the remaining sound transducers of the at least one sound transducer arrangement can be determined by a spatial offset in the three-dimensional area.
  • the operation of the sound transducer - which is assigned to the position vector s i - with a delay time ⁇ j can be carried out by activation using a computer system.
  • the control can be influenced digitally with a delay time ⁇ j , or it can be brought about by a digital control.
  • the delay times can be in the order of milliseconds.
  • the time difference is usually only a few microseconds, so that the overall system requires a very stable system clock.
  • the delay time with which a sound transducer is operated can be influenced mechanically or geometrically.
  • the delay time of a sound transducer can be controlled by means of a spatial offset, in particular in the direction of emission of the sound transducer arrangement, relative to other sound transducers of the sound transducer arrangement.
  • the audience area can at least partially have a planar or concave and/or at least partially convex shape.
  • the audience area can be described as a continuous area or as a non-continuous area consisting of at least two contiguous parts.
  • An example of an audience area made up of several areas is the large hall of the skillse, Berlin or an opera hall with several tiers.
  • the audience area can also be represented by a set of coordinate points.
  • the position vectors s i which are assigned to the sound transducers of the sound transducer arrangement, can result in a regular grid.
  • the position vectors can result in a regular grid on the reference area R assigned to the audience area.
  • the assignment which assigns a point in the audience area to each position vector s i in the sound transducer array according to the position vector r i , can be determined by means of connecting lines from the sound transducer arrangement to the audience area.
  • the connecting line as a half straight line starting from the position vector s i , which intersects the audience area or the reference surface R assigned to the audience area.
  • a position vector r i can then be assigned to the sound transducer, which results from the intersection of the half-line with the audience area or the reference surface R i assigned to the audience area.
  • the levels with which the sound transducers of the at least one sound transducer arrangement are operated can be determined using a relative amplification factor, in particular based on the specification where n i is the normal to the reference surface S at the position vector s i describes.
  • the transducers By operating the transducers according to their relative gains it is guaranteed that the sound pressure level at the receiver position r i is independent of the angle of the directional vector d i to the normal n i . This ensures a homogeneous volume in the audience area to be covered with sound.
  • the proposed solution includes a method for determining delay times ⁇ j for a sound transducer arrangement with a large number of sound transducers j for generating elementary waves according to the delay times ⁇ j for sound irradiation of at least one audience area.
  • the method comprises the steps of determining a coordinate system, by means of which the at least one sound transducer arrangement is approximately described as a reference area S and the audience area is approximately described as a reference area R; the determination of position vectors s on the reference surface S of the at least one sound transducer arrangement, from which the positions of the sound transducers of the at least one sound transducer arrangement can be determined; the determination of normalized direction vectors starting from the position vectors s, where the normalized direction vectors on the reference surface R of the audience area are directed and the determination of delay times ⁇ j for sound transducer j, so that the elementary waves of the sound transducers of the sound transducer arrangement are superimposed during operation according to the delay times ⁇ j to form a common wavefront, with the normalized directional vectors describe local propagation directions of the common wavefront.
  • the common wavefront propagates essentially perpendicularly to the normalized directional vectors.
  • the normalized direction vectors describe the propagation of the common wavefront.
  • the common wavefront is normalized by a suitable choice of the directional vectors adaptable to the geometry of the public area.
  • the relative amplification factors can be used to adjust the sound levels for at least a subset of the position vectors s according to the rule be determined, wwoobbeeii nn eeiinnee NNoorrmmaallee zzuu the reference surface S of the sound transducer arrangement at the point determined by the position vector s and the normalized direction vector based on the position vector s.
  • the position vectors s can correspond to the positions of the transducers on the
  • Sound transducer arrangement correspond in whole or in part, in any case there is a spatial assignment between the physical positions of the individual sound transducers in the at least one sound transducer arrangement and the position vectors s i for defining coordinates in the area of the at least one sound transducer arrangement.
  • the number of position vectors s can the number of sound transducers
  • Sound transducer arrangement correspond or be different from this.
  • the number of position vectors s can be higher than the number of
  • the position vectors s can describe crossing points of an auxiliary grid described on the reference surface S of the at least one sound transducer arrangement. However, position vectors s do not have to lie on all crossing points of the auxiliary grid.
  • the auxiliary grid can describe a rectangular plane, for example.
  • the number of grid lines in the horizontal and/or vertical direction can each correspond to a number of rows and/or columns of sound transducers in the sound transducer arrangement. However, the number of grid lines in the horizontal and/or vertical direction can also be greater than the number of rows and/or columns of sound transducers in the sound transducer arrangement.
  • the method can also include a determination of position vectors r on the reference area R of the audience area, a position vector r being assigned to a position vector s in each case. The assignment can be made by means of a connecting line from the position vector s to the position vector r, on the basis of which the normalized direction vector can be determined. In particular, the direction vector can be used in each case by means of the calculation rule be determined.
  • the entirety of the connecting lines is such that they do not cross or intersect in pairs. In particular, no connecting line intersects the other connecting lines.
  • the assignment of the position vectors s to the position vectors r can take place automatically, in particular using a 3D CAD file of the public area. This can be done using a suitable mapping method. In particular, points and/or areas of the reference surface of the audience area can be left out during the assignment, for example those that correspond to areas of the audience area that should not be hit by the common wavefront.
  • the position vectors r can be evenly distributed on the reference area R of the audience area. This allows them to correspond to evenly spaced points in the audience area. An even distribution of the points is ensured, for example, by the fact that every two adjacent points have the same distance from one another.
  • the reference area R of the audience area can be described by an auxiliary grid.
  • the position vectors r can at least partially correspond to crossing points of the auxiliary grid.
  • the reference surface S of the sound transducer arrangement can be described by an auxiliary grid on which the position vectors s at least partially correspond to crossing points.
  • Such an auxiliary grid is particularly important for the numerical treatment, since, for example, numerical integrations can easily be carried out using the trapezoidal rule.
  • Auxiliary grids on the reference surface S of the at least one sound transducer arrangement and auxiliary grids on the reference surface R of the audience area can be converted into one another. In particular, they can have the same number of lines in the horizontal and/or vertical plane.
  • the reference surface S of the at least one sound transducer arrangement can be a plane or, for example, an at least partially curved surface.
  • a curvature of the reference surface S of the sound transducer arrangement in the horizontal direction can differ from a curvature in the vertical direction.
  • the delay times ⁇ (u, v) can be determined by means of numerical integration of the discrete 2D vector field [ ⁇ u ⁇ ⁇ v ⁇ ].
  • Vector field [ ⁇ u ⁇ ⁇ v ⁇ ] according to the rules respectively based on tangent vectors s u and s v of the reference surface S of the transducer array, the normalized directional vectors and the Speed of sound c can be determined.
  • the vector field can then be integrated using a numerical integration method.
  • the function ⁇ (u, v) obtained by means of the integration then describes the desired delay times.
  • the values of the function ⁇ (u,v) describe the delay times at the position vectors s(u,v). For each individual combination of the parameters u and v, s(u, v) defines a separate position s i . Then the delays at the driver positions can be determined by spatial interpolation.
  • the calculated time is then executed with the time of the closest sample given by the sampling frequency of the overall system.
  • the desired delay times are described by a function ⁇ (u, v) whose gradient has the two-dimensional vector field [ ⁇ u ⁇ ⁇ v ⁇ ], the components ⁇ u ⁇ and ⁇ v ⁇ being given as above.
  • a wavefront can be viewed as a kind of relief that assigns a height to each grid crossing point at that point.
  • the gradient at that point is a vector pointing in the direction of greatest elevation gain. The magnitude of this vector indicates the greatest slope at that point.
  • the speed of sound c can depend on the location, e.g. if there is a higher temperature in a higher area of the sound propagation range, which influences the speed of sound.
  • the speed of sound can also depend on the location, which is then included in the calculation.
  • the numerical integration method may include the Composite Trapezium method, the Simpson method, the Romberg method, or the more advanced inverse gradient method.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the wave front of a virtual sound source of the wave field synthesis in a two-dimensional sound transducer arrangement
  • 2 shows a schematic representation of the wave front of a form of the wave front of a two-dimensional sound transducer arrangement adapted according to the invention to the audience area;
  • 3 shows the determination of normal vectors on a curved reference surface of a sound transducer arrangement;
  • FIG. 5 shows the formation of a local directional vector of the wave front, which arises from surrounding elementary waves starting from a sound transducer and shows the audience area;
  • FIG. 7 shows an embodiment in which the audience area is divided into individual sub-areas with different signal content
  • Fig. 8 adapted sound transducer assembly for a non-variable
  • FIG 9 shows an embodiment with a mechanically curved sound transducer surface.
  • WFS wave field synthesis
  • the sound transducers of the sound transducer arrangement 11 generate elementary waves 8 which are superimposed to form a common wave front 4 .
  • the common wave front 4 is created as if it were emanating from a virtual sound source 12 . Accordingly, the surface corresponds to that of the
  • Rectangles 105 are divided, which represent the proportions of elementary waves 8 generated in approximately the same number of sound transducers of the sound transducer arrangement 1 in the common wave front 4 .
  • the respective partial area 105 which is assigned to a given number of sound transducers of the sound transducer arrangement 1, is approximately the same size.
  • the sound pressure is evenly distributed on the surface of the wave front 4 at the same point in time.
  • the public areas 106 assigned to these subsections have very different sized areas over which the same energy of the assigned spherical wave section is distributed.
  • the sound pressure levels in the various parts of spectator area 3 are correspondingly different.
  • the virtual sound source 12 is located behind the sound transducer arrangement 1 in FIG. 1 .
  • the position of the virtual sound source 12 determines both the curvature of the common wavefront 4 and the direction in which it propagates. If the virtual sound source 12 is arranged close to the sound transducer arrangement 1, the coverage area is wide and the curvature of the common wavefront 4 is strong. The surface of the common wavefront 4 grows correspondingly quickly with distance, and the sound pressure level therefore decreases quickly.
  • the position of the virtual sound source 12 is therefore a compromise between a wide coverage area and an acceptable sound pressure drop in the back rows of the audience to be covered
  • Audience area 3 As is also clear from FIG. 1, the same number of transducers of the transducer arrangement 1 supplies a portion of the audience area 3 to be covered with sound that increases significantly with distance, and the sound pressure drops accordingly here. In addition, it becomes clear that surfaces outside of the audience area 3 to which sound is to be applied are also unintentionally hit by the common wave front 4 in the entire service area 10 .
  • the audience area 3 at the event location is in principle predetermined; in practice, its shape and size can hardly be adapted to the acoustic requirements for high-quality sound reinforcement. Only rarely is the area to be supplied a flat rectangle. Often the area is asymmetrical and rises more in the back areas to ensure a clear view of the stage.
  • the position of the two-dimensional sound transducer arrangement 1, which can work according to the principle of wave field synthesis, is also specified in principle because the sound source is to be localized in the area of the stage.
  • FIG. 2 shows a sound transducer arrangement 1 with a large number of sound transducers.
  • An audience area 3 is exposed to sound by means of the sound transducer arrangement 1 .
  • the individual sound transducers 9 of the sound transducer arrangement 1 each emit elementary waves 8 which are superimposed to form a common wave front 4 .
  • the sound converters 9 of the sound converter arrangement 1 are operated with individual delay times ⁇ j , ie the sound converters 9 emit elementary waves 8 at individual delay times.
  • Sound transducer arrangement 1 with the individual delay times ⁇ j forms the common wavefront 4.
  • the common wavefront 4 can be shaped by operating with individual delay times ⁇ j in such a way that it is adapted to the geometry of the audience area 3 .
  • the sound transducer arrangement 1 and the audience area 3 are assigned to a common coordinate system 2 in which the positions of the individual sound transducers of the sound transducer arrangement 1 are determined by position vectors s i .
  • the exact delay times of the individual sound transducers can be determined by interpolation from the calculated delay times of the surrounding crossing points of the auxiliary grid if the sound transducers are not arranged exactly at the point of origin of a position vector s i .
  • the sound transducer assigned to these position vectors s i is driven with the individual delay time ⁇ j to emit elementary waves 8 .
  • the individual delay times ⁇ j der differ
  • Sound transducer 9 with each other, but they can also at least partially match.
  • the delay times ⁇ j are determined by means of an assignment which assigns a crossing point of an auxiliary grid 6 in the public area 3 to each crossing point of the auxiliary grid 5 .
  • this assignment assigns the Sound transducer 9 with position vector s i to a point in the audience area 3 corresponding to a position vector r i .
  • the normalized direction vectors in the cuboid 60, starting from the position vectors s i are each through the
  • the delay times ⁇ j of the sound transducer determined with the aid of the associated position vectors s i are then selected in each case such that the local direction 50 of the common wavefront 4 at the position vector r i corresponds to the direction of the normalized direction vector 61 in each case.
  • Direction vectors 61 the shape of the common wavefront 4.
  • local directions 50 of the common wavefront 4 can be determined by the directional vectors 7.
  • the normalized direction vectors 61 are each perpendicular to the common wavefront 4.
  • the common wave front 4 can be shaped in such a way that it adapts to the geometry of the audience area 3 by a suitable choice of assignment (see FIG. 6)—and thus of the normalized direction vectors 61 . This is done by assigning the grid points.
  • the wave front 4 is then formed in such a way that approximately the same number of sound transducers of the sound transducer arrangement 1 is assigned to equally large partial areas 106 of the audience area 3 .
  • the corresponding partial areas 105 of the wave front 4 then have a different size at the same point in time.
  • the upper section in the sketch is still significantly smaller than the lower section.
  • the sound pressure within the same wavefront is significantly higher in this area than in the lower part intended for the nearby spectator seats.
  • Fig. 3 shows a reference surface 30 S, which the transducer assembly 1 in one
  • Coordinate system 2 modeled.
  • Coordinates for the individual sound transducers 9 of the sound transducer arrangement 1 in 3D space can be determined by means of the reference surface 30S, in particular by means of the auxiliary grid 5.
  • a normal 202 n on the reference surface 101 S at s(u,v) is by definition a normal to the tangent plane spanned by the tangential vectors 201 s u and s v , given by the partial derivatives of s(u, v), where
  • the sound transducers 9 of the sound transducer arrangement 1 themselves do not have to be mounted at the crossing points of the auxiliary grid 5; their respective delay and level are interpolated in three-dimensional space at the crossing points.
  • the curvature of the reference surface 30 S and of the auxiliary grid 5 can be different in the azimuth plane than in the elevation plane; it is also possible to curve the auxiliary grid 5 in only one plane.
  • the reference surface 30 S of the sound transducer arrangement 1 will usually be a flat surface and thus the auxiliary grid 5 will be a flat auxiliary grid. This corresponds to the case where the sound transducers 9 are mounted essentially in a two-dimensional arrangement.
  • a flat surface is considered a special case of a curved surface.
  • auxiliary grid 5 of a sound transducer arrangement 1 shows the assignment of the auxiliary grid 5 of a sound transducer arrangement 1 to an auxiliary grid 6 in the audience area 3.
  • the approach presented here works not from the position of a virtual sound source (as shown in FIG. 1), but from the given geometry of the audience area 3 to be filled with sound and the geometry of the sound transducer arrangement 1.
  • the audience area 3 to be filled with sound can be of any shape, flat, curved or also rising.
  • 4 shows an irregularly shaped audience area 3 to be covered with sound, which in particular is not symmetrical and rises more steeply in the rear area on the right than on the left.
  • a common wave front 4 can be generated, the shape of which is adapted to the geometry of the audience area 3 to be covered with sound.
  • a coordinate system 2 is determined to solve the problem.
  • the coordinate system 2 is assigned coordinate points distributed over the audience area 3 to be filled with sound.
  • these coordinate points are arranged in the audience area 3 at the crossing points of an auxiliary grid 6, but they can also be distributed in the audience area 3 by other mapping methods.
  • an auxiliary grid 5 is assigned to the coordinate system 2, by means of which the positions of the sound transducers 9 of the sound transducer arrangement 1 can be determined.
  • the auxiliary grid is shown in FIG. 3 as a flat, regular auxiliary grid. In principle, however, the auxiliary grid can also be curved, i.e. have curved lines. In principle, the auxiliary grid 5 can be arranged on a reference surface, through which the sound transducer arrangement 1 is modeled.
  • the number of coordinate points in the audience area 3 corresponds to the number of crossing points of the auxiliary grid 6.
  • each crossing point of the auxiliary grid 5 can be assigned a coordinate point of the auxiliary grid 6 in the audience area 3.
  • the distribution of the coordinate points should be about the entire audience area 3 with the most uniform possible distances between the individual coordinate points.
  • a coordinate point with the position r(x,y,z) in the audience area 3 is assigned to each crossing point of the grid 5 .
  • the connecting line 7 between the crossing points of the auxiliary grid 5 and its associated coordinate point in the audience area 3 then forms a vector in the coordinate system 2, which is the basis for calculating the runtime and level of the audio signal.
