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Die hier offengelegte Vorrichtung dient zur Visualisierung von Schwingungen bei Flächenlautsprechern und/oder zum Schwingen angeregten, wenigstens teilweise akustisch wirksamen Objekten, deren Schallerzeugung wenigstens teilweise auf der Basis des Biegewellenprinzips beruht. Dabei können die Frequenzen der Schwingungen vorzugsweise wenigstens teilweise im Hörbereich des Menschen liegen. Die Visualisierung umfaßt wenigstens einen Teil der erzeugten Schwingungen und/oder Frequenzen. Weiterhin wird ein Verfahren beschrieben, das den Betrieb der genannten Anordnung aufzeigt.
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Erklärung:
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Unter „Flächenlautsprechern” werden in dieser Offenlegung sogenannte Transversalwellen oder Biegewellen Schallerzeuger verstanden. Im Gegensatz dazu werden bei den meisten konventionell verwendeten Schallerzeugern sog. Longitudinalwellen Lautsprecher verwendet. Unter „akustisch wirksamen Objekten” werden Objekte verstanden, die neben der Aufgabe der Schallerzeugung noch eine weitere nicht akustische Funktion besitzen. Beispielsweise ist eine Motorhaube ein Objekt, das als akustisch wirksames Objekt eingesetzt werden kann, aber zusätzlich eine weitere Funktion, nämlich die einer Motorhaube, ausübt. Unter „Biegewellenprinzip” wird das Transversalwellen Erzeugungsprinzip verstanden.
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Ein Longitudinalwellen Lautsprecher arbeitet wie ein Kolbenhub Lautsprecher. Eine meist konusförmige Membrane wird durch ein elektrisch verstärktes Audiosignal dazu angeregt sich auf einer Achse hin- und herzubewegen und somit ein akustisches Abbild des Audiosignals wenigstens teilweise zu erzeugen. Die von diesem Lautsprecher erzeugten Schallwellen sind in longitudinaler Richtung zu ihm ausgerichtet.
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Ein Transversalwellen Lautsprecher arbeitet wie eine vibrierende Fläche, die biegewellenartige Bewegungen durchführt. Durch einen entsprechenden Vibrations-Antrieb, der meist elektrodynamisch erfolgt, wird die Fläche angeregt. Diese vibrierende Fläche, im folgenden auch Membrane genannt, erzeugt nun ein Schallwellenbild, das zu oben genannten Longitudinalwellen vollkommen unterschiedlich ist. Dieses Wellenbild wird Transversalwellenbild oder Biegewellenbild genannt, da es sich entlang der Schallfläche entwickelt. Dieses Prinzip ist beispielsweise im Musikinstrumentenbau seit Jahrhunderten bekannt. Im Lautsprecherbau gibt es dieses Prinzip wenigstens seit dem Blatthaller, einer Erfindung von Walter Schottky bei Siemens im Berlin der 1920er Jahre. Weitere im Stand der Technik aufgeführte Patente geben Aufschluß darüber, daß das Transversalwellenprinzip gut bekannt ist. Lautsprecher die nach diesem Prinzip arbeiten besitzen eine meist plattenförmige Membran. Diese kann plan oder auch gekrümmt sein. Durch einen entsprechenden Antrieb wird die Membranfläche zu Vibrationen angeregt. Diese Vibrationen regen die die Membran umgebende Luft zum Schwingen an. Liegen die Schwingungsfrequenzen im Hörbereich so werden sie als akustisches Ereignis wahrgenommen. Das schallerzeugende Prinzip beruht also auf einer flächenhaft ausgebildeten Membran, die vibriert und somit das sie umgebende Medium, beispielsweise Wasser oder Luft zum Schwingen anregt.
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Aus der Druckschrift
US 4,205,585 A ist ein audiovisuelles Konvertierungssystem bekannt. Eine Membrane wird durch ein Audiosignal in Schwingungen versetzt. Die Membrane weist einen Spiegel auf, der von einer Lichtquelle bestrahlt wird. Der Spiegel bewegt sich mit der Membrane entsprechend dem Audiosignal und lenkt dabei den Lichtstrahl in entsprechende Richtungen, so dass an einer Projektionswand Muster entstehen.