  • the illustrated flat auxiliary grid 5 of the sound transducer arrangement 1 has the shape of a rectangle whose aspect ratio is the same as that of the planned sound transducer arrangement 1, for example in the form of a sound transducer array. It should have at least as many crossing points as there are sound transducers 9 in the sound transducer arrangement 1 . In principle, the aspect ratio is not defined, so that it would also be possible to set up a single line of sound transducers if this is appropriate for the given spatial situation in audience area 3.
  • the distance between the grid lines of the auxiliary grid 5 can be horizontal and vertical
  • Level may be different, but should at least correspond to the number of rows and columns of the two-dimensional transducer array 1.
  • the acoustic transducers 9 of the acoustic transducer arrangement 1 can be mounted with their acoustic center in the crossing points of the auxiliary grid 5 . However, their position can also deviate from these crossing points, with their respective propagation times and levels being determined by interpolating the values calculated for the surrounding grid points.
  • a higher number of grid lines improves the accuracy of the interpolation.
  • a smaller number of raster lines means that the wavefront is not uniformly curved, but rather consists of planar sub-areas. The resulting diffraction effects lead to local irregularities in the frequency response.
  • the auxiliary grid 6 laid over the audience area 3 completely encloses it.
  • the form of the auxiliary grid 6 is adapted to the public area 3 . In principle, this can be done manually. In practice, however, several hundred to several thousand raster points are necessary so that the distance between the sound transducers 9 is sufficiently small to achieve reproduction that is largely free of audible aliasing effects.
  • the small number of grid lines in the sketches is used to explain the functional principle for clarity.
  • a visualization in a 3D CAD file makes it easier to switch off unoccupied audience areas 3.
  • the calculations remain basically unchanged, only the sound transducers that are assigned to unoccupied audience areas 3 are not supplied with a signal. This results in a lower diffuse field sound level at the venue, which contributes to better speech intelligibility in the occupied audience areas 3 .
  • FIG. 5 illustrates by way of example how the local curvature 50 of the wave front 4, which does not have to be a spherical section according to the method described, arises from the superposition of the elementary waves 8 of the surrounding sound transducers 9.
  • the acoustic Centers of the sound transducers 9 are mounted on the crossing points of the auxiliary grid in the example for simplification.
  • the individual sound transducer 9 shown in black in the sketch has non-directional half-space radiation. Accordingly, the elementary wave 8 generated by it alone cannot form a directional vector.
  • the local directional vector d of the wave front assigned to it only arises at some distance from the sound transducer arrangement 1 through superposition of the elementary waves 8 of the surrounding sound transducers.
  • the point described by the vector r lies on a crossing point of the auxiliary grid 6 of the audience area 3.
  • the direction vector 7 d can also be determined without the aid of the auxiliary grid 5 and 6 .
  • the direction vector 7 d is based on a position vector s on a reference surface 30 S, which models the sound transducer arrangement 1, and points to a position vector r in the audience area 3, or to a position vector r, which is a point on an audience area 3 modeling Reference surface R 30 describes.
  • a method is described below for deriving delay times and levels for the individual sound transducers 9 from given direction vectors 7 so that the superposition of their elementary waves 8 is superimposed to form a wave front that is consistently aligned with the given audience area 3 .
  • the direction vector 7d selected as an example from Fig. 4 is set to the length of the normalized direction vector 61 attributed to the as is defined.
  • the desired wavefront generated by the acoustic transducer arrangement 1 in particular in the form of a curved or planar array, can be locally approximated by a planar wave propagating along (ie locally in the direction of) the normalized directional vector 61 .
  • Any local plane wave can enter the desired direction by operating the sound transducers 9 of the sound transducer arrangement 1 according to the corresponding delay times of the signal.
  • the delay time ⁇ j at each position s(u,v) on the reference surface 30 S of the sound transducer arrangement 1 is described by the scalar delay function ⁇ (u,v).
  • the deceleration gradient can be determined in the following way:
  • the scalars can be represented physically as the local differentials of the path lengths between the plane wave and the tangential plane of the transducer array 1 can be interpreted.
  • the relative gain for each position in the baffle assembly 1 is given by the scalar product of normalized direction vector 61 and normal n according to the equation where the normal n is defined as in equation (2).
  • Operating the sound transducers 9 according to the relative amplification factors ensures that the sound pressure level at the receiver position r is independent of the angle of the directional vector d to the normal n.
  • FIG. 7 shows that the audience area 3 to be covered with sound can also be divided into individual partial areas 701, 702, 703 with different signal content.
  • Acoustic transducer arrangement 1 are allocated. However, a clearly targeted sound reinforcement results when the high directivity of the entire arrangement is used to align the signal content to the desired audience areas 3 .
  • the number of crossing points 6 then corresponds to the number of crossing points 5 of the auxiliary grid of the sound transducer arrangement 1 .
  • the division into sub-areas does not make sense if the sub-areas are not sufficiently separated spatially. With a coherent signal content, comb filter effects would then arise at the range boundaries.
  • Individual sub-areas can also be smaller than the associated sound transducer 9 area, provided that the crossing points of the auxiliary grid in the audience area 3 are closer together than in the auxiliary grid of the sound transducer arrangement 1. In this case, concave wave fronts arise, the sound pressure level of which is higher in the audience area 3 than at the generating one radiator surface itself.
  • Wavefront as in a two-dimensional transducer array 1 after Principle of wave field synthesis with a virtual sound source at this point arises.
  • Audience area 3 it is also possible to compensate for the sound pressure drop at higher frequencies by airborne sound insulation.
  • the frequency-dependent attenuation values of the air per meter are known exactly.
  • a corresponding inverse equalization curve can then be assigned to each sound transducer 9 because the distance to the associated audience seat (given by the length of the directional vector d in FIG. 5) is known.
  • the sound pressure drop at the upper limit of the audio range can rise well above ten dB in dry air.
  • this frequency range has to be driven much higher in a flat sound transducer arrangement 1 because the gain in level due to the improved adjustment of the synchronously working loudspeaker group only takes effect at longer wavelengths.
  • the additional compensation of the airborne sound insulation for the distant audience areas 3 can therefore push the system to the limit of its controllability at high signal levels in the upper audio frequency range.
  • a solution to this problem is to arrange the coordinate points r with the distance to the sound transducer arrangement 1 closer to one another.
  • a smaller partial area 106 is then assigned to the far away audience areas 3 of the same number of sound transducers 9 .
  • Each halving of the area causes a level increase of 3 dB, by which the activation of the associated sound transducer 9 would have to be reduced so that the sound pressure level in the entire audience area 3 remains almost the same.
  • the correspondingly reduced drive signal is associated with greater headroom in the associated amplifiers. This can then be used to equalize the control signals more.
  • the localization of the sound source differs fundamentally from the localization of a virtual point sound source of wave field synthesis.
  • Virtual sound sources are used in wave field synthesis basically independent of the position of the listener in the coverage area, comparable to a real sound source, localized at its virtual starting point.
  • the wavefront tailored to audience area 3 does not emanate from defined positions of virtual sound sources. It arises, as it were, from an extended source of many different starting points in the area behind the transducer surface.
  • the viewer in the front left seat in Fig. 2 will associate the starting point of the wavefront in the lower left corner of the transducer array 1, for the viewer on the right rear the sound comes from the upper right corner of the transducer array 1. This is for playback without optical Reference to the sound source is not a disadvantage, but spatial reproduction is only possible to a limited extent, as shown in FIG.
  • the method can be assigned to the field of wave field synthesis, because it is possible to generate any shape of the wave front from the theoretical derivation of wave field synthesis from the Kirchhoff-Helmholtz integral (Jens Ahrens: The Single-layer Potential Approach Applied to Sound Field Synthesis Including Cases of Non-enclosing Distributions of Secondary Sources, Dissertation, Technische (2015) Berlin, 2010).
  • the sound converters 9 of the sound converter arrangement 1 are arranged in a regular grid. In practice, however, the distribution of the sound transducers 9 can also be irregular.
  • the propagation times ⁇ are calculated for a sufficiently dense regular grid, after which the propagation times for the irregularly placed sound transducers are interpolated.
  • FIG. 8 shows an audience area 3 of complex design with sub-areas 802 and illustrates a fitting of the sound transducer arrangement 1 with sound transducers 9, the fitting being adapted to the complex design of the audience area 3.
  • FIG. 8 shows an audience area 3 of complex design with sub-areas 802 and illustrates a fitting of the sound transducer arrangement 1 with sound transducers 9, the fitting being adapted to the complex design of the audience area 3.
  • the points on the sound transducer arrangement 1 and points in the audience area 3 are assigned by means of an assignment of crossing points of the auxiliary grid 5 of the sound transducer arrangement 1 to crossing points of the auxiliary grid 6 of the audience area 3.
  • crossing points of the auxiliary grid 5 are associated with sound transducers 9 of the sound transducer arrangement 1, in other words, crossing points of the auxiliary grid 5 remain unequipped. In particular, there are unpopulated crossing points between populated crossing points.
  • the shape of the sound transducer arrangement 1 can thus be adapted to the complex design and/or the geometry of the public area 3 in fixed installations. This enables more effective use of the sound transducers.
  • the auxiliary grid 6 in the audience area 3 can be a rectangle, for example, and in particular it can go beyond the audience area.
  • Irregular shapes of the auxiliary grid 6 can lead to incorrect results in the calculations according to the method described.
  • the bass-midrange sound transducers used are also aligned.
  • the calculation of their propagation times and levels is based on the nearby grid points.
  • the time difference in the event of a depth offset must be compensated for.
  • the phasing of subwoofers can also be effectively adjusted in this way. According to the method, the shortest of all calculated travel times to the individual sound transducers is taken from all calculated ones
  • Transit times are subtracted, so that the front of the wave front adapted to the audience area 3 is always generated immediately.
  • a further embodiment of the solution relates to a device which is shaped in accordance with the rules of the method described. With it, a single wavefront, the shape of which is adapted to the given listening area, can be played without Electronic time shift of the signal can be generated from a mono signal.
  • This mechanical solution can be advantageous for fixed installations in acoustically problematic environments. In this way, a sound reinforcement system can be installed with justifiable effort, which ensures a high proportion of direct sound with correspondingly good speech intelligibility even under unfavorable acoustic conditions.
  • a mechanically curved sound transducer arrangement 1 is illustrated by way of example in FIG. 9 .
  • the audience area 3 to be covered with sound which is described with reference to FIG. 4, can be supplied with a tailored common wave front 4.
  • the operation of the sound converters 9 of the sound converter arrangement 1 is implemented mechanically according to the delay times ⁇ j obtained using the method described. All sound transducers are supplied with a coherent signal, i.e. from a mono signal source.
  • the mechanical implementation is achieved by suitable positioning of the sound transducers 9 on the mechanically curved sound transducer arrangement 90, in particular by a suitable spatial offset, in particular an offset in the direction of propagation of the common wave front, of the sound transducers 9 relative to one another.
  • a distance S d is plotted, starting from the associated grid point of a flat auxiliary grid 5 along the extended diagonal of the cuboid 40 determined for the unit vector 61 .
  • the new coordinates for the acoustic center of the relevant sound transducer 9 and also its orientation can be determined in the right-angled triangles of the cuboid 40 .
  • the delay times for the individual sound transducers 9 calculated according to the methods described result from the mechanical offset of the acoustic centers of the respective sound transducers 9 along the diagonal Sd of the respective cuboid.
  • the different signal levels for the individual sound transducers 9 of this two-dimensional sound transducer arrangement 1 can then be approximately realized on a common output amplifier by suitable parallel and series connection of the sound transducers 9 or by connecting to different amplifiers, which are each assigned sound transducers 9 with approximately the same level values will.
  • the sound transducers 9 do not have any significant breaks in their spatial radiation characteristics, they do not have to be aligned in the direction of the diagonals of the cuboid.
  • the method can then also be implemented by a device for the transverse displacement of sound transducers, as is described in WO 2015/004526/A2.
  • the shift s y of the acoustic center from the grid point of the original sound transducer grid then results from the quotient
  • Spatial acoustic irradiation of the audience area 3 cannot be generated with a single mechanical device. It is suitable for ensuring, with manageable effort, a sound system in which the distribution of the sound pressure level in the entire audience area 3 is very even and which ensures high speech intelligibility even in acoustically unfavorable rooms.
  • the shape of the acoustic common wave front 4, which is composed by superposition of elementary waves 8 of the sound transducers 9, can be determined by the given geometry of the audience area 3 and the sound transducer arrangement 1 in such a way that in a common coordinate system 2 a coordinate point in the audience area 3 is assigned to each crossing point of a regular, at least partially flat and/or curved grid that is assigned to the sound transducers, whereby a vector results from their connecting line, from which the delay time for the respectively assigned sound transducer is determined by mathematical linking 9 can be calculated, giving the local curvature of the Wave front, which is created by superposition of the elementary waves 8 of the surrounding sound transducers 9, progresses in the direction of this vector, so that a closed wave front is created that can reach the entire audience area 3 and in which a level correction for each sound transducer 9 from its assigned vector is also possible , which improves the homogeneity of the sound pressure over the entire audience area 3.
  • the coordinate points in the plane of the two-dimensional sound transducer arrangement 1 are, for example, crossing points of a flat or curved grid to which coordinate points in the audience area 3 are assigned in a common coordinate system 2, with the connecting lines between the respectively assigned grid points and points in the audience area 3 do not cross or intersect.
  • the number of grid lines in the plane of the two-dimensional sound transducer arrangement 1 in the horizontal and vertical directions corresponds to the number of sound transducers installed in the rows and columns of the two-dimensional sound transducer arrangement 1 .
  • the number of grid lines can be greater than the number of sound transducers 9 in the rows and columns of the two-dimensional sound transducer arrangement 1, with the acoustic center of the individual sound transducers 9 being able to be arranged at the crossing point of the grid lines.
  • the values for the delay time and/or level can be determined, for example, by interpolating the values of the surrounding grid points, so that the reference points in the audience area 3 can be adjusted in all three spatial dimensions to the requirements of the geometry of the audience area 3, making sure that the Areas between the individual grid points remain approximately the same size over the entire audience area 3, resulting in a relatively even distribution of the sound pressure level over the entire audience area 3.
  • the vectors resulting from the difference in the coordinates of the grid point assigned to the respective sound transducer 9 in the plane of the two-dimensional sound transducer arrangement 1 to the respective position of the assigned coordinate point in the audience area 3 Components of the unit vector returned to create a mathematical basis for determining the time differences between adjacent sound transducers.
  • the influence of the angle that the synthesized wavefront assumes at a given grid point to the plane of the sound transducer arrangement 1 on the signal level perceived at the associated point in the audience area 3 is compensated for by the level of the dem each point associated sound transducer is compensated with the cosine function of the angle in question, the value of this cosine function the value of the component of the unit vector.
  • auxiliary grids in the audience area each with the same number of points as the grid in the plane of the two-dimensional sound transducer arrangement 1, can also be assigned to the crossing points of the flat or curved grid in the plane of the two-dimensional sound transducer arrangement 1, whereby partial areas within the audience area for example, can be supplied simultaneously with different signal content.
  • the reference points in the audience area 3 can be distributed more narrowly as the distance from the two-dimensional sound transducer arrangement 1 increases, for example with the intention of making the areas between the reference points smaller as the distance from the two-dimensional sound transducer arrangement 1 increases, so that the associated sound transducers 9 of the two-dimensional sound transducer arrangement 1 can be controlled at a lower level in the respective area with the same sound pressure level, which means that more headroom is available to compensate for the drop in height caused by the airborne sound insulation in these areas.
  • the influence of the airborne sound insulation on the signal at the audience seat for the individual sound transducers 9 can be compensated for by inverse equalization of the influence of the airborne sound insulation at a given humidity according to the distance
  • individual public areas 3 can be excluded from the supply, for example temporarily. For example, if they are not manned at an event, which improves the proportion of direct sound in the rest of the audience area 3.
  • the transit times with which the individual sound transducers 9 of the two-dimensional sound transducer arrangement 1 radiate according to one of the method variants described above are not due to electronic delay of the signal content, but due to the mechanical positioning of the sound transducers, which are associated with coherent signals are controlled, realized, the signal level for the respective sound transducer 9 corresponding to the values determined for the original crossing points of the grid.