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Darüber hinaus offenbart die Druckschrift
DE 20 2005 001 730 U1 eine Leuchteinrichtung mit einem Leuchtmittel, der ein veränderliches Steuersignal zugeführt wird. Durch das Steuersignal wird eine nur unbewusst durch das menschliche Auge wahrnehmbare Veränderung der Intensität des vom Leuchtmittel ausgehenden Lichts bewirkt. Das Steuersignal ist ein Signal veränderlicher Frequenz beziehungsweise Amplitude.
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In der Druckschrift
DE 1 959 101 ist eine audio-visuelle Anlage beschrieben. Es ist eine Lichtquelle vorgesehen, deren Licht durch eine Linse und eine nachgeschaltete Blende hindurchtritt. Es wird dann an einer Membrane reflektiert, um an einem geeigneten Schirm aufgefangen zu werden, der so angeordnet ist, dass er von einem Zuhörer betrachtet werden kann. Die Membrane wird von einem Lautsprecher in Schwingungen versetzt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Schwingungen insbesondere bei Flächenlautsprechern besser zu visualisieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 9.
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Einsatzmöglichkeiten:
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- 1.) Eine gut funktionierende Beschallung in öffentlichen Bereichen wie beispielsweise Tunnelanlagen, Bahnhöfen, Stadien, Kreuzfahrtschiffen und dergleichen ist die Grundvoraussetzung für eine schnelle Evakuierung der Menschen im Katastrophenfall. Lautsprecherdurchsagen oder Warnsignale werden bekanntermaßen dazu benutzt um Notzustände auszurufen. Hierbei werden Schallwellen erzeugt und in das die Menschen umgebende Medium, meistens also in die Luft, ausgesendet. Mit Hilfe des Ohres werden diese Schallereignisse wahrgenommen. Dies gilt jedoch nur für den hörenden Menschen. Hörbehinderte Menschen nehmen diese Signale nicht oder nur schlecht wahr. Werden nun für die Erzeugung der Schallereignisse statt konventionellen Lautsprechern eben Flächenlautsprecher eingesetzt, so kann durch die hier offengelegte Vorrichtung zusätzlich eine optische Komponente addiert werden. Durch eine Visualisierung der Bewegungen des Flächenlautsprechers lassen sich auch Menschen erreichen, die hörgeschädigt oder hörbehindert sind. Normalhörende erhalten durch die Visualisierung eine zusätzliche Information, daß gerade eine Durchsage stattfindet und aus welcher Richtung die Durchsage kommt.
- 2.) Flächenlautsprecher lassen sich so in ihre Umgebung integrieren, daß sie vollkommen unsichtbar werden. Das gilt im Betriebszustand wie auch im inaktiven Zustand. Damit ist es für Wartungsarbeiten meist sehr schwierig die Flächenlautsprecher zu identifizieren oder aufzufinden. Durch die Visualisierung der Schwingungen können nun Flächenlautsprecher leichter identifiziert werden.
- 3.) Flächenlautsprecher können auf Grund ihrer hohen Anpassungsfähigkeit an ihre Umgebung oftmals nur schwer als Lautsprecher erkannt werden. Für design-orientierte Anwender kann dies zu einem Unbehagen führen, weil man die Flächenlautsprecher nicht sieht und somit der Wert einer Musikanlage, die Flächenlautsprecher verwendet, als gering eingeschätzt werden kann. Im Gegensatz dazu orientiert sich bei konventionellen Lautsprecherboxen der Wert der Anlage häufig an der Größe und dem Aussehen der Boxen. Bei Flächenlautsprechern ist dies nicht so einfach möglich, da sie oftmals vollkommen getarnt, quasi unsichtbar sind. Flächenlautsprecher kommen ohne Volumen aus und sind deswegen typischerweise nicht in Boxenform ausgebildet. Die hier offengelegte Vorrichtung macht es nun möglich, die Schwingungen eines Flächenlautsprechers in Gänze oder wenigstens teilweise zu visualisieren und somit die Größe der Fläche und deren Wirkungsweise wenigstens teilweise erfahrbar zu machen. Weiterhin wird durch die Visualisierung das Funktionsprinzip der Flächenlautsprecher wenigstens in Ansätzen erklärbar gemacht, wodurch das Verständnis für das Wirkprinzip derartiger Schallgeber gefördert wird. Dadurch wird auch der Verkauf derartiger Schallgeber vereinfacht, was sich in höheren Verkaufszahlen widerspiegelt.