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Abstract

Die Erfindung betrifft u.a.ein Verfahren zur Beschallung mindestens eines Publikumsbereichs (3) durch eine mindestens eine Schallwandleranordnung (1) mit einer Vielzahl von Schallwandlern (9), wobei die einzelnen Schallwandler (9) der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) jeweils Elementarwellen (8) abstrahlen, die sich zu einer gemeinsamen Wellenfront (4) überlagern, dadurch gekennzeichnet, dass a) die mindestens eine Schallwandleranordung (1) und der mindestens eine Publikumsbereich (3) durch ein Koordinatensystem (2) miteinander geometrisch verknüpft sind und b) zwischen den physischen Positionen der einzelnen Schallwandler (9) in der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) und Positionsvektoren zur Festlegung von Koordinaten im Bereich der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) eine räumliche Zuordnung besteht, und ferner c) eine Zuordnung von Punkten des Koordinatensytems (2) zu Punkten im mindestens einen Publikumsbereich (5) entsprechend einem Positionsvektor besteht, wobei d) sich in dem Koordinatensystem (2) Richtungsvektoren, insbesondere normierte Richtungsvektoren (61) ergeben und wobei e) in Abhängigkeit von der räumlichen Zuordung der Positionsvektoren und der Schallwandler (9) Verzögerungszeiten für die Schallwandler (1) bestimmt, mit der Elementarwellen (8) durch die Schallwandler (9) abgestrahlt werden, wobei e) die Verzögerungszeiten der Schallwandler (9) jeweils so gewählt ist, dass die lokale Richtung (50) der gemeinsamen Wellenfront (4) der Richtung des Richtungsvektors, insbesondere des normierten Richtungsvektors (61) entspricht.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Beschallung mindestens eines Publikumsbereiches
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschallung eines Publikumsbereiches mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Verfahren zur Bestimmung von Verzögerungszeiten τi zum Betreiben von Schallwandlern mit den Merkmalen des Anspruchs 16, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 30 sowie eine Vorrichtung zur Beschallung mindestens eines Publikumsbereiches mit den Merkmalen des Anspruchs 31.
Nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese (A.J.Berkhout, A Holographie Approach to Acoustic Control, J.Audio Eng.Soc, Vol. 36, No. 12, 1988) erzeugt eine Vielzahl von Schallwandlern eine Wellenfront, die einen gegebenen Publikumsbereich mit sehr gleichmäßigem Pegel in hoher Audioqualität versorgt, ohne angrenzende Reflexionsflächen zu stark unerwünscht anzustrahlen.
Mit der wachsenden Dimension der Publikumsbereiche von Großveranstaltungen steigen die Anforderungen an die Beschallungssysteme. Oft sind die Unterschiede im Schalldruck zwischen den einzelnen Zuschauerplätzen bei einer wenig gerichteten Abstrahlung der Schallwellen nicht tolerierbar, Wiedergabe, Frequenzgang und Sprachverständlichkeit leiden durch Pegelabfall, Luftschalldämmung und unerwünschte Reflexionen.
Aus diesem Grund wird mit Lautsprecheranordnungen aus mehreren
Einzelschallquellen der Schall stärker in die weiter entfernten Publikumsbereiche gelenkt. Eine typische Anwendung sind sogenannte Line Arrays, die z.B. links und rechts oberhalb einer Bühnenfront angeordnet sind. Ihre Krümmung wird so auf den Publikumsbereich abgestimmt, dass die abgestrahlte Wellenfront in der Elevationsebene auf die weiter entfernteren Publikumsbereiche ausgerichtet ist. Dabei wird nahezu eine Zylinderwelle um diesen Teil der Lautsprecheranordnung erzeugt.
Die Oberfläche eines Zylinders wächst linear mit seinem Radius, weshalb der Schalldruck bei jeder Entfernungsverdoppelung um 3 Dezibel abnimmt. Im unteren Bereich der Schallwandleranordnung bedingt die stärkere Krümmung der Wandlerflächen einen größeren vertikalen Öffnungswinkel. Die Wellenfront ist in diesem Bereich nahezu ein Kugelausschnitt. Die mit dem Radius quadratisch wachsende Oberfläche einer Kugel bedingt hier einen Schalldruckabfall von 6 dB mit jeder Entfernungsverdoppelung. Durch den schnellen Schalldruckabfall im Nahbereich und der weiter reichenden Zylinderwelle für die entfernten Plätze werden die Differenzen im Schalldruck zwischen den vorderen und hinteren Publikumsbereichen deutlich reduziert.
In den letzten Jahren werden auch Schallzeilen mit elektronischer Ansteuerung der einzelnen Schallwandler eingesetzt. Jeder Schallwandler hat dabei seinen eigenen Verstärker, der von einem Signalprozessor angesteuert wird. Mathematische Verfahren gestatten dabei eine deutlich besser an den Publikumsbereich angepasste Abstrahlung, als dies mit der mechanischen Ausrichtung einzelner Schallwandler möglich wäre. Die Krümmung der Schallwandleranordnung kann entsprechend dem Huygensschen Prinzip mit geringen Verzögerungen in der Ansteuerung der einzelnen Wandler simuliert und elektronisch angepasst werden. Jedoch sind diese Möglichkeiten bei den verfügbaren Schallzeilen auf die Elevationsebene begrenzt.
Weil die Richtcharakteristik auch mit dieser verbesserten Abstrahlung nur in der Elevationsebene angepasst werden kann, bleibt das Schallfeld nur grob auf den gegebenen Publikumsbereich zugeschnitten. In der Azimutebene ist die Abstrahlung nur durch die mechanische Ausrichtung der Lautsprechergruppe gegeben. An den Publikumsbereich kann hier allenfalls durch die Auswahl von Lautsprecherelementen mit breiterer oder schmalerer horizontaler Richtcharakteristik angepasst werden.
Deutlich flexibler sind Lautsprecherfelder, wie sie zur Audiowiedergabe nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese verfügbar sind (wie beispielsweise in der WO2015036845A1). Hier wird jeder Schallwandler an einem separaten Endverstärker betrieben. Entsprechend dem Huygensschen Prinzip setzt sich aus der Superposition der Elementarwellen jedes einzelnen Schallwandlers eine Wellenfront zusammen, die einen Kugelausschnitt der Wellenfront einer realen Schallquelle rekonstruiert. Zentrum dieses Kugelausschnittes ist die virtuelle Schallquelle der Wellenfeldsynthese. Die Grenzen des Kugelausschnittes werden durch die Größe des Schallwandlerfeldes in Verbindung mit der Position der virtuellen Schallquelle bestimmt. Ziel der vorgeschlagenen Lösung ist ein Verfahren zur Beschallung eines Publikumsbereichs durch einer Schallwandleranordnung, welches eine verbesserte Anpassung der Abstrahlcharakteristik an den Publikumsbereich bewirkt.
Die vorgeschlagene Lösung betrifft ein Verfahren zur Beschallung mindestens eines Publikumsbereichs durch eine Schallwandleranordnung mit einer Vielzahl von Schallwandlern. Die einzelnen Schallwandler der mindestens einen
Schallwandleranordnung strahlen - im Betrieb - Elementarwellen ab, die sich zu einer gemeinsamen Wellenfront überlagern. Immer wenn im Folgenden von der Abstrahlung von Elementarwellen von den Schallwandlern gesprochen wird, ist das akustische Zentrum der Schallwanlder gemeint.
Die mindestens eine Schallwandleranordnung und der Publikumsbereich sind einem gemeinsamen Koordinatensystem, insbesondere einem kartesischem Koordinatensystem, zugeordnet.
Wie im Folgenden deutlich werden wird, dient das Koordinatensystem auf der Seite der mindestens einen Schallwandleranordnung insbesondere dazu, Ausgangspunkte für Postionsvektoren si zu bestimmen, die zusammen mit Richtungsvektoren ri die Abstrahlung des Schalls von der mindestnes einen Schallwandleranordnung bestimmen. Das Koordinatensystems verknüpft somit die mindestens eine Schallwandleranordung und den mindestens einen Publikumsbereich.
Zwischen den Positionsvektoren si und den physischen Positionen der Schallwandler besteht eine räumliche Zuordnung. Im einfachten Fall liegen die akustischen Zentren der Schallwandler am Ursprungsort der Positionsvektoren si. Es ist aber auch möglich, dass die Schallwandler nicht genau auf den Urprungsorten der Positionsvektoren si liegen. Soweit die Positionen der akustischen Zentren der Schallwandler von den Kreuzungspunkten des Hilfsrasters abweichen, kann die damit verbundene Änderung von Verzögerungszeit und Pegel durch räumliche Interpolation oder andere Verfahren korrigiert werden. Die Positionsvektoren si können z.B. in Form einer Liste gespeichert sein.
Durch die Einführung des Koordinatenssystems lassen sich Punkte im
Publikumsbereich und Punkte auf der mindestens einen Schallwandleranordnung - und damit mittelbar auch die Schallwandler selbst - einfach geometrisch miteinander in Beziehung setzten, wie z.B. bei der Berechnung eines Abstandes eines Schallwandlers zu einem Punkt im Publikumsbereich.
Dabei geht das Verfahren von einer Zuordnung von Punkten des Koordinatensytems zu Punkten in mindestens einem Publikumsbereich aus und ordnet entsprechend einen Positionsvektor ri zu. Der Positionsvektor ri zeigt somit auf einen bestimmten Ort im Publikumsbereich 3.
Aus den Positionsvektoren si, aus denen mittelbar oder auch unmittelbar die
Positionen der einzelnen Schallwandler bestimmbar sind, lassen sich
Richtungsvektoren, insbesondere normierte Richtungsvektoren
Figure imgf000006_0001
bestimmen, die Abstrahlrichtung der Wellenfront im Bereich der jeweiligen
Figure imgf000006_0002
Schallwandler bestimmen.
Nun werden in Abhängigkeit von der räumlichen Zuordung der Positionsvektoren si und der Schallwandler Verzögerungszeiten τj für die Schallwandler bestimmt, mit der dann akustische Elementarwellen abgestrahlt werden. Die Verzögerungszeiten τj der Schallwandler werden jeweils so gewählt, dass die lokale Richtung der gemeinsamen Wellenfront der Richtung des Richtungsvektors, insbesondere des normierten Richtungsvektors entspricht.
Figure imgf000006_0003
Die Schallwandler der mindestens einen Schallwandleranordnung werden somit jeweils mit einer bestimmten Verzögerungszeit τj betrieben. Die Verzögerungszeit τj eines Schallwandlers bestimmt den Zeitpunkt der Erzeugung einer Elementarwelle am betreffenden Schallwandler. Insbesondere können die Verzögerungszeiten τj der individuellen Schallwandler gegenüber dem Eingangssignal bestimmt werden. Mit anderen Worten, es wird jedem Schallwandler eine individuelle Verzögerungszeit τj zugewiesen werden. Die Verzögerungszeiten der einzelnen Schallwandler können sich grundsätzlich unterscheiden, allerdings können einige Schallwandler auch mit derselben Verzögerungszeit τj betrieben werden.
Die Gesamtheit der Verzögerungszeiten, mit denen die einzelnen Schallwandler der Schallwandleranordnung betrieben werden, beeinflusst die Form der gemeinsamen Wellenfront, welche sich aus den von den einzelnen Schallwandlern erzeugten Elementarwellen zusammensetzt. Insbesondere kann durch die Gesamtheit der
Verzögerungszeiten τj die Form der gemeinsamen Wellenfront bestimmbar sein.
Insbesondere lassen sich durch bestimmte Wahlen der Verzögerungszeiten τj komplex geformte Wellenfronten erzeugen. Im Ergebnis ergibt sich durch unterschiedliche Verzögerungszeiten τj in der Schallwandleranordnung eine entsprechend gerformte Wellenfront, z.B. mit unterschiedlichen Krümmungen. Die von den Elementarwellen gebildete Wellenfront ist so nicht mehr ein Kugelausschnitt, wie er von einer virtuellen Schallquelle mit einer zweidimensionalen Wellenfeldsynthese- Schallwandleranordnung erzeugt wird. Je nach Form und Größe des Versorgungsbereiches (d.h. des mindestens einen Publikumsbereiches) ergeben sich stärkere Krümmungen und flacher gekrümmte Bereiche. In Richtung der weit entfernten Zuschauerplätze ist die konvexe Krümmung der Wellenfront meist geringer, eine stärkere Krümmung in Richtung der vorderen Zuschauerplätze läßt den Schalldruckpegel mit der Entfernung schneller abfallen und verteilt die Energie auf einen größeren Zuschauerbereich.
Die Verzögerungszeiten τj der einzelnen Schallwandler können derart bestimmt werden, dass sich die gemeinsame Wellenfront an die Geometrie des Publikumsbereichs anpasst. Insbesondere werden durch die Verzögerungszeiten τj die lokalen Richtungen der Wellenfront gesteuert. Der so entstehenden, unregelmäßig geformten Wellenfront ist der gleichen Größe des Publikumsbereiches prinzipiell die gleiche Anzahl von Rasterpunkten (d.h. des Koordinatensystems im Berich der Schallwandleranordung) der Schallwandleranordnung und somit auch von Schallwandlern zugeordnet. Darin unterscheidet sich eine solche Wellenfront grundlegend vom Kugelausschnitt einer punktförmigen virtuellen Schallquelle der Wellenfeldsynthese, bei dem die von der gleichen Zahl Schallwandler versorgte Zuschauerfläche mit der Entfernung stetig ansteigt.
Die lokale Richtung der gemeinsamen Wellenfront an einer Position auf der Wellenfront beschreibt dabei jeweils die Richtung, in welche sich die gemeinsame Wellenfront an der jeweiligen Position ausbreitet. Die lokale Richtung der gemeinsamen Wellenfront kann jeweils durch den Richtungsvektor beschrieben werden, der auf den jeweiligen Punkt senkrecht auf der gemeinsamen Wellenfront steht. Der Richtungsvektor beschreibt eine lokale Ausbreitungsrichtung der gemeinsam Wellenfront, wenn die Wellenfront sich senkrecht zu dem Richtungsvektor bewegt.
Eine Anpassung der gemeinsamen Wellenfront an die Geometrie des mindestnes einen Publikumsbereichs wird durch eine bestimmbare Zuordnung ermöglicht, die den Positionsvektoren si (die z.B. einzelnen Schwallwandlern zugeordnet sein können) jeweils eine Position im Publikumsbereich entsprechend eines Positionsvektors ri zuordnet. Aus der jeweiligen Zuordnung ergeben sich normierte
Richtungsvektoren Die Verzögerungszeiten τj sind dann jeweils so
Figure imgf000008_0001
gewählt, dass die lokale Richtung der gemeinsamen Wellenfront an der Position im Publikumsbereich, welche durch den Positionsvektor ri beschreiben ist, der Richtung des Richtungsvektors entspricht. Insbesondere sind lokale Ausbreitungsrichtungen
Figure imgf000008_0002
der gemeinsamen Wellenfront durch die normierten Richtungsvektoren gegeben.
Figure imgf000008_0003
Die Schallwandler der mindestens einen Schallwandleranordnung können auf oder in einer Ebene angeordnet sein. Alternativ können die Schallwandler der Schallwandleranordnung auf oder in einer mindestens teilweise gekrümmten Fläche angeordnet sein. Die Anordnung kann z.B. gitterartig sein. Insbesondere können die Abstände der Schallwandler zueinander gleichmäßig sein. Beispielsweise können die Abstände in einer ersten Richtung, insbesondere in vertikaler Richtung, und / oder die Abstände in einer zweiten Richtung, insbesondere in horizontaler Richtung, sich jeweils entsprechen oder eine regelmäßige Abfolge von Abstandsgrößen ergeben. Die geometrische Form in oder an der die Schallwandler angeordnet sind, kann dabei komplex sein. So können die Schallwandler z.B. in einem Bereich in einer ebenen Fläche liegen, wobei andere Schallwandler der gleichen Schallwandleranordnung auf einer gekrümmten Fläche liegen. Dabei können unterschiedliche Teile der Fläche auch unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen.
Alternativ sind die Schallwandler der mindestens einen Schallwandleranordnung in einem dreidimensionalen Bereich, insbesondere einem Raum angeordnet. Die Anordnung der einzelnen Schallwandler kann dabei ausgehend von einer Referenzfläche, beispielsweise einer Ebene oder einer gekrümmten Fläche, bestimmbar sein, wobei mindestens eine Teilmenge der Schallwandler der mindestens einen Schallwandleranordnung auf der Referenzfläche angeordnet ist und die Positionen der übrigen Schallwandler der mindestens einen Schallwandleranordnung sich durch einen räumlichen Versatz in den dreidimensionalen Bereich bestimmen lassen.
Der Betrieb des Schallwandlers - der dem Positionsvektor si zugeordnet ist - mit Verzögerungszeit τj kann jeweils durch eine Ansteuerung mittels eines Computersystems erfolgen. Insbesondere kann die Ansteuerung mit Verzögerungszeit τj digital beeinflusst werden, bzw. durch eine digitale Ansteuerung bewirkt sein. Die Verzögerungszeiten können in der Größenordnung von Millisekunden liegen. Für benachbarte Schallwandler liegt die Zeitdifferenz meist nur bei einigen Mikrosekunden, so dass das Gesamtsystem einen sehr stabilen Systemtakt benötigt.
Zusätzlich oder alternativ kann die Verzögerungszeit, mit der ein Schallwandler betrieben wird, mechanisch oder geometrisch beeinflusst werden. Beispielweise kann die Verzögerungszeit eines Schallwandlers mittels eines räumlichen Versatzes, insbesondere in Abstrahlungsrichtung der Schallwandleranordnung, gegenüber anderen Schallwandlern der Schallwandleranordnung gesteuert werden.
Der Publikumsbereich kann mindestens teilweise eine ebene oder konkave und / oder mindestens teilweise eine konvexe Form aufweisen. Der Publikumsbereich kann als eine zusammenhängende Fläche oder als eine unzusammenhängende Fläche, bestehend aus mindestens zwei zusammenhängenden Teilen, beschrieben sein. Ein Beispiel für einen aus mehreren Bereichen zusammengesetzten Publikumsbereich ist der große Saal der Philharmonie, Berlin oder ein Opernsaal mit mehreren Rängen. Der Publikumsbereich kann aber auch durch eine Menge an Koordinatenpunkten repräsentiert werden.
Im Koordinatensystem können die Positionsvektoren si, welche den Schallwandlern der Schallwandleranordnung zugeordnet sind, ein regelmäßiges Raster ergeben.
Zusätzlich oder alternativ können die Positionsvektoren ein regelmäßiges Raster auf der dem Publikumsbereich zugeordneten Bezugsfläche R ergeben.
Die Zuordnung, welche jedem Positionsvektor si im Schallwandler Array einen Punkt im Publikumsbereich entsprechend dem Positionsvektor ri beiordnet, kann mittels Verbindungslinien von der Schallwandleranordnung in den Publikumsbereich bestimmbar sein. Insbesondere kann die Verbindungslinie als eine Halbgerade ausgehend von dem Positionsvektor si ausgebildet sein, die den Publikumsbereich bzw. die dem Publikumsbereich zugeordneten Bezugsfläche R schneidet. Dem Schallwandler kann dann ein Positionsvektor ri zugeordnet werden, der sich aus dem Schnittpunkt der Halbgeraden mit dem Publikumsbereich bzw. der dem Publikumsbereich zugeordneten Bezugsfläche R, ergibt.
Zusätzlich oder alternativ können die Pegel, mit denen die Schallwandler der mindestens einen Schallwandleranordnung betrieben werden, mittels eines relativen Verstärkungsfaktors ermittelbar sein, insbesondere basierend auf der Vorschrift
Figure imgf000010_0001
wobei ni jeweils die Normale zur Bezugsfläche S am Positionsvektor si
Figure imgf000010_0002
beschreibt.
Durch das Betreiben der Schallwandler gemäß der relativen Verstärkungsfaktoren
Figure imgf000010_0003
ist gewährleistet, dass der Schalldruckpegel an der Empfängerposition ri unabhängig vom Winkel des Richtungsvektors di auf die Normale ni ist. Dadurch kann eine homogene Lautstärke im zu beschallenden Publikumsbereich gewährleistet werden.
Ferner umfasst die vorgeschlagene Lösung ein Verfahren zur Bestimmung von Verzögerungszeiten τj für eine Schallwandleranordnung mit einer Vielzahl von Schallwandlern j zur Erzeugung von Elementarwellen gemäß der Verzögerungszeiten τj zur Beschallung mindestens eines Publikumsbereichs.
Das Verfahren umfasst die Schritte der Bestimmung eines Koordinatensystems, durch welches die mindestens eine Schallwandleranordnung näherungsweise als eine Bezugsfläche S sowie der Publikumsbereich näherungsweise als eine Bezugsfläche R beschrieben sind; die Bestimmung von Positionsvektoren s auf der Bezugsfläche S der mindestens einen Schallwandleranordnung, aus welchen die Positionen der Schallwandler der mindestens einen Schallwandleranordnung ermittelbar sind; die Bestimmung von normierten Richtungsvektoren
Figure imgf000010_0004
ausgehend von den Positionsvektoren s, wobei die normierten Richtungsvektoren auf die Bezugsfläche
Figure imgf000010_0005
R des Publikumsbereichs gerichtet sind und die Bestimmung von Verzögerungszeiten τj für Schallwandler j, so dass sich die Elementarwellen der Schallwandler der Schallwandleranordnung bei Betrieb gemäß der Verzögerungszeiten τj zu einer gemeinsamen Wellenfront überlagern, wobei die normierten Richtungsvektoren
Figure imgf000010_0006
lokale Ausbreitungsrichtungen der gemeinsamen Wellenfront beschreiben. Mit anderen Worten, es breitet sich die gemeinsame Wellenfront im Wesentlichen senkrecht zu den normierten Richtungsvektoren aus. Auf diese Weise beschreiben die normierten Richtungsvektoren den Ausbreitungsverlauf der gemeinsamen Wellenfront. Insbesondere ist die gemeinsame Wellenfront durch geeignete Wahl der normierten Richtungsvektoren
Figure imgf000011_0001
an die Geometrie des Publikumsbereichs anpassbar.
Für eine Anspassung der Schallpegel können die relativen Verstärkungsfaktoren
Figure imgf000011_0002
für mindestens eine Teilmenge der Positionsvektoren s gemäß der Vorschrift
Figure imgf000011_0003
bestimmt werden, wwoobbeeii nn eeiinnee NNoorrmmaallee zzuu der Bezugsfläche S der Schallwandleranordnung an dem durch den Positionsvektor s bestimmten Punkt ist und der normierte Richtungsvektor ausgehend von dem Positionsvektor s.
Die Positionsvektoren s können den Positionen der Schallwandler auf der
Schallwandleranordnung ganz oder teilweise entsprechen, in jedem Fall gibt es zwischen den physischen Positionen der einzelnen Schallwandler in der mindestens einen Schallwandleranordnung und den Positionsvektoren si zur Festlegung von Koordinaten im Bereich der mindestens einen Schallwandleranordnung eine räumliche Zuordnung.
Die Anzahl der Positionsvektoren s kann der Anzahl der Schallwandler der
Schallwandleranordnung entsprechen oder auch von dieser verscheiden sein.
Insbesondere kann die Anzahl der Positionsvektoren s höher sein als die Anzahl der
Schallwandler auf der Schallwandleranordnung.
Die Positionsvektoren s können Kreuzungspunkte eines auf der Bezugsfläche S der mindestens einen Schallwandleranordnung beschrieben Hilfsrasters beschreiben. Es müssen aber nicht auf allen Kreuzungspunkten des Hilfsrasters Positionsvektoren s liegen. Das Hilfsraster kann beispielsweise eine rechteckförmige Ebene beschreiben.
Die Anzahl der Rasterlinien in horizontaler und / oder vertikaler Richtung kann jeweils einer Anzahl von Zeilen und / oder Spalten vvoonn Schallwandlern der Schallwandleranordnung entsprechen. Die Anzahl der Rasterlinien in horizontaler und / oder vertikaler Richtung kann aber auch größer sein, als eine Anzahl von Zeilen und / oder Spalten von Schallwandlern in der Schallwandleranordnung. Das Verfahren kann ferner eine Bestimmung von Positionsvektoren r auf der Bezugsfläche R des Publikumsbereichs umfassen, wobei jeweils einem Positionsvektor s ein Positionsvektor r zugeordnet ist. Die Zuordnung kann mittels einer Verbindungslinie vom Positionsvektoren s zu dem Positionsvektor r erfolgen, auf Basis welcher der jeweils der normierter Richtungsvektor
Figure imgf000012_0002
ermittelt werden kann. Insbesondere kann der Richtungsvektor jeweils mittels der Berechnungsvorschrift
Figure imgf000012_0003
bestimmt sein.
Figure imgf000012_0001
Die Gesamtheit der Verbindungslinien ist in einer Ausführungsform derart beschaffen, dass sie sich jeweils paarweise nicht kreuzen oder überschneiden. Insbesondere schneidet keine Verbindungslinie die jeweils anderen Verbindungslinien.
Die Zuordnung der Positionsvektoren s zu den Positionsvektoren r kann automatisch, insbesondere anhand einer 3D-CAD Datei des Publikumsbereichs, erfolgen. Dies kann nach einem geeigneten Mappingverfahren vorgenommen werden. Insbesondere können bei der Zuordnung Punkte und / oder Bereiche der Bezugsfläche des Publikumsbereichs ausgespart werden, beispielsweise solche, die Bereichen des Publikumsbereiches entsprechen, die nicht von der gemeinsamen Wellenfront getroffen werden sollen.
Die Positionsvektoren r können dabei gleichmäßig auf der Bezugsfläche R des Publikumsbereichs verteilt sein. Dadurch können sie gleichmäßig verteilten Punkten im Publikumsbereich entsprechen. Eine gleichmäßige Verteilung der Punkte ist beispielsweise dadurch gewährleistet, dass je zwei benachbarte Punkte den gleichen Abstand voneinander haben.
Die Bezugsfläche R des Publikumsbereichs kann durch ein Hilfsraster beschrieben sein. Die Positionsvektoren r können zu mindestens teilweise Kreuzungspunkten des Hilfsrasters entsprechen.
Gleichermaßen kann die Bezugsfläche S der Schallwandleranordnung durch ein Hilfsraster beschrieben sein, auf dem die Positionsvektoren s mindestens teilweise Kreuzungspunkten entsprechen. Ein solches Hilfsraster ist insbesondere für die numerische Behandlung wichtig, da sich in diesem z.B. numerische Integrationen mittels der Trapez-Regel leicht ausführen lassen. Hilfsraster auf der Bezugsfläche S der mindestens einen Schallwandleranordnung und Hilfsraster auf der Bezugsfläche R des Publikumsbereichs können dabei ineinander überführbar sein. Insbesondere können sie die gleiche Anzahl von Linien in horizontaler- und / oder vertikaler Ebene aufweisen. Durch die Verbindung der Kreuzungspunkte der Hilfsraster kann sich eine geeignete Verbindung zwischen der Bezugsebene S der mindestens einen Schallwandleranordnung zu der Bezugsebene R des Publikumsbereichs ergeben.
Die Bezugsfläche S der mindestens einen Schallwandleranordnung kann eine Ebene oder beispielsweise eine zumindest teilweise gekrümmte Fläche sein. Insbesondere kann sich eine Krümmung der Bezugsfläche S der Schallwandleranordnung in horizontaler Richtung von einer Krümmung in vertikaler Richtung unterscheiden.
In einer Ausführungsform ist die Bezugsfläche S der Schallwandleranordnung mittels Koordinaten s(u,v) = [x(u, v) y(u,v) z(u, v)] parametrisiert, wobei u und v reelle, kontinuierliche Variablen sind.
Zur Bestimmung der jeweiligen individuellen Verzögerungszeiten τj für Schallwandler j kann zunächst eine skalarwertige Funktion von Verzögerungszeiten τ(u, v) für eine endliche Menge von Positionsvektoren der Form s = s(u,v) ermittelt werden und anschließend die Bestimmungen der Verzögerungszeit τj für Schallwandler j mindestens teilweise durch Interpolationen von mindestens zwei Werten der Form τ(u, v) erfolgen.
Die Verzögerungszeiten τ(u, v) sind in einer Ausführungsform mittels numerischer Integration des diskreten 2D-Vektorfeldes [Δuτ Δvτ] bestimmbar. Dabei sind die Verzögerungsdifferenzen Δuτ in u - Richtung bzw. Δvτ in v - Richtung gegeben durch beziehungsweise
Figure imgf000013_0001
wobei Δu und Δv jeweils diskrete Schrittweiten in u - Richtung beziehungsweise v - Richtung beschreiben, c die Schallgeschwindigkeit beschreibt und wobei
Figure imgf000013_0003
durch die Skalarprodukte beziehungsweise
Figure imgf000013_0002
Figure imgf000014_0002
gegeben sind, wobei jeweils den normierten Richtungsvektor ausgehend vom Positionsvektor s = s(u,v) beschreibt und su und sv Tangentenvektoren zu der Bezugsfläche S ausgehend vom Positionsvektor s = s(u,v) beschreiben.
Die Tangentenvektoren su und sv sind dabei gegeben durch die partiellen Ableitungen beziehungsweise
Figure imgf000014_0003
Figure imgf000014_0004
Mit anderen Worten, es kann in einem Verfahren zur Bestimmung der
Verzögerungszeiten τ(u, v) zunächst das zweidimensionale diskrete
Vektorfeld [Δuτ Δvτ] gemäß der Vorschriften beziehungsweise
Figure imgf000014_0001
auf Basis von Tangentenvektoren su und sv der Bezugsfläche S der Schallwandleranordnung, den normierten Richtungsvektoren und der
Figure imgf000014_0005
Schallgeschwindigkeit c bestimmt werden. Anschließend kann das Vektorfeld mittels eines numerischen Integrationsverfahrens integriert werden. Die mittels der Integration erhaltene Funktion τ(u, v) beschreibt dann die gewünschten Verzögerungszeiten.
Die Werte der Funktion τ(u, v) beschreiben die Verzögerungszeiten an den Positionsvektoren s(u,v). Für jede einzelne Kombination der Parameter u und v definiert s(u, v) eine eigene Position si . Anschließend können die Verzögerungen an den Treiberpositionen durch räumliche Interpolation ermittelt werden.
Die berechnete Zeit wird dann mit der von der Samplingfequenz des Gesamtsystems vorgegebenen Zeit des nahe gelegensten Sam pels ausgeführt. Insbesondere sind die gewünschten Verzögerungszeiten beschrieben durch eine Funktion τ(u, v), deren Gradient das zweidimensionale Vektorfeld [Δuτ Δvτ] aufweist, wobei die Komponenten Δuτ und Δvτ wie oben gegeben sind. Eine Wellenfront kann als eine Art Relief betrachtet werden, das jedem Kreuzungspunkt des Rasters eine Höhe an dieser Stelle zuordnet. Dann ist der Gradient an der Stelle ein Vektor, der in die Richtung des größten Höhenanstiegs zeigt. Der Betrag dieses Vektors gibt die größte Steigung an diesem Punkt an.
Dabei kann die Schallgeschwindigkeit c durchaus vom Ort abhängig sein, wenn z.B. in einem höheren Bereich des Schallausbreitungsbereiches eine höhere Temperatur herrscht, was die Schallgeschwindigkeit beeinflusst. Dabei kann die Schallgeschwindigkeit durchaus auch abhängig vom Ort sein, was dann in die Berechnung einfließt.
Das numerische Integrationsverfahren kann das Composite Trapezium Verfahren, das Simpson Verfahren, das Romberg Verfahren oder das fortgeschrittenere inverse Gradienten-Verfahren umfassen.
Im Falle, dass die Bezugsfläche S der Schallwandleranordnung mittels einer Funktion s(u, v) = [x(u, v) y(u,v) z(u,v)], wie oben beschrieben, parametrisiert ist, ist die Normale n zu der Bezugsfläche S der Schallwandleranordnung, welche bei der Bestimmung zur Schallpegelkorrektur herangezogen werden kann, an dem durch s = s(u, v) beschriebenen Punkt gegeben durch das Kreuzprodukt von su and sv n = su x sv, wobei su und sv gegeben sind durch die partiellen Ableitungen, wie oben beschrieben.
Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei beschreibt
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Wellenfront einer virtuellen Schallquelle der Wellenfeldsynthese in einer zweidimensionalen Schallwandleranordnung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wellenfront einer erfindungsgemäß dem Zuschauerbereich angepassten Form der Wellenfront einer zweidimensionalen Schallwandleranordnung; Fig. 3 die Bestimmung von Normalenvektoren auf einer gekrümmten Bezugsfläche einer Schallwandleranordnung;
Fig. 4 die Zuordnung des Hilfsrasters einer Schallwandleranordnung zu einem Hilfsraster im Publikumsbereich;
Fig. 5 die Bildung eines lokalen Richtungsvektors der Wellenfront, welcher ausgehend von einem Schallwandler aus umgebenden Elementarwellen entsteht und den Publikumsbereich zeigt;
Fig. 6 die Bildung eines normierten Richtungsvektors der Länge eins;
Fig. 7 eine Ausführungsform, bei der der Publikumsbereich in einzelne Teilbereiche mit unterschiedlichem Signalinhalt aufgeteilt wird;
Fig. 8 angepasste Schallwandlerbestückung für einen nicht variablen
Publikumsbereich;
Fig. 9 eine Ausführungsform mit einer mechanisch gekrümmten Schallwandlerfläche.
In Fig. 1 ist ein gegebener Publikumsbereich 3 dargestellt, der mit einer ebenen Schallwandleranordnung 1 nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese (WFS) beschallt werden soll.