- 4.) Flächenlautsprecher können auf Grund ihrer Fläche, die nach dieser Offenlegung eine Visualisierung der Schwingungsvorgänge vornehmen kann, zur optischen Unterstützung von Anzeige-Systemen verwendet werden. Ein Anzeige-System kann beispielsweise ein TFT- oder Plasmabildschirm sein, auf dem ein Spielfilm angezeigt wird. Die Firma Philips hat sich das Beleuchtungssystem ”LUMINANCE” schützen lassen. Bei diesem System wird eine Hintergrundbeleuchtung gesteuert, die Farben hinter dem Bildschirm projiziert, wobei die Farbinformationen aus dem Bildschirm-Inhalt bezogen werden. Wird beispielsweise ein blauer Himmel auf dem Bildschirm angezeigt, so erzeugt die Hintergrundbeleuchtung zusätzlich eine entsprechend blaue Beleuchtung und ”vergrößert” somit den optischen Eindruck. Diese Farbinformation kann nun durch einen RGB- oder Farbsensor aufgenommen und dazu benutzt werden, die Farben der Schwingungsvisualisierung zu steuern. Unter einem RGB Sensor versteht man einen Sensor, der eine Bestimmung eines Farbgehaltes vornehmen kann. Ein solcher Sensor kann beispielsweise aus Phototransistoren mit vorgesetzten Farbfiltern bestehen. Bei einem Rot-Grün-Blau (RGB) Sensor würden beispielsweise die drei Farben rot, grün und blau analysiert werden. Es sind allerdings nicht nur genau drei Farben erforderlich. Es können durch die Auswahl der Filter auch mehr oder weniger Farben analysiert werden. Die Bestimmung der Farbwerte wie beispielsweise Intensität und Wellenlänge, kann nun verwendet werden um die Farbeigenschaften des Visualisierungssystems zu steuern. Da (Flächen-)Lautsprecher häufig rechts und links der Anzeige-Systeme positioniert werden, kann der Philips ”LUMINANCE” Effekt deutlich über den Bildschirmbereich hinaus wirksam gemacht werden. Dieser optische Vorteil vergrößert die optische Empfindung gegenüber dem nur auf das Anzeigesystem beschränkte System und wirkt somit positiv auf den optischen Gesamteindruck. Zusätzlich kann durch die Auswahl der erzeugten Visualisierungsmuster dieser Gesamteindruck unterstützt und/oder verbessert werden. Beispielsweise können reguläre und/oder ruhige Muster einen ruhigen Bildeindruck unterstützen. Beispielsweise können bizarre und/oder unregelmäßige und/oder kantige Muster einen aufgewühlten und/oder aktionsreichen Bildeindruck unterstützen. Die Information welcher Bildeindruck aktuell herrscht, kann beispielsweise durch Analyse des Audiosignals gewonnen werden. Ruhige Bildeindrücke werden vorzugsweise durch eine ruhige Musik untermalt. Hektische und/oder aktionsreiche Bildeindrücke werden vorzugsweise durch temporeiche Musik untermalt. Somit kann durch Analyse des Audiosignals auf Tempo und/oder Harmonik und/oder Tonhöhe und/oder Impulsgehalt und/oder Kompositionsmuster ein entsprechendes Visualisierungsmuster generiert werden.
- 5.) Zur Ausgestaltung großer Flächen kann eine Projektionstechnik dienen. Unter großen Flächen sind Flächen zu verstehen, deren Größe die Größe der Membranfläche übersteigt. Unter Projektionstechnik ist eine Technik zu verstehen, die das entstehende Muster der Membrane auf eine membranfremde Fläche abbildet. Für die Abbildung kann eine optische Vorrichtung verwendet werden, muß aber nicht.
- 6.) Um die Realisierung oben genannter Visualisierungen zu vereinfachen, können zu dem zu übertragenden Audiosignal weitere Signale hinzugemischt werden, die eine Musterbildung günstig fördern und beispielsweise unhörbar sind. So kann beispielsweise während der Übertragung einer Hinweisdurchsage ein tieffrequentes Sinussignal mit beispielsweise 10 Hertz zum Durchsagesignal hinzugemischt werden, um eine Musterbildung zu begünstigen, weil beispielsweise durch das Durchsagesignal eine Musterbildung zu schwach ausgeprägt wäre und/oder die Musterbildung sich zu schnell ändern würde.
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In dieser Offenlegung wird nun gelehrt, wie zum akustischen Nutzen der Schallerzeugung der optische Nutzen der Visualisierung der Schwingungen hinzugefügt werden kann.