Die Schallwandler der Schallwandleranordnung 11 erzeugen bei Betrieb Elementarwellen 8, die sich zu einer gemeinsamen Wellenfront 4 überlagern. Die gemeinsame Wellenfront 4 ist so beschaffen, als würde sie von einer virtuellen Schallquelle 12 ausgehen. Dementsprechend entspricht die Oberfläche der aus den
Elementarwellen 8 der Schallwandler 9 gebildeten Wellenfront 4 einem
Kugelausschnitt. Die gemeinsame Wellenfront 4 ist zur Veranschaulichung in
Rechtecke 105 aufgeteilt, die die Anteile von jeweils in etwa gleich vielen Schallwandlern der Schallwandleranordnung 1 erzeugten Elementarwellen 8 an der gemeinsamen Wellenfront 4 repräsentieren.
Im Kugelausschnitt 4 ist der jeweilige Teilbereich 105, der einer gegebenen Zahl von Schallwandlern der Schallwandleranordnung 1 zugeordnet ist, etwa gleich groß. Entsprechend ist der Schalldruck zum gleichen Zeitpunkt auf der Oberfläche der Wellenfront 4 gleichmäßig verteilt. Die diesen Teilabschnitten zugeordneten Publikumsbereiche 106 haben aber eine sehr unterschiedliche große Fläche, auf denen sich diese jeweils gleiche Energie des zugeordneten Kugelwellenausschnittes verteilt. Entsprechend unterschiedlich sind die Schalldruckpegel in den verschiedenen Teilen des Zuschauerbereiches 3.
Die virtuelle Schallquelle 12 ist in Fig. 1 hinter der Schallwandleranordnung 1 verortet. Die Position der virtuellen Schallquelle 12 bestimmt sowohl die Krümmung der gemeinsamen Wellenfront 4 als auch die Richtung, in der sie sich ausbreitet. Wird die virtuelle Schallquelle 12 nahe der Schallwandleranordnung 1 angeordnet, ist der Versorgungsbereich weit und die Krümmung der gemeinsamen Wellenfront 4 stark. Entsprechend schnell wächst die Oberfläche der gemeinsamen Wellenfront 4 mit der Entfernung, der Schalldruckpegel nimmt deshalb schnell ab.
Je weiter entfernt die virtuelle Schallquelle 12 von der WFS Schallwandleranordnung 1 angeordnet wird, umso enger wird der Abstrahlwinkel und umso geringer die Krümmung des Kugelausschnittes. Bei sehr großer Entfernung ergibt sich nahezu eine parallele Wellenfront, deren Pegel kaum mit der Entfernung abnimmt. Dadurch wird aber der Versorgungsbereich 10 so weit eingeengt, dass nur noch ein Teil des Zuschauerbereiches 5 versorgt wird. Die Position der virtuellen Schallquelle 12 ist deshalb ein Kompromiss zwischen einem breiten Versorgungsbereich und einem vertretbaren Schalldruckabfall in den hinteren Zuschauerreihen des zu beschallenden
Publikumsbereichs 3. Wie in der Fig. 1 auch deutlich wird, versorgt die gleiche Anzahl Schallwandler der Schallwandleranordnung 1 einen mit der Entfernung deutlich größer werdenden Anteil des zu beschallenden Publikumsbereichs 3, entsprechend fällt der Schalldruck hier stark ab. Zudem wird deutlich, dass auch Oberflächen außerhalb des zu beschallenden Publikumsbereiches 3 im gesamten Versorgungsbereich 10 ungewollt von der gemeinsamen Wellenfront 4 getroffen werden.
Es ist die Möglichkeit bekannt, die gegebene Publikumsfläche mittels mehrerer virtueller Schallquellen, die den gleichen Signalinhalt haben, zu versorgen. Ein Verfahren dazu ist in der WO 2015/022579 A3 beschrieben. Eine dreidimensionale
Weiterentwicklung des Verfahrens ist in der Patentanmeldung DE 102019208631 A1 beschrieben. Die Kombination mehrerer Wellenfronten, die von verschiedenen virtuellen Schallquellen ausgehen, gestattet einen sehr ausgewogenen Pegelverlauf über weite Publikumsbereiche 3. Dabei können Reflexionsflächen bewusst ausgespart bleiben und der Pegel kann für jede einzelne Wellenfront getrennt eingestellt werden. Auch in schallharter Umgebung kann so ein hoher Direktschall Pegel mit entsprechend guter Sprachverständlichkeit im gesamten Publikumsbereich 3 erzielt werden. Dem Ziel, einen gegebenen Publikumsbereich 3 mit einer zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese vollständig und sehr gleichmäßig zu beschallen, kommen die Verfahren nahe.
Wegen der unterschiedlichen Positionen der virtuellen Schallquellen ergibt sich bei diesen Verfahren jedoch ein Zeitversatz zwischen den einzelnen Beams (z.B. eine Schallabstrahlung in einem bestimmten Raumwinkelbereich). Das führt im Grenzbereich der Beams zu Kammfiltereffekten im Frequenzgang, wenn die Zeitdifferenzen zwischen ihnen nicht ausgeglichen werden. Ein solcher zeitlicher Ausgleich ist möglich, weil die einzelnen virtuellen Schallquellen zeitlich unabhängig voneinander angesteuert werden können. In den Grenzbereichen der einzelnen Beams kann der Versatz allerdings nur für einen Punkt völlig ausgeglichen werden, an anderen Stellen sind wahrnehmbare Kammfiltereffekte im oberen
Wiedergabefrequenzbereich unvermeidlich, wenn sich Wellenfronten mit kohärentem Signalinhalt in den Übergangs Bereichen überlagern.
Der Publikumsbereich 3 am Veranstaltungsort ist prinzipiell vorgegeben, seine Form und Größe kann in der Praxis kaum an die akustischen Erfordernisse für eine hochwertige Beschallung angepasst werden. Nur selten ist der zu versorgende Bereich ein ebenes Rechteck. Oft ist der Bereich unsymmetrisch und steigt in den hinteren Bereichen stärker an, um freie Sicht auf die Bühne zu gewährleisten. Auch die Position der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 , die nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese arbeiten kann, ist prinzipiell vorgegeben, weil die Schallquelle im Bühnenbereich lokalisiert werden soll.
Deshalb ist es eine Aufgabe, mit einer im Wesentlichen zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 , wie sie von Wellenfeld-Systemen her bekannt ist, eine geschlossene Wellenfront ohne Übergänge zwischen einzelnen Beams zu erzeugen, die in ihrer Form in der Azimut- und Elevation-Ebene so gestaltet ist, dass eine gleichmäßige Verteilung des Schalldruckpegels über den gegebenen Publikumsbereich 3 gewährleistet wird. Das kann erreicht werden, wenn der Raumwinkel Ω des Anteils einer gegebenen Zahl von Schallwandlern an der zu erzeugenden Wellenfront für einen gegebenen Teil des Publikumsbereiches 3 so angepasst ist, dass er jeweils einen gleich großen Teil des Publikumsbereiches 3 versorgt. Mit diskreten virtuellen Schallquellen der Wellenfeldsynthese ist die Lösung des Problems nicht möglich.
Ausführungsformen für Verfahren werden im Folgenden anhand der Figuren Fig. 2 bis 9 erläutert.
Fig. 2 zeigt eine Schallwandleranordnung 1 mit einer Vielzahl von Schallwandlern. Mittels der Schallwandleranordnung 1 wird ein Publikumsbereich 3 beschallt. Die einzelnen Schallwandler 9 der Schallwandleranordnung 1 strahlen bei Betrieb jeweils Elementarwellen 8 ab, die sich zu einer gemeinsamen Wellenfront 4 überlagern.
Dabei werden die Schallwandler 9 der Schallwandleranordnung 1 mit individuellen Verzögerungszeiten τj betrieben, d.h. die Schallwandler 9 strahlen Elementarwellen 8 zu individuellen Verzögerungszeiten ab. Durch den Betrieb der
Schallwandleranordnung 1 mit den individuellen Verzögerungszeiten τj wird die gemeinsame Wellenfront 4 geformt. Insbesondere kann die gemeinsame Wellenfront 4 durch den Betrieb mit individuellen Verzögerungszeiten τj so geformt werden, dass sie der Geometrie des Publikumsbereichs 3 angepasst ist.
Die Schallwandleranordnung 1 und der Publikumsbereich 3 sind einem gemeinsamen Koordinatensystem 2 zugeordnet, in welchem die Positionen der einzelnen Schallwandler der Schallwanderanordnung 1 durch Positionsvektoren si bestimmt sind. Die exakten Verzögerungszeiten der einzelnen Schallwandler können durch Interpolation aauuss den berechneten Verzögerungszeiten der umliegenden Kreuzungspunkte des Hilfsrasters bestimmt werden, wenn die Schallwandler nicht genau am Ursprungsort eines Positionsvektors si angeordnet sind.
Der diesen Positionsvektoren si zugeordnete Schallwandler wird mit der individuellen Verzögerungszeit τj zur Abstrahlung von Elementarwellen 8 angetrieben. Grundsätzlich unterscheiden sich die individuellen Verzögerungszeiten τj der
Schallwandler 9 untereinander, sie können aber auch zumindest teilweise übereinstimmen.
Die Ermittlung der Verzögerungszeiten τj erfolgt mittels einer Zuordnung, die jedem Kreuzungspunkt des Hilfsrasters 5 einen Kreuzungspunkt eines Hilfsrasters 6 im Publikumsbereich 3 zuordnet. Insbesondere ordnet diese Zuordnung dem Schallwandler 9 mit Positionsvektor si einen Punkt im Publikumsbereich 3 entsprechend einem Positionsvektor ri zu.
Aus der Zuordnung ergeben sich die Richtungsvektoren 7, welche ausgehend von den Kreuzungspunkten des Hilfsrasters 5 in Richtung der zugeordneten Kreuzungspunkte des Hilfsrasters 6 im Publikumsbereich 3 zeigen. Die normierte Richtungsvektoren im Quader 60, ausgehend von den Positionsvektoren si sind dabei jeweils durch die
Vorschrift bestimmt.
Figure imgf000020_0001
Die mithilfe der zugeordneten Positionsvektoren si ermittelten Verzögerungszeiten τj des Schallwandlers sind dann jeweils so gewählt, dass die lokale Richtung 50 der gemeinsamen Wellenfront 4 am Positionsvektor ri jeweils der Richtung des normierten Richtungsvektors 61 entspricht.
Figure imgf000020_0002
Gemäß der vorgeschlagenen Lösung bestimmen also die normierten
Richtungsvektoren 61 die Form der gemeinsamen Wellenfront 4. Insbesondere sind durch die Richtungsvektoren 7 lokale Richtungen 50 der gemeinsamen Wellenfront 4 bestimmbar. Die normierten Richtungsvektoren 61 stehen jeweils senkrecht auf der gemeinsamen Wellenfront 4.
Durch eine geeignete Wahl der Zuordnung (siehe Fig. 6) - und damit der normierten Richtungsvektoren 61 - kann die gemeinsame Wellenfront 4 so geformt werden, dass sie sich der Geometrie des Publikumsbereichs 3 anpasst. Dies erfolgt durch die Zuordnung der Rasterpunkte.
Dabei ist die Wellenfront 4 dann so geformt, dass gleich großen Teilbereichen 106 des Publikumsbereiches 3 etwa die gleiche Anzahl von Schallwandlern der Schallwandleranordnung 1 zugeordnet ist. Die entsprechenden Teilflächen 105 der Wellenfront 4 haben dann zum gleichen Zeitpunkt eine unterschiedliche Größe. Der obere Teilbereich in der Skizze ist in dieser Entfernung noch deutlich kleiner als der untere. Entsprechend ist in diesem Bereich der Schalldruck innerhalb derselben Wellenfront deutlich höher, als in dem für die nahe gelegenen Zuschauerplätze bestimmten, unteren Teilbereich.
Fig. 3 zeigt eine Bezugsfläche 30 S, welche die Schallwandleranordnung 1 in einem
Koordinatensystem 2 modelliert. Auf der Bezugsfläche 30 S der Schallwandleranordnung 1 ist ein regelmäßiges, gekrümmtes Hilfsraster 5 angeordnet, an dem sich die Positionen der einzelnen Schallwandler 9 der
Schallwandleranordnung 1 ausrichten. Mittels der Bezugsfläche 30 S, insbesondere mittels des Hilfsrasters 5, sind Koordinaten für die einzelnen Schallwandler 9 der Schallwandleranordnung 1 im 3D Raum bestimmbar.
Die Bezugsfläche 30 S wird durch ein System von gekrümmten Koordinaten parametrisiert mittels der Gleichung s(u,v) = [x(u, v) y(u,v) z(u,v)], wobei u und v reelle Variablen sind.
Eine Normale 202 n auf der Bezugsfläche 101 S bei s(u,v) ist per Definition eine Normale auf die von den Tangentialvektoren 201 su und sv, aufgespannte Tangentialebene, gegeben durch die partiellen Ableitungen von s(u, v), wobei
(1a)
Figure imgf000021_0001
(1b)
Figure imgf000021_0002
Die Normale 31 n an s(u, v) ist gegeben durch das Kreuzprodukt von su and sv als n = su x sv. (2)
Die Schallwandler 9 der Schallwandleranordnung 1 selbst müssen nicht an den Kreuzungspunkten des Hilfsrasters 5 montiert sein, ihre jeweilige Verzögerung und ihr Pegel werden im dreidimensionalen Raum auf die Kreuzungspunkte interpoliert. Die Krümmung der Bezugsfläche 30 S , sowie des Hilfsrasters 5 kann in der Azimutebene eine andere sein als in der Elevationsebene, es ist auch möglich das Hilfsraster 5 nur in einer Ebene zu krümmen.
In der Praxis wird die Bezugsfläche 30 S der Schallwandleranordnung 1 meist eine ebene Fläche sein und somit das Hilfsraster 5 ein ebenes Hilfsraster. Dies entspricht dem Fall, dass die Schallwandler 9 im Wesentlichen in einer zweidimensionalen Anordnung montiert werden. Eine ebene Fläche wird als Sonderfall einer gekrümmten Fläche betrachtet.
Fig. 4 zeigt die Zuordnung des Hilfsrasters 5 einer Schallwandleranordnung 1 zu einem Hilfsraster 6 im Publikumsbereich 3. Der hier dargestellte Lösungsansatz geht nicht von der Position einer virtuellen Schallquelle (wie in Fig. 1 dargestellt), sondern von der gegebenen Geometrie des zu beschallenden Publikumsbereichs 3 und der Geometrie der Schallwandleranordnung 1 aus.
Grundsätzlich kann der zu beschallende Publikumsbereich 3 beliebig geformt, eben, gekrümmt oder auch ansteigend sein. In Fig. 4 ist ein unregelmäßig geformter zu beschallende Publikumsbereich 3 dargestellt, der insbesondere nicht symmetrisch ist und im hinteren Bereich rechts stärker ansteigt als auf der linken Seite.
Mit konventionellen Ansätzen, aber auch mit virtuellen Schallquellen der Wellenfeldsynthese, ist die Aufgabe, einen Publikumsbereich wie den in Fig. 4 dargestellten, sehr gleichmäßig mit Direktschall zu versorgen, nur unzureichend lösbar, weil die Krümmung der Wellenfronten von virtuellen Schallquellen der Wellenfeldsynthese immer ein Kugelausschnitt ist.
Mithilfe der dargestellten Zuordnung der Hilfsraster 5 und 6 lässt sich hingegen eine gemeinsame Wellenfront 4 erzeugen, die in Ihrer Form an die Geometrie des zu beschallenden Publikumsbereiches 3 angepasst ist.
Zur Lösung des Problems wird ein Koordinatensystem 2 bestimmt.
Dem Koordinatensystem 2 sind über den zu beschallenden Publikumsbereich 3 verteilte Koordinatenpunkte zugeordnet. In Fig. 4 sind diese Koordinatenpunkte im Publikumsbereich 3 an den Kreuzungspunkten eines Hilfsrasters 6 angeordnet, jedoch können Sie auch durch andere Mapping-Verfahren im Publikumsbereich 3 verteilt werden.
Überdies ist dem Koordinatensystem 2 ein Hilfsraster 5 zugeordnet, durch welches die Positionen der Schallwandler 9 der Schallwandleranordnung 1 bestimmbar sind. Das Hilfsraster ist in Fig. 3 als ebenes, regelmäßiges Hilfsraster dargestellt. Grundsätzlich kann das Hilfsraster aber auch gekrümmt sein, d.h. gekrümmte Linien aufweisen. Grundsätzlich kann das Hilfsraster 5 auf einer Bezugsfläche angeordnet sein, durch welche die Schallwandleranordnung 1 modelliert wird.
Die Anzahl der Koordinatenpunkte im Publikumsbereich 3 entspricht dabei der Anzahl der Kreuzungspunkte des Hilfsrasters 6. So kann jedem Kreuzungspunkt des Hilfsrasters 5 ein Koordinatenpunkt des Hilfsrasters 6 im Publikumsbereich 3 zugeordnet werden. Die Verteilung der Koordinatenpunkte soll dabei über den gesamten Publikumsbereich 3 mit möglichst gleichmässigen Abständen zwischen den einzelnen Koordinatenpunkten erfolgen.
Dabei wird jedem Kreuzungspunkt des Rasters 5 ein Koordinatenpunkt mit der Position r(x,y,z) im Publikumsbereich 3 zugeordnet. Die Verbindungslinie 7 zwischen den Kreuzungspunkten des Hilfsrasters 5 und seinem zugeordneten Koordinatenpunkt im Publikumsbereich 3 bildet dann im Koordinatensystem 2 einen Vektor, der Grundlage für die Berechnung von Laufzeit und Pegel des Audiosignals ist.
Das dargestellte ebene Hilfsraster 5 der Schallwandleranordnung 1 hat die Form eines Rechteckes, dessen Seitenverhältnis dem der geplanten Schallwandleranordnung 1 , beispielsweise in Form eines Schallwandlerarrays, gleicht. Es sollte mindestens ebenso viele Kreuzungspunkte haben wie Schallwandler 9 in der Schallwandleranordnung 1 vorgesehen sind. Prinzipiell ist das Seitenverhältnis nicht definiert, so dass es auch möglich wäre, eine einzelne Linie aus Schallwandlern aufzubauen, wenn das der gegebenen räumlichen Situation im Publikumsbereich 3 angemessen ist.
Der Abstand der Rasterlinien des Hilfsrasters 5 kann in der horizontaler und vertikaler
Ebene unterschiedlich sein, soll aber mindestens der Zahl der Zeilen und Spalten der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 entsprechen.
Die Schallwandler 9 der Schallwandleranordnung 1 können mit ihrem akustischen Zentrum in den Kreuzungspunkten des Hilfsrasters 5 montiert sein. Ihre Position kann aber auch von diesen Kreuzungspunkten abweichen, wobei ihre jeweiligen Laufzeiten und Pegel durch Interpolation der für die umliegenden Rasterpunkte berechneten Werte bestimmt werden.
Eine höhere Zahl von Rasterlinien verbessert die Genauigkeit der Interpolation. Eine geringere Zahl von Rasterlinien führt dazu, dass keine gleichmäßig gekrümmte, sondern eine aus ebenen Teilflächen zusammengesetzte Wellenfront entsteht. Die damit entstehenden Beugungseffekte führen zu lokalen Unregelmäßigkeiten im Frequenzgang.
Prinzipiell müssen nicht allen Kreuzungspunkten des Hilfsrasters 5 physische Schallwandler 9 zugeordnet sein. Das ermöglicht die Unterbrechung der Bestückung in den Bereichen, in denen Tiefmittelton Schallwandler 9 ihre Schallaustrittsöffnung haben. Zudem können alle Schallwandler 9 leicht unregelmäßig auf der Fläche verteilt werden, wie es in DE 10 2009 006 762 A1 beschrieben wurde. Damit lassen sich unerwünschte Aliasing-Effekte im Publikumsbereich 3 reduzieren, weil sich die daraus entstehenden Kammfiltereffekte im Frequenzgang statistisch etwas ausgleichen.
Das über den Publikumsbereich 3 gelegte Hilfsraster 6 schließt ihn vollständig ein. Das Hilfsraster 6 wird in seiner Form an den Publikumsbereich 3 angepasst. Das kann prinzipiell manuell geschehen. In der Praxis sind aber mehrere Hundert bis mehrere Tausend Rasterpunkte notwendig, damit der Abstand der Schallwandler 9 zueinander ausreichend gering ist, um eine weitgehend von hörbaren Aliasing-Effekten freie Wiedergabe zu erreichen. Die geringe Zahl von Rasterlinien in den Skizzen dient in der Erläuterung des Funktionsprinzips der Übersichtlichkeit.
Deshalb ist es vorteilhaft, die Koordinatenpunkte im Publikumsbereich 3 anhand einer 3D-CAD Datei des Publikumsbereiches 3 mit einem geeigneten Mapping-Verfahren automatisch zu bestimmen. Dabei können auch Bereiche, die nicht direkt von der gemeinsamen Wellenfront 4 getroffen werden sollen, weil von ihnen unerwünschte Reflexionen ausgehen, frei von zugeordneten Rasterpunkten bleiben. So sind ihnen keine Schallwandler 9 zugeordnet, deren Wellenfront direkt in ihre Richtung geschickt wird. Aus diesen Bereichen werden die Koordinatenpunkte verschoben, ohne dabei ihre Anzahl zu verändern. Umliegende Koordinatenpunkte verschieben sich entsprechend, um eine gleichmäßige Verteilung über den Publikumsbereich 3 zu wahren. Jedem Kreuzungspunkt des Hilfsrasters 5 in der Ebene der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 soll ein Bezugspunkt im zu beschallenden Publikumsbereich 3 zugeordnet sein.
Eine Visualisierung in einer 3D-CAD Datei erleichtert die Abschaltung nicht besetzter Publikumsbereiche 3. Dabei bleiben die Berechnungen prinzipiell unverändert, nur die Schallwandler, die nicht besetzten Publikumsbereichen 3 zugeordnet sind, werden nicht mit Signal versorgt. So entsteht am Veranstaltungsort ein geringerer Diffus-Feld- Schallpegel, was zu einer besseren Sprachverständlichkeit in den besetzten Publikumsbereichen 3 beiträgt.
Fig. 5 illustriert beispielhaft, wie die lokale Krümmung 50 der Wellenfront 4, die nach dem beschriebenen Verfahren kein Kugelausschnitt sein muss, aus der Superposition der Elementarwellen 8 der umgebenden Schallwandler 9 entsteht. Die akustischen Zentren der Schallwandler 9 sind im Beispiel zur Vereinfachung auf den Kreuzungspunkten des Hilfsrasters montiert.
Der einzelne, in der Skizze schwarz dargestellte Schallwandler 9 hat entsprechend dem Prinzip der Wellenfeldsynthese eine ungerichtete Halbraumabstrahlung. Die von ihm erzeugte Elementarwelle 8 allein kann dementsprechend keinen Richtungsvektor ausbilden. Der ihm zugeordnete lokale Richtungsvektor d der Wellenfront entsteht erst in einiger Entfernung von der Schallwandleranordnung 1 durch Superposition der Elementarwellen 8 der umliegenden Schallwandler.
Der Richtungsvektor 7 d ist für diesen Kreuzungspunkt mittels der Vorschrift d = r — s (3) bestimmbar. Er steht immer orthogonal auf der lokalen Wellenfront 50.
In der beispielhaften Darstellung in Fig. 5 liegt der durch den Vektor r beschriebene Punkt auf einem Kreuzungspunkt des Hilfsrasters 6 des Publikumsbereichs 3.
Grundsätzlich kann der Richtungsvektor 7 d auch ohne Zuhilfenahme des Hilfsrasters 5 und 6 bestimmt werden. In diesem Fall geht der Richtungsvektor 7 d von einem Positionsvektor s auf einer Bezugsfläche 30 S , welche die Schallwandleranordnung 1 modelliert, aus und zeigt auf einen Positionsvektor r im Publikumsbereich 3, beziehungsweise auf einen Positionsvektor r, welcher einen Punkt auf einer den Publikumsbereich 3 modellierenden Bezugsfläche R 30 beschreibt.
Im Folgenden ist ein Verfahren beschrieben, wie aus gegebenen Richtungsvektoren 7 Verzögerungszeiten und Pegel für die einzelnen Schallwandler 9 abgeleitet werden, damit sich die Superposition ihrer Elementarwellen 8 zu einer Wellenfront überlagert, die konsequent auf den gegebenen Publikumsbereich 3 ausgerichtet ist.
In Fig. 6 ist der beispielhaft ausgewählte Richtungsvektor 7d aus Fig. 4 auf die Länge des normierten Richtungsvektors 61
Figure imgf000025_0001
zurückgeführt, der als
Figure imgf000025_0002
definiert ist. Die gewünschte Wellenfront, die durch die Schallwandleranordnung 1 , insbesondere in Form eines gekrümmten oder ebenen Arrays, erzeugt wird, kann lokal durch eine ebene Welle angenähert werden, die sich entlang (d.h. lokal in Richtung) des normierten Richtungsvektors 61 ausbreitet. Jede lokale ebene Welle kann in die
Figure imgf000026_0003
gewünschte Richtung gelenkt werden, indem die Schallwandler 9 der Schallwandleranordnung 1 gemäß den entsprechenden Verzögerungszeiten des Signals betrieben werden.
Die Verzögerungszeit τj an jeder Position s(u,v) auf der Bezugsfläche 30 S der Schallwandleranordnung 1 wird durch die skalarwertige Verzögerungsfunktion τ(u, v) beschrieben.
In der Vektorrechnung ist der Gradient einer skalarwertigen Funktion τ von mehreren Variablen ein Vektorfeld
Figure imgf000026_0011
, dessen Komponenten durch partiellen Ableitungen von τ bestimmbar sind, insbesondere gilt
Figure imgf000026_0001
Dabei kann der Verzögerungsgradient auf folgende Weise ermittelt werden:
Figure imgf000026_0013
Die Skalarprodukte von den normierten Richtungsvektor 61
Figure imgf000026_0004
und Tangentenvektoren su und sv beziehungsweise
Figure imgf000026_0005
sind gegeben durch
Figure imgf000026_0002
Die Skalare können physikalisch als die lokalen Differentiale der Weglängen
Figure imgf000026_0006
zwischen der ebenen Welle und der Tangentialebene der Schallwandleranordnung 1 interpretiert werden.
Im Spezialfall einer planaren Schallwandleranordnung 1 , wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, sind gleich den in Fig. 6 illustrierten Größen
Figure imgf000026_0008
, welche die x-
Figure imgf000026_0007
bzw. z-Komponenten des Vektors
Figure imgf000026_0009
darstellen.
Die Beziehung zwischen dem Verzögerungsgradienten
Figure imgf000026_0012
aus Gleichung (5) und den Komponenten
Figure imgf000026_0010
ist durch die Schallgeschwindigkeit c gegeben. Daher können die partiellen Ableitungen der Verzögerungsfunktion τ beschrieben werden als
Figure imgf000027_0003
und
Figure imgf000027_0004
In der Praxis ist der Abstand zwischen den Schallwandlern 9 endlich. Daher müssen die Differentialgleichungen aus den Gleichungen (7a) und (7b) in diskrete Differenzengleichungen umgeschrieben werden. Die Verzögerungsdifferenzen Δuτ und Δvτ in u- beziehungsweise v- Richtung sind nun gegeben durch
Figure imgf000027_0001
und
Figure imgf000027_0002
wobei Δu und Δv die diskreten Schrittweiten in u- bzw. in v- Richtung sind. Die erforderliche Verzögerung kann durch numerische Integration des diskreten 2D- Vektorfeldes [Δuτ Δvτ] gefunden werden.
Es stehen mehrere mathematische Integrationsverfahren zur Verfügung, z. B. das Composite Trapezium, Simpson oder fortgeschrittenere inverse Gradienten- Verfahren. Dabei kann die Integrationskonstante frei gewählt werden. Um die Kausalitätsbedingung zu erfüllen und die System-Latenz zu minimieren, wird die minimale Verzögerung über alle Treiber von den berechneten Verzögerungen subtrahiert.
Der relative Verstärkungsfaktor für jede Position in der Schallwanderanordnung 1
Figure imgf000027_0005
ist gegeben durch das Skalarprodukt von normierten Richtungsvektor 61
Figure imgf000027_0006
und Normale n gemäß der Gleichung
Figure imgf000027_0007
wobei die Normale n wie in Gleichung (2) definiert ist. Durch das Betreiben der Schallwandler 9 gemäß den relativen Verstärkungsfaktoren ist gewährleistet, dass der Schalldruckpegel an der Empfängerposition r unabhängig vom Winkel des Richtungsvektors d auf die Normale n ist.
Mit steigender Schräge der Abstrahlung gegenüber der Normalen n wird die Zahl der Schallwandler 9 in einem gegebenen Raumwinkel Ω größer, so dass der Schalldruckpegel hier ansteigen würde.
Die Kompensation nach Gleichung (9) korrigiert dies entsprechend einer Cosinus- Funktion des Winkels γ in Fig. 4. Bei einer gleichmäßigen Verteilung der Koordinatenpunkte r ist damit eine sehr homogene Verteilung des Schalldruckes über den gesamten zu beschallenden Publikumsbereich 3 gewährleistet.
In Fig. 7 ist dargestellt, dass der zu beschallende Publikumsbereich 3 auch in einzelne Teilbereiche 701 ,702,703 mit unterschiedlichem Signalinhalt aufgeteilt werden kann.
Prinzipiell könnten diesen Teilbereichen dann auch Teilbereiche der
Schallwandleranordnung 1 zugeteilt werden. Eine deutlich zielgenaue Beschallung ergibt sich aber, wenn die hohe Richtwirkung der gesamten Anordnung genutzt wird, um die Signalinhalte auf die gewünschten Publikumsbereiche 3 auszurichten. In jedem der Teilbereiche 701 , 702, 703 entspricht die Zahl der Kreuzungspunkte 6 dann der Zahl der Kreuzungspunkte 5 des Hilfsrasters der Schallwandleranordnung 1 .
Bei gleichem Signalinhalt ist die Aufteilung in Teilbereiche nicht sinnvoll, wenn die Teilbereiche räumlich nicht ausreichend getrennt sind. Bei kohärentem Signalinhalt würden dann Kammfiltereffekte an den Bereichsgrenzen entstehen.
Einzelne Teilbereiche können auch kleiner sein als die zugeordnete Schallwandler 9 Fläche, soweit die Kreuzungspunkte des Hilfsrasters im Publikumsbereich 3 enger beieinander liegen, als im Hilfsraster der Schallwandleranordnung 1. In dem Fall entstehen konkave Wellenfronten, deren Schalldruckpegel im Publikumsbereich 3 höher ist als an der erzeugenden Strahlerfläche selbst.
Es ist auch möglich, die Größe eines Hilfsrasters im Publikumsbereich 3 auf einen Punkt zu reduzieren. Dann erzeugt die zweidimensionale Schallwandleranordnung 1 nach dem beschriebenen Vektor-basierenden Verfahren die selbe konkave
Wellenfront, wie sie in einer zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese bei einer virtuellen Schallquelle an diesem Punkt entsteht.
Mit den Koordinaten der Rasterpunkte 5 auf der Bezugsfläche der
Schallwandleranordnung 1 und ihren zugeordneten Koordinaten 6 im
Publikumsbereich 3 ist es auch möglich, den Schalldruckabfall bei höheren Frequenzen durch die Luftschalldämmung zu kompensieren. Bei gegebener Luftfeuchtigkeit sind die frequenzabhängigen Dämpfungswerte der Luft pro Meter exakt bekannt. Eine entsprechende inverse Entzerrungskurve kann dann jedem Schallwandler 9 zugeordnet werden, weil die Entfernung zum zugehörigen Zuschauerplatz (gegeben durch die Länge des Richtungsvektors d in Fig. 5) bekannt ist.
In großen Publikumsbereichen 3 kann der Schalldruckabfall an der Obergrenze des Audio-Bereichs bei trockener Luft deutlich über zehn dB steigen. Ohnehin muss dieser Frequenzbereich in einer flächigen Schallwandleranordnung 1 deutlich höher angesteuert werden, weil der Pegelgewinn durch die verbesserte Anpassung der synchron arbeitenden Lautsprechergruppe erst bei größeren Wellenlängen greift. Der zusätzliche Ausgleich der Luftschalldämmung für die weit entfernten Publikumsbereiche 3 kann das System deshalb bei hohen Signalpegeln im oberen Audiofrequenzbereich an die Grenze der Aussteuerbarkeit bringen.
Eine Lösung dieses Problems ist es, die Koordinatenpunkte r mit der Entfernung zur Schallwandleranordnung 1 dichter zueinander anzuordnen. Den weit entfernten Publikumsbereichen 3 ist dann der gleichen Zahl Schallwandler 9 eine kleinere Teilfläche 106 zugeordnet. Jede Halbierung der Fläche bewirkt einen Pegelanstieg um 3 dB, um den die Ansteuerung der zugeordneten Schallwandler 9 reduziert werden müsste, damit der Schalldruckpegel im gesamten Publikumsbereich 3 nahezu gleichbleibt. Das entsprechend reduzierte Ansteuersignal ist mit einem größeren Headroom in den zugeordneten Verstärkern verbunden. Dieser kann dann genutzt werden, um die Ansteuersignale stärker zu entzerren.