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Realisierungsmöglichkeiten:
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Beispiel 1
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Um die Schwingungen der Membrane wenigstens teilweise zu visualisieren ist die Membrane mit einem Muster versehen. Dieses Muster kann regelmäßiger Natur sein, muß es aber nicht. Das Muster kann beispielsweise aus Löchern und/oder Einfräsungen in der Membrane bestehen. Vor oder hinter oder innerhalb der Membrane befindet sich eine zweite Muster tragende Einheit. Diese Einheit kann beispielsweise eine bedruckte Folie oder ein Lochblech oder eine ähnlich gestaltete flächenartige Einheit sein. Diese Einheit führt keine oder andere Schwingungen aus wie die Membrane. Diese Einheit wird im folgenden als Maske bezeichnet. Durch die verschiedenen Schwingungen von Membran und Maske zueinander entstehen sichtbare Muster, die eine Visualisierung erzeugen.
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Beispiel 2
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Zusätzlich wird vorzugsweise im Beispiel 1 eine Leuchtquelle, beispielsweise wenigstens eine LED (Licht emittierende Diode) so in eine Anordnung zu Membran und Maske gebracht, daß sie beide wenigstens teilweise beleuchtet. Durch den Lichtschein läßt sich dann der Effekt der Visualisierung wenigstens teilweise und/oder stellenweise verbessern.
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Beispiel 3
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Zusätzlich wird wenigstens eine Leuchtquelle mit einer Frequenz f gepulst, das heißt an- und ausgeschaltet und/oder moduliert. Die Frequenz kann beispielsweise im Bereich 25–100 Hz liegen und fest fixiert sein, oder variabel sich verändern. Durch das Pulsen der Lichtquelle verstärkt sich der Eindruck der Visualisierung und vergrößert den Spielraum der Darstellungsformen. Es lassen sich somit auch Muster, die bei Frequenzen größer 100 Hz entstehen und/oder Muster, die für das menschliche Auge zu schnell sind, darstellen.
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Beispiel 4
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Die Frequenz der Leuchtquelle wird aus einem Audiosignal abgeleitet. Beispielsweise kann durch eine entsprechende Filterung aus einem Audiosignal, das gerade von der Membrane wiedergegeben wird, die tiefste Frequenz extrahiert werden. Diese Audiofrequenz kann nun direkt und/oder modifiziert für die Ansteuerung der Leuchtquelle verwendet werden. Dadurch wird die entstehende Visualisierung verstärkt und der Spielraum der Darstellungsformen deutlich vergrößert. Durch die Hinzunahme von farbigem Licht, beispielsweise durch rote und/oder grüne und/oder blaue LEDs, können unterschiedliche Visualisierungen gleichzeitig stattfinden. Es ist somit möglich beispielsweise tiefe Frequenzen durch die Farbe rot, mittlere Frequenzen durch die Farbe grün und hohe Frequenzen durch die Farbe blau zu visualisieren. Damit kann beispielsweise Sprache und/oder Musik wenigstens teilweise durch obige Visualisierungsvorrichtung sichtbar gemacht werden.
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Beispiel 5
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Hier sind das Raster oder die Raster oder die Struktur oder die Strukturen austauschbar. Damit wird eine größere Flexibilität in der Visualisierung erreicht. Durch angepaßte Raster oder Strukturen mit unterschiedlich großen Elementen lassen sich unterschiedliche Frequenzen oder Frequenzgruppen selektiv visualisieren. Die Größe und die Abstände der Elemente zueinander können für Raster oder Strukturen auf bestimmte Weise angeordnet werden. Beispielsweise werden große Elemente mit großen Abständen zueinander in der Lage sein tiefe Frequenzen gut zu visualisieren, während beispielsweise kleine Elemente mit geringen Abständen zueinander in der Lage sein werden hohe Frequenzen gut zu visualisieren. In dieser Abbildung wird deswegen eine Vorrichtung gezeigt, die das Auswechseln der Raster oder Strukturen ermöglicht. Dabei kann beispielsweise das Raster oder die Struktur, die die Transversalwelle ausführt, ausgewechselt werden. Es kann aber auch die Maske auswechselbar gestaltet sein.