Die Lokalisation der Schallquelle unterscheidet sich im beschriebenen Verfahren grundlegend vvoonn der Lokalisation einer virtuellen Punktschallquelle der Wellenfeldsynthese. Virtuelle Schallquellen werden bei der Wellenfeldsynthese prinzipiell unabhängig von der Position des Zuhörers im Versorgungsbereich, vergleichbar einer realen Schallquelle, an ihrem virtuellen Ausgangspunkt lokalisiert.
Die auf den Publikumsbereich 3 zugeschnittene Wellenfront geht aber nicht von definierten Positionen virtueller Schallquellen aus. Sie entsteht gleichsam aus einer ausgedehnten Quelle vieler verschiedener Ausgangspunkte in dem Bereich hinter der Schallwandlerfläche. Der Zuschauer auf dem vorderen linken Platz in Fig. 2 wird den Ausgangspunkt der Wellenfront in der linken unteren Ecke der Schallwandleranordnung 1 zuordnen, für den Zuschauer rechts hinten kommt der Schall von der rechten oberen Ecke der Schallwandleranordnung 1. Das ist für die Wiedergabe ohne optischen Bezug zur Schallquelle kein Nachteil, eine räumliche Wiedergabe ist entsprechend der Figur 2 jedoch nur eingeschränkt möglich.
Gleichwohl kann das Verfahren dem Gebiet der Wellenfeldsynthese zugeordnet werden, weil es aus der theoretischen Ableitung der Wellenfeldsynthese aus dem Kirchhoff-Helmholtz Integral möglich ist, jede beliebige Form der Wellenfront zu erzeugen (Jens Ahrens: The Single-layer Potential Approach Applied to Sound Field Synthesis Including Cases of Non-enclosing Distributions of Secondary Sources, Dissertation, Technische Universität Berlin, 2010).
Weitere Ausgestaltungen
Bisher wurde davon ausgegangen, dass die Schallwandler 9 der Schallwandleranordnung 1 in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind. In der Praxis kann die Verteilung der Schallwandler 9 aber auch unregelmäßig sein. Dabei werden zuerst die Laufzeiten τ zu einem hinreichend dichten regulären Raster berechnet, wonach die Laufzeiten zu den irregulär platzierten Schallwandlern interpoliert werden.
Fig. 8 zeigt einen komplex gestalteten Publikumsbereich 3 mit Teilbereichen 802 und illustriert eine Bestückung der Schallwandleranordnung 1 mit Schallwandlern 9, wobei die Bestückung an die komplexe Gestaltung des Publikumsbereichs 3 angepasst ist.
In der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Zuordnung zwischen Punkten auf der Schallwandleranordnung 1 und Punkten im Publikumsbereich 3 mittels einer Zuordnung von Kreuzungspunkten der Hilfsraster 5 der Schallwandleranordnung 1 zu Kreuzungspunkten des Hilfsrasters 6 des Publikumsbereichs 3. Jedoch sind nicht allen Kreuzungspunkten des Hilfsrasters 5 Schallwandler 9 der Schallwandleranordnung 1 zugeordnet, mit anderen Worten, es bleiben Kreuzungspunkte des Hilfsrasters 5 unbestückt. Insbesondere finden sich unbestückte Kreuzungspunkte zwischen bestückten Kreuzungspunkten.
Die Form der Schallwandleranordnung 1 kann so bei Festinstallationen an die komplexe Gestaltung und / oder die Geometrie des Publikumsbereiches 3 angepasst werden. Das ermöglicht einen effektiveren Einsatz der Schallwandler.
Das Hilfsraster 6 im Publikumsbereich 3 kann z.B. ein Rechteck sein, es kann insbesondere über die Publikumsfläche hinausgehen.
Unregelmäßige Formen des Hilfsrasters 6 können bei den Berechnungen nach dem beschriebenen Verfahren zu falschen Ergebnissen führen.
Kreuzungspunkten des Hilfsrasters 6 im Publikumsbereich 3, denen kein Publikum zugeordnet ist, d.h. der im vorliegenden Fall außerhalb der zu beschallenden Teilbereiche 5a, 5b, 5c des Publikumsbereichs 3 liegt, werden Hilfsrasterpunkten des Hilfsrasters 5 der Schallwandlerfläche zugeordnet, die nicht mit Schallwandlern bestückt werden oder abgeschaltet sind.
Am Hilfsraster 5 der Schallwandleranordnung 1 richten sich gegebenenfalls auch eingesetzte Tiefmittelton-Schallwandler aus. Die Berechnung ihrer Laufzeiten und Pegel richtet sich nach den nahe gelegenen Rasterpunkten. Die Zeitverschiebung bei eventuellen Tiefenversatz ist auszugleichen. Auch die Phasenlage von Subwoofern kann auf diese Weise effektiv angepasst werden. Verfahrensgemäß wird die kürzeste aller berechneten Laufzeiten zu den einzelnen Schallwandlern von allen berechneten
Laufzeiten subtrahiert, so dass die Front der dem Publikumsbereich 3 angepassten Wellenfront immer unmittelbar erzeugt wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Lösung betrifft eine Vorrichtung, die entsprechend den Regeln des beschriebenen Verfahrens geformt ist. Mit ihr kann eine einzelne Wellenfront, die in ihrer Form an den gegebenen Zuhörerbereich angepasst ist, ohne elektronische Zeitverschiebung des Signals aus einem Monosignal erzeugt werden. Diese mechanische Lösung kann bei Festinstallationen in akustisch problematischer Umgebung vorteilhaft sein. So kann mit vertretbarem Aufwand ein Beschallungssystem installiert werden, das auch unter ungünstigen akustischen Bedingungen einen hohen Direktschallanteil mit entsprechend guter Sprachverständlichkeit gewährleistet.
In Fig. 9 ist eine mechanisch gekrümmte Schallwandleranordnung 1 beispielhaft illustriert.
Mittels der mechanisch gekrümmten Schallwandleranordnung 90 kann der mit Bezug auf in Fig. 4 beschriebene zu beschallende Publikumsbereich 3 mit einer zugeschnittenen gemeinsamen Wellenfront 4 versorgt werden.
Dabei wird der Betrieb der Schallwandler 9 der Schallwandleranordnung 1 gemäß der nach dem beschriebenen Verfahren gewonnenen Verzögerungszeiten τj mechanisch realisiert. Alle Schallwandler werden mit kohärentem Signal, also aus einer Mono Signalquellequelle, versorgt.
Die mechanische Realisierung wird durch geeignete Positionierung der Schallwandler 9 auf der mechanisch gekrümmten Schallwandleranordnung 90 erreicht, insbesondere durch einen geeigneten räumlichen Versatz, insbesondere einen Versatz in Ausbreitungsrichtung der gemeinsamen Wellenfront, der Schallwandler 9 zueinander.
Um die jeweilige Position der Schallwandler 9 in der für den zu beschallenden Publikumsbereich 3 in der angepassten Schallwandlerfläche zu bestimmen, wird eine Wegstrecke Sd, ausgehend von dem zugehörigen Rasterpunkt eines ebenen Hilfsrasters 5 entlang der verlängerten Diagonale des für den Einheitsvektor 61 bestimmten Quaders 40 abgetragen.
Mithilfe der daher bekannten Wechselwinkel α und β können in den rechtwinkligen Dreiecken des Quaders 40 die neuen Koordinaten für das akustische Zentrum des betreffenden Schallwandlers 9 und auch seine Ausrichtung bestimmt werden.
Die nach den beschriebenen Methoden berechneten Verzögerungszeiten für die einzelnen Schallwandler 9 entstehen durch den mechanischen Versatz der akustischen Zentren der jeweiligen Schallwandler 9 entlang der Diagonale Sd der jeweiligen Quader. Die unterschiedlichen Signalpegel für die einzelnen Schallwandler 9 dieser zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 können dann an einem gemeinsamen Endverstärker durch geeignete Parallel- und Reihenschaltung der Schallwandler 9 näherungsweise realisiert oder durch den Anschluss an verschiedene Verstärker, die jeweils Schallwandler 9 mit annähernd gleichen Pegel Werten zugeordnet werden, realisiert werden.
Soweit die Schallwandler 9 keine signifikanten Einbrüche in ihrer räumlichen Abstrahlcharakteristik haben, müssen sie nicht in Richtung der Diagonalen des Quaders ausgerichtet werden. Dann kann das Verfahren auch durch eine Vorrichtung zur Transversalverschiebung von Schallwandlern, wie sie in WO 2015/004526/A2 beschrieben ist, realisiert werden. Die Verschiebung sy des akustischen Zentrums vom Rasterpunkt des ursprünglichen Schallwandler-Raster ergibt sich dann aus dem Quotienten
Figure imgf000033_0001
Mit einer einzelnen mechanischen Vorrichtung kann keine räumliche Beschallung des Publikumsbereiches 3 erzeugt werden. Sie ist geeignet, mit überschaubarem Aufwand eine Beschallung zu gewährleisten, bei der die Verteilung des Schalldruckpegels im gesamten Publikumsbereich 3 sehr gleichmäßig ist und die auch in akustisch ungünstigen Räumen eine hohe Sprachverständlichkeit gewährleistet.
Im Folgenden werden noch einige Ausführungsformen für Verfahren und Vorrichtungen zur Beschallung eines gegebenen Publikumsbereiches 3 mittels einer Schallwandleranordnung 1 , die in Anlehnung an das Prinzip der Wellenfeldsynthese mit individuellen Verzögerungszeiten und Pegeln ansteuert werden, dargestellt.
So kann z.B. einer Variante 1 in einem Verfahren die Form der akustischen gemeinsamen Wellenfront 4, die durch Superposition von Elementarwellen 8 der Schallwandler 9 zusammengesetzt wird, von der gegebenen Geometrie von Publikumsbereich 3 und Schallwandleranordnung 1 in der Weise bestimmt werden, dass in einem gemeinsamen Koordinatensystem 2 jedem Kreuzungspunkt eines regelmäßigen, zumindest teilweise ebenen und / oder gekrümmten Rasters, dass den Schallwandlern zugeordnet ist, ein Koordinatenpunkt im Publikumsbereich 3 zugeordnet wird, wobei sich aus deren Verbindungslinie ein Vektor ergibt, aus dem durch mathematische Verknüpfung die Verzögerungszeit für den jeweils zugeordneten Schallwandler 9 berechnet werden kann, wodurch die lokale Krümmung der Wellenfront, die durch Superposition der Elementarwellen 8 der umliegenden Schallwandler 9 entsteht, in Richtung dieses Vektors fortschreitet, so dass eine geschlossene Wellenfront entsteht, die den gesamten Publikumsbereich 3 erreichen kann und in der zudem eine Pegelkorrektur für jeden Schallwandler 9 aus seinem zugeordneten Vektor möglich wird, welche die Homogenität des Schalldruckes über den gesamten Publikumsbereich 3 verbessert.
In einer Ausgestaltung der Variante 1 sind z.B. die Koordinatenpunkte in der Ebene der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 Kreuzungspunkte eines ebenen oder gekrümmten Rasters, dem in einem gemeinsamen Koordinatensystem 2 Koordinatenpunkte im Publikumsbereich 3 zugeordnet sind, wobei sich die Verbindungslinien zwischen den jeweils zugeordneten Rasterpunkten und Punkten im Publikumsbereich 3 nicht kreuzen oder schneiden.
In einer weiteren Ausgestaltung entspricht die Anzahl der Rasterlinien in der Ebene der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 in horizontaler und Vertikaler Richtung jeweils der Anzahl der in den Zeilen und Spalten der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 verbauten Schallwandler. Alternativ kann die Anzahl der Rasterlinien größer sein als die Anzahl der Schallwandler 9 in den Zeilen und Spalten der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 , wobei das akustische Zentrum der einzelnen Schallwandler 9 im Kreuzungspunkt der Rasterlinien angeordnet werden kann. Die Werte für Verzögerungszeit und / oder Pegel können beispielsweise durch Interpolation der Werte der umgebenden Rasterpunkte ermittelt werden, dass die Bezugspunkte im Publikumsbereich 3 in allen drei Raumdimensionen an die Erfordernisse der Geometrie des Publikumsbereiches 3 angepasst werden können, wobei darauf zu achten ist, dass die Flächen zwischen den einzelnen Rasterpunkten über den gesamten Publikumsbereich 3 etwa gleich groß bleiben, wodurch sich eine relativ gleichmäßige Verteilung des Schalldruckpegels über den gesamten Publikumsbereich 3 ergibt.
In einerweiteren Ausgestaltung der Variante 1 oder einer der obigen Varianten werden die Vektoren, die sich aus der Differenz der Koordinaten des dem jeweiligen Schallwandler 9 zugeordneten Rasterpunktes in der Ebene der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 zu der jeweiligen Position des zugeordneten Koordinaten Punktes im Publikumsbereich 3 ergeben, auf Komponenten des Einheitsvektors zurückgeführt, um eine mathematische Grundlage für die Bestimmung der Zeitdifferenzen zwischen benachbarten Schallwandlern zu schaffen.
Grundsätzlich müssen nicht allen Kreuzungspunkten des Hilfsrasters physische Schallwandler 9 zugeordnet sein, die den gleichen Frequenzbereich abstrahlen. Dadurch wird es beispielsweise möglich, die Bestückung in den Bereichen, in denen Tiefmittelton Schallwandler 9 ihre Schallaustrittsöffnung haben zu unterbrechen oder Hochtonlautsprecher vor den Tief-Mittelton-Schallwandlern zu platzieren, wobei die Laufzeitunterschiede durch den mechanischen Versatz durch Interpolation an den Kreuzungspunkten des Hilfsrasters kompensiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der oben beschrieben Varianten wird der Einfluss des Winkels, den die synthetisierte Wellenfront an einem gegebenen Rasterpunkt zu der Ebene der Schallwandleranordnung 1 einnimmt, auf den am zugeordneten Punkt im Publikumsbereich 3 wahrgenommenen Signalpegel hat, dadurch kompensiert, dass der Pegel des dem jeweiligen Punkt zugeordneten Schallwandlers mit der Cosinus- Funktion des betreffenden Winkels kompensiert wird, wobei der Wert dieser Cosinus- Funktion dem Wert der Komponente
Figure imgf000035_0001
des Einheitsvektors entspricht.
Figure imgf000035_0002
Den Kreuzungspunkten des ebenen oder gekrümmten Rasters in der Ebene der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 können grundsätzlich auch mehrere Hilfsraster in der Publikums Fläche, jeweils mit der gleichen Anzahl von Punkten wie das Raster in der Ebene der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 , zugeordnet werden, wodurch Teilbereiche innerhalb der Publikumsfläche beispielsweise simultan mit unterschiedlichem Signalinhalt versorgt werden können.
Die Bezugspunkte im Publikumsbereich 3 können mit zunehmender Entfernung von der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 enger verteilt werden, beispielsweise in der Absicht, die Flächen zwischen den Bezugspunkten mit der Entfernung von der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 kleiner werden zu lassen, damit die zugeordneten Schallwandler 9 der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 bei unverändertem Schalldruck in dem jeweiligen Bereich mit weniger Pegel angesteuert werden können, wodurch mehr Headroom für die Kompensation des Höhenabfalles durch die Luftschalldämmung in diesen Bereichen zur Verfügung steht. Der Einfluss der Luftschalldämmung auf das Signal am Zuschauerplatz für die einzelnen Schallwandler 9 kann dadurch kompensiert werden, dass ihr jeweiliges Eingangssignal mit der inversen Entzerrung des Einflusses der Luftschalldämmung bei gegebener Luftfeuchtigkeit entsprechend der Distanz ||d|| des zugeordneten Vektors kompensiert werden kann.
Grundsätzlich können einzelne Publikumsbereiche 3, beispielsweise temporär, von der Versorgung ausgenommen werden. Zum Beispiel, wenn sie bei einer Veranstaltung nicht besetzt werden, wodurch sich der Direktschall-Anteil im übrigen Publikumsbereich 3 verbessert.
In einer Vorrichtung zur Beschallung eines gegebenen Publikumsbereiches 3 sind die Laufzeiten, mit der die einzelnen Schallwandler 9 der zweidimensionalen Schallwandleranordnung 1 gemäß einer der oben beschriebenen Verfahrensvarianten abstrahlen, nicht durch elektronische Verzögerung des Signalinhaltes, sondern durch die mechanische Positionierung der Schallwandler, die mit kohärenten Signalen angesteuert werden, realisiert, wobei die Signalpegel für den jeweiligen Schallwandler 9 den für die ursprünglichen Kreuzungspunkte des Rasters bestimmten Werten entsprechen.