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Beispiel 6
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Hier wird beispielsweise eine Projektion als Gestaltungselement eingesetzt. Diese Projektion kann die Maske ersetzen, kann aber auch zusätzlich zur Maske eingesetzt werden. Unter Projektion wird eine optische Abbildung verstanden. Projektionen können beispielsweise durch Verwendung des Overhead-Projektor-Prinzips oder des LCD-Beamer-Prinzips oder des Dia-Projektor-Prinzips realisiert werden. Es können – von der Membrane aus gesehen – Aufprojektion oder Rückprojektion oder eine Kombination aus Projektionen eingesetzt werden. Wird die Maske durch eine Projektion ersetzt, so vergrößert sich die Menge der Darstellungsformen enorm, was vorteilhaft für die Ausgestaltung der Muster verwendet werden kann. Sind beispielsweise von einem Gestalter oder Designer bestimmte Vorgaben zu Mustergröße und/oder Musteranordnung vorgegeben, so lassen sich diese Vorgaben durch Verwendung eines kleinen Beamers leichter erbringen oder anpassen oder modifizieren, als es bei der Verwendung einer starren Maske möglich wäre. Durch das Projektionsprinzip läßt sich beispielsweise sogar eine Masken-Modifizierung in Echtzeit bewerkstelligen.
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Beispiel 7
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Hier wird beispielsweise das in Beispiel 6 genannte Projektionsprinzip und die in Beispiel 3 genannte gepulste LED miteinander kombiniert zu einer im folgenden als gepulste Projektion bezeichneten Anordnung. Eine gepulste Projektion wird beispielsweise dadurch realisiert, daß die LED eines LED-Beamers mit jener Frequenz moduliert wird, die im Beispiel 3 für die LED vorgesehen ist. Dadurch werden nun Maskenerzeugung und Lichtmodulation vorteilhafterweise in einer einzigen Vorrichtung, nämlich durch Beamer-Projektion und Beamer-Leuchtmittel-Modulation, realisiert was sich günstig auf die Herstellkosten auswirkt.
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Beispiel 8
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Hier wird ein Ansatz mit einem dreidimensionalen Raster aufgezeigt, bei dem ein Lentikular zu Einsatz kommt. Beispielsweise eignet sich eine Linienrasterfolie, wie sie bei im Volksmund als „Wackelbilder” bezeichneten Gegenständen verwendet wird. Wird eine entsprechend hergerichtete Linienrasterfolie zu Biegewellenschwingungen angeregt, so entstehen durch die Biegewellen Bewegung unterschiedliche Betrachtungswinkel an unterschiedlichen Stellen der Folie. Dadurch werden Muster in Abhängigkeit der wiedergegebenen Frequenz sichtbar. Die Maske befindet sich in Form eines Aufdrucks o. ä. hinter der Linienrasterfolie. In dem hier aufgeführten Beispiel sind Folie und Maske fest miteinander verbunden, wie es bei Wackelbildern auch der Fall ist. Je nach Gestaltung von Lentikular und Hinterdruckung lassen sie vielfache Möglichkeiten zur Visualisierung der Biegewellen schaffen. Hierin steckt ein großer Vorteil dieser Erfindung.
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Beispiel 9
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Um schlecht Hörbares wenigstens sichtbar zu machen, sei dieses Beispiel genannt. Automobile auf Basis des Elektroantriebs produzieren sehr viel weniger Lärm als Fahrzeuge auf Basis des Verbrennungsmotors. Somit nimmt zwar die Umweltbelastung ab, aber das Unfallrisiko zu. Hier läßt sich nun eine Abhilfe schaffen. Beispielsweise wird dazu die Motorhaube eines Elektrofahrzeugs so gestaltet, daß sie Biegewellen Schwingungen aussenden kann und zudem eine Visualisierungseinheit besitzt. Nun kann beispielsweise während des Anfahrens und/oder während des Langsamfahrens des Elektromobils ein akustisches Signal und eine dazu passende Visualisierung erzeugt werden, sodaß Passanten einen akustischen und einen optischen Reiz wahrnehmen und so das Elektromobil besser erkannt werden kann. Dabei kann beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit als Ableitung des Anregesignals verwendet werden. Somit würde die Visualisierung bei langsamer Fahrt, beispielsweise kleiner 10 Stundenkilometern, ein eher ruhiges Muster erzeugen. Bei größerer Geschwindigkeit würden wildere Muster erzeugt werden um das höhere Risiko zu visualisieren. Um den Fahrer des Elekromobils nicht zu stören, können über optische Maßnahmen, beispielsweise lentikulare Folien, die Visualisierungen so gestaltet sein, daß der Fahrer diese nicht wahrnehmen kann.