Bezugszeichen
1 Schallwandleranordnung
2 Gemeinsames Koordinatensystem
3 Publikumsbereich
4 Aus Elementarwellen gebildete Wellenfront
5 Hilfsraster auf der Bezugsfläche der Schallwanderanordnung
6 Hilfsraster im Publikumsbereich
7 Richtungsvektor
8 Elementarwellen
9 Schallwandler
10 Versorgungsbereich der Wellenfront
105 Teilbereiche der Wellenfront
106 Teilbereiche des Publikumsbereiches
12 virtuelle Schallquelle
30 Gekrümmte Schallwandlerfläche
31 Normale
40 Quader zur Vektorbestimmung
50 lokale Richtung der gemeinsamen Wellenfront
60 normierter Quader mit der Diagonale eins
61 normierter Richtungsvektor
701 ,702, 703 Teilbereiche des Publikumsbereichs
801 Verwendte Kreuzungspunkte
802 Feste Publikumsbereiche
90 Mechanisch gekrümmte Schallwandleranordnung
91 Räumlicher Versatz

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Beschallung mindestens eines Publikumsbereichs (3) durch eine mindestens eine Schallwandleranordnung (1 ) mit einer Vielzahl von Schallwandlern (9), wobei die einzelnen Schallwandler (9) der mindestens einen Schallwandleranordnung (1 ) jeweils Elementarwellen (8) abstrahlen, die sich zu einer gemeinsamen Wellenfront (4) überlagern, dadurch gekennzeichnet, dass a) die mindestens eine Schallwandleranordung (1 ) und der mindestens eine Publikumsbereich (3) durch ein Koordinatensystem (2) miteinander geometrisch verknüpft sind und b) zwischen den physischen Positionen der einzelnen Schallwandler (9) in der mindestens einen Schallwandleranordnung (1 ) und Positionsvektoren si zur
Festlegung von Koordinaten im Bereich der mindestens einen
Schallwandleranordnung (1 ) eine räumliche Zuordnung besteht, und ferner c) eine Zuordnung von Punkten des Koordinatensytems (2) zu Punkten im mindestens einen Publikumsbereich (5) entsprechend einem Positionsvektor ri besteht, wobei d) sich in dem Koordinatensystem (2) Richtungsvektoren, insbesondere normierte
Richtungsvektoren (61 ) ergeben und wobei
Figure imgf000038_0001
e) in Abhängigkeit von der räumlichen Zuordung der Positionsvektoren si und der Schallwandler (9) Verzögerungszeiten τj für die Schallwandler (1 ) bestimmt werden, mit der Elementarwellen (8) durch die Schallwandler (9) abgestrahlt werden, wobei e) die Verzögerungszeiten τj der Schallwandler (9) jeweils so gewählt ist, dass die lokale Richtung (50) der gemeinsamen Wellenfront (4) der Richtung des Richtungsvektors, insbesondere des normierten Richtungsvektors (61 )
Figure imgf000038_0002
entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandler (9) der mindestens einen Schallwandleranordnung (1 ) in oder auf einer Ebene oder in oder auf einer mindestens teilweise gekrümmten oder ebenen Fläche (30), insbesondere gitterartig, angeordnet sind, wobei die Position der akustischen Zentren der Schallwandler von den Kreuzungspunkten des Hilfsrasters (5) abweichen kann, soweit die damit verbundene Änderung von Verzögerungszeit und Pegel durch räumliche Interpolation oder andere Verfahren korrigiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandler (9) der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) in einem dreidimensionalen Bereich, insbesondere einem Raum, angeordnet sind, insbesondere so, dass mindestens eine Teilmenge der Schallwandler (9) der mindestens einen
Schallwandleranordnung (1) auf einer Referenzfläche (30) angeordnet ist und die Positionen der übrigen Schallwandler (9) der mindestens einen
Schallwandleranordnung (1) sich durch einen Versatz (91) in den dreidimensionalen Bereich bestimmen lassen.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Schallwandler (9) mit Verzögerungszeit τj durch eine Ansteuerung mittels eines Computersystems und / oder mechanisch, insbesondere durch räumlichen Versatz (91) der Schallwandler (9) der mindestens einen Schallwandleranordnung (1 ) zueinander, gesteuert wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens ein Publikumsbereich (3) mindestens teilweise eine konkave und / oder mindestens teilweise eine konvexe Form aufweist.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Publikumsbereich (3) als eine zusammenhängende Fläche beschreibbar ist.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Publikumsbereich (3) als eine unzusammenhängende Fläche, welche aus mindestens zwei zusammenhängenden Flächen zusammengesetzt ist, beschreibbar ist.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsvektoren si ein regelmäßiges Raster ergeben.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsvektoren ri ein regelmäßiges Raster (6) auf einer dem mindestens einen Publikumsbereich (3) zugeordneten Fläche ergeben.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung, die jedem Positionsvektor si den Punkt im mindestens einen Publikumsbereich (3) entsprechend dem Positionsvektor ri zuordnet, mittels Verbindungslinien von der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) in den Publikumsbereich (3) bestimmbar ist.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pegel, mit denen die Schallwandler (9) der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) betrieben werden, so angepasst sind, dass der Schalldruck im mindestens einen Publikumsbereich (3) homogen ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pegel, mit denen die Schallwandler (9) der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) betrieben werden, mittels eines relativen Verstärkungsfaktors ermittelbar sind, basierend auf der Vorschrift
Figure imgf000040_0001
, wobei ni jeweils die Normale zur Bezugsfläche (30) S am Positionsvektor si der dem Schallwandler (9) zugeordnet ist beschreibt.
13. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Publikumsbereich (3) mindestens zwei Teilbereiche aufweist, die mit unterschiedlichem Signalinhalt beschallt werden.
14. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Wellenfront (4) so geformt ist, dass sie der Geometrie des mindestens einen Publikumsbereichs (3) anpasst ist, indem eine Zuordnung der Rasterpunkte erfolgt und die gemeinsame Wellenfront (4) dann so geformt wird, dass gleich großen Teilbereichen (106) des mindestens einen Publikumsbereiches (3) im Wesentlichen die gleiche Anzahl von Schallwandlern (9) der Schallwandleranordnung (1 ) zugeordnet ist.
15. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teilbereichen des mindestnes einen Publikumsbereiches (3) Teilbereiche der Schallwandleranordnung (1 ) zugeteilt sind, denen simultan ein unterschiedlicher Audioinhalt zugeordnet werden kann, wobei eine Richtwirkung der Schallwandlervorrichtung (1) genutzt wird, um Signalinhalte auf vobestimmte Teile des mindestens einen Publikumsbereiches (3) auszurichten, wobei in jedem der Teilbereiche (701 , 702, 703) die Zahl der Kreuzungspunkte (6) dann der Zahl der Kreuzungspunkte (5) des Hilfsrasters der Schallwandleranordnung (1 ) entspricht.
16. Verfahren zur Bestimmung von Verzögerungszeiten τj zum Betreiben von Schallwandlern (9) mindestens einer Schallwandleranordnung (1 ) mit einer Vielzahl von Schallwandlern (9) j zur Erzeugung von Elementarwellen (8) gemäß der Verzögerungszeiten τj zur Beschallung mindestens eines Publikumsbereichs (3), folgende Schritte umfassend
Bestimmung eines Koordinatensystems (2), durch welches o die mindestens eine Schallwandleranordnung (1 ) näherungsweise als eine zwei-dimensionale Bezugsfläche (30) S der mindestens einen Schallwandleranordnung (1 ) sowie o der mindestens eine Publikumsbereich (3) näherungsweise beschrieben sind,
Bestimmung von Positionsvektoren s auf der Bezugsfläche (30) 5 der mindestens einen Schallwandleranordnung (1), aus welchen die Positionen der Schallwandler (9) der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) ermittelbar sind,
Bestimmung einer Zuordnung, welche jedem Positionsvektor s auf der Bezugsfläche (30) 5 der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) einen Positionsvektor r entsprechend einem Punkt im mindestens einen Publikumsbereich (3) zuordnet, Bestimmung von Richtungsvektoren, insbesondere normierten
Richtungsvektoren (61 ) d ausgehend von den Positionsvektoren s, wobei die normierten Richtungsvektoren (61) d ausgehend von den Positionsvektoren s jeweils in Richtung des dem Positionsvektor s zugeordneten Positionsvektors r zeigt; und
Bestimmung von Verzögerungszeiten τj für Schallwandler so dass sich die von den Schallwandlern (9) erzeugten Elementarwellen (8) bei Betrieb gemäß der Verzögerungszeiten τj ZU einer gemeinsamen Wellenfront (4) überlagern, wobei die normierten Richtungsvektoren (61) d jeweils lokale Ausbreitungsrichtungen (50) der gemeinsamen Wellenfront (4) beschreiben.
17. Verfahren nach Anspruch 16, umfassend eine Bestimmung von relativen Verstärkungsfaktoren dn für mindestens eine Teilmenge der Positionsvektoren s gemäß der Vorschrift dn = d ■ n, wobei n eine Normale zu der Bezugsfläche (30) 5 der Schallwandleranordnung (1 ) an dem durch den Positionsvektor s bestimmten Punkt ist und d der normierte
Richtungsvektor (61 ) ausgehend von dem Positionsvektor s.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsvektoren s die Positionen der Schallwandler (9) beschreiben.
19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Positionsvektor s auf der Bezugsfläche (30) 5 der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) ein Positionsvektor r auf einer Bezugsfläche R des mindestens einen Publikumsbereichs (3) zugeordnet ist und die Bestimmung des Richtungsvektors, insbesondere des normierten Richtungsvektors (61) d für mindestens einen Positionsvektor s mittels einer Verbindungslinie (7) zwischen dem Positionsvektor s und dem Positionsvektor r erfolgt, insbesondere 1 — s gemäß der Berechnungsvorschrift d = |r-s|
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verbindungslinien (7) zur Bestimmung der normierten Richtungsvektoren (61) d jeweils paarweise nicht kreuzen oder schneiden.
21. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung zwischen dem Positionsvektor s und dem Positionsvektor r automatisch, insbesondere anhand einer 3D-CAD Datei des mindestens einen Publikumsbereichs (3), erfolgt.
22. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsvektoren r gleichmäßig auf der Bezugsfläche R des mindestens einen Publikumsbereichs (3) verteilt sind, und dadurch gleichmäßig verteilten Punkten im mindestens einen Publikumsbereich (3) entsprechen.
23. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsfläche R des mindesens einen Publikumsbereichs (3) durch ein Hilfsraster (6) beschrieben ist, auf dem die Positionsvektoren r mindestens teilweise Kreuzungspunkte sind.
24. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsfläche (30) S der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) durch ein Hilfsraster (5) beschrieben ist, auf dem die Positionsvektoren s mindestens teilweise Kreuzungspunkte sind.
25. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsfläche (30) S der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) mittels der Koordinaten s(u,v) = [x(u,v) y(u,v) z(u,v)] parametrisiert ist, wobei u und v reelle, kontinuierliche Variablen oder diskrete Variablen sind und somit insbesondere die Positionsvektoren s in der Form s = s(u, v) beschreibbar sind.
26. Verfahren nach Anspruch 16 und 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Normale n zu der Bezugsfläche (30) S der Schallwandleranordnung (1) an dem durch den s = s(u, v) beschriebenen Punkt gegeben ist durch das Kreuzprodukt von su and sv als n = su x sv, wobei su und sv gegeben sind durch die partiellen Ableitungen beziehungsweise
Figure imgf000044_0002
Figure imgf000044_0001
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der jeweiligen Verzögerungszeiten τj zunächst eine skalarwertige Funktion von Verzögerungszeiten τ(u, v) für eine endliche Menge von Positionsvektoren der Form s = s(u,v) ermittelt wird und die Bestimmung der Verzögerungszeiten τj für die Schallwandler (9) mit Positionsvektor si zumindest teilweise durch Interpolation von jeweils mindestens zwei Werten der Form τ(u, v) erfolgt.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die skalarwertige Funktion von Verzögerungszeiten τ(u, v) mittels numerischer Integration des diskreten 2D-Vektorfeldes [Δuτ Δvτ] bestimmt wird,
- wobei die Verzögerungsdifferenzen Δuτ in u - Richtung bzw. Δvτ in v - Richtung gegeben sind durch beziehungsweise
Figure imgf000045_0001
- wobei Δu und Δv jeweils diskrete Schrittweiten in u - Richtung beziehungsweise v - Richtung beschreiben,
- wobei c die Schallgeschwindigkeit beschreibt und
- wobei
Figure imgf000045_0003
und
Figure imgf000045_0004
durch die Skalarprodukte beziehungsweise
Figure imgf000045_0002
gegeben sind, wobei
Figure imgf000045_0005
jeweils den normierten Richtungsvektor (61) ausgehend vom Positionsvektor s = s(u,v) beschreibt und su und sv Tangentenvektoren zu der Bezugsfläche (30) 5 ausgehend vom Positionsvektor s = s(u, v) beschreiben, insbesondere wobei su und sv gegeben sind durch die partiellen Ableitungen beziehungsweise
Figure imgf000045_0006
Figure imgf000045_0007
29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass das numerische Integrationsverfahren das Composite Trapezium Verfahren, das Simpson Verfahren, das Romberg Verfahren oder das fortgeschrittenere inverse Gradienten Verfahren, umfasst.
30. Computerprogrammprodukt zur Bestimmung von Verzögerungszeiten τj zum Betreiben von Schallwandlern (2) i mindestens einer Schallwandleranordnung (1 ) mit einer Vielzahl von Schallwandlern (2) i zur Erzeugung von Elementarwellen (3) gemäß der Verzögerungszeiten τi zur Beschallung mindestens eines Publikumsbereichs (5) dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogrammprodukt Mittel zur Ausführung wenigstens einer Anweisung zur Bestimmung von Verzögerungszeiten τj für Schallwandler j gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 16 bis 29 enthält oder verwendet.
31. Eine Vorrichtung zur Beschallung mindestens eines Publikumsbereiches (3), welche mindestens eine Schallwandleranordnung (1 ) mit einer Vielzahl von Schallwandlern (9) umfasst, wobei die mindestens eine Schallwandleranordnung (1 ) nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 betreibbar ist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31 , wobei die mindestens eine Schallwandleranordung (1 ) und der mindestens eine Publikumsbereich (3) durch ein Koordinatensystem (2) miteinander geometrisch verknüpft sind und zwischen den physischen Positionen der einzelnen Schallwandler (9) in der mindestens einen Schallwandleranordnung (1 ) und Positionsvektoren si zur Festlegung von Koordinaten im Bereich der mindestens einen Schallwandleranordnung (1) eine räumliche Zuordnung besteht, und ferner eine Zuordnung von Punkten des Koordinatensytems (2) zu Punkten im mindestens einen Publikumsbereich (5) entsprechend einem Positionsvektor ri besteht, wobei sich in dem Koordinatensystem (2) Richtungsvektoren, insbesondere normierte
Richtungsvektoren (61 ) ergeben,
Figure imgf000046_0001
gekennzeichnet durch ein Mittel zur Steuerung der Schallabstrahlung der Schallwandler (9), das in Abhängigkeit von der räumlichen Zuordung der Positionsvektoren si zu den Schallwandlern (9) Verzögerungszeiten τj für die Schallwandler (1 ) bestimmt, mit der Elementarwellen (8) durch die Schallwandler (9) abgestrahlt werden, wobei die Verzögerungszeiten τj der Schallwandler (9) jeweils so gewählt ist, dass die lokale Richtung (50) der gemeinsamen Wellenfront (4) der Richtung des Richtungsvektors, insbesondere des normierten Richtungsvektors (61 )
Figure imgf000047_0002
entspricht und ein Mittel zur Zuordnung jedes Schallwandlers (9) zu einem Punkt im mindestens einen Publikumsbereich (3) entsprechend einem Positionsvektor ri, so dass sich normierte
Richtungsvektoren (61 ) ergeben und
Figure imgf000047_0001
ein Mittel zur Bestimmung der Verzögerungszeit τj der Schallwandlers (9) so, dass die lokale Richtung (50) einer gemeinsamen Wellenfront (4) der Richtung des normierten Richtungsvektors (61 )
Figure imgf000047_0003
entspricht, wobei insbesondere die einzelnen Schallwandler (9) der mindestens einen Schallwandleranordnung (1 ) jeweils Elementarwellen (8) abstrahlen, die sich zu einer gemeinsamen Wellenfront (4) überlagern und die mindestens eine Schallwandleranordnung (1 ) und der mindestens eine Publikumsbereich (3) einem gemeinsamen Koordinatensystem (2) zugeordnet sind, in welchem die Positionen der einzelnen Schallwandler (9) der mindestens einen Schallwanderanordnung (1 ) und der Schallwandler jeweils mit einer Verzögerungszeit τj zur Abstrahlung von Elementarwellen (8) betreibbar ist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass das unterschiedliche Laufzeiten für die Schallwandler (9) der Schallwandleranordnung (1 ) unter Verwendung einer mechanischen oder geometrischen Positionierung der Schallwandler (9), die mit kohärenten Signalen angesteuert werden, realisiert sind, wobei insbesondere die Signalpegel für den jeweiligen Schallwandler (9) den für die ursprünglichen Kreuzungspunkte des Rasters bestimmten Werten entsprechen können.
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