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Beispiel 10
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Nicht nur feste, geschlossene Flächen lassen sich für die Visualisierung verwenden. Es können beispielsweise auch luftdurchlässige Stoffe angewendet werden. Als Beispiel sei hier ein Lautsprecher Bespannstoff genannt. Diese luftdurchlässigen Stoffe können durch geeignete Anregung ebenfalls zu Biegewellen Schwingungen bewegt werden. Somit ist es auch möglich eine Visualisierung von longitudinalen Schallerzeugern unter Verwendung des hier genannten Verfahrens zu ermöglichen.
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Abgrenzung zum Stand der Technik:
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Lichtorgeln
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Seit Jahren gibt es Lichtorgeln. Diese Geräte visualisieren Audiosignale indem sie das Sprach- oder Musiksignal in mehrere Frequenzbänder zerlegen und die Lautstärke jedes Frequenzbandes durch entsprechende Helligkeit einer farbigen Lampe anzeigen. Dabei benötigen sie keine Lautsprecher. Lichtorgeln brauchen nur das Audiosignal zur Ansteuerung. Somit visualisieren sie nur das Audiosignal, nicht aber das Schwingen einer Membrane.
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Ernst Florens Friedrich Chladni, Bärlappsamen, um 1800
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Der sächsische Wissenschafter Ernst Chladni gilt als einer der Urväter der Akustik. Er beschäftigte sich ausgiebig mit Schwingungen verschiedenster Art. Unter anderem zeigte er, welche Schwingungen sich auf Stahlplatten ausbilden, wenn man sie mit einem Geigenbogen zu eigenresonanten Schwingungen anregt. Um die entstehenden Eigenresonanzen sichtbar zu machen, montierte er die Stahlplatten waagerecht und bestreute sie mit Bärlappsamen. Heute verwendet man beispielsweise Hagelzucker. Wenn die Metallplatte lange genug zu einer Eigenresonanz angeregt worden ist, so bilden die auf ihr befindlichen Kleinteile Linien und Muster. Sie wandern also in diejenigen Bereiche, in denen die Plattenschwingungen gering sind. In diesen Schwingungsminima bleiben die Kleinteile liegen. In einer praktischen Versuchsdurchführung wird also zunächst eine gleichmäßige Verteilung der Kleinteile hergestellt, beispielsweise dadurch daß man den Bärlappsamen auf die Stahlplatte streut. Mit dem Geigenbogen wird nun an einem bestimmten Punkt am Rand der Platte auf- und abgestrichen. Der Punkt ist dabei so gewählt, daß er die gewünschte Eigenresonanz der Platte auslöst. Die Menge der Streichbewegungen mit dem Bogen bestimmt die Güte des entstehenden Musters. Zur Erzeugung eines neuen Musters für eine andere Eigenresonanz muß erneut zunächst eine Gleichverteilung hergestellt werden. D. h. daß der bereits auf der Platte befindliche Bärlappsamen abgekehrt und neu aufgestreut werden muß. Um die Chladnischen Klangfiguren herzustellen muß die Platte unbedingt exakt waagerecht angeordnet sein, da ansonsten die Bärlappsamen sofort von der Platte rutschen, sobald eine Eigenresonanz angeregt wird. Die hier offengelegte Vorrichtung zur Visualisierung benötigt keine beweglichen Kleinteile wie Bärlappsamen oder ähnliches. Sie arbeitet in jeder beliebigen Lage ohne Güteverlust, sie arbeitet in Gasen wie beispielsweise Luft wie auch in Flüssigkeiten wie beispielsweise Wasser.
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Vibrometer
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„Bezeichnet die Kurzform für Laser-Doppler-Vibrometer. Vibrometer enthalten einen Laser, der auf die zu messende Oberfläche fokussiert wird. Aufgrund des Doppler-Effekts verschiebt sich bei einer Bewegung der zu messenden Oberfläche die Frequenz des zurückgestreuten Laserlichts. Diese Frequenzverschiebung wird im Vibrometer mit Hilfe eines Interferometers ausgewertet und als Spannungssignal oder digitaler Datenstrom ausgegeben.” Soweit die Definition. Diese Meßgeräte verwenden also kohärentes Licht einer einzigen Wellenlänge um die Bewegungen von Objekten zu messen. Kohärentes Laser-Licht hat die Eigenschaft, daß die Schwingungen der Lichtwellen nur in einer Frequenz stattfinden. Diese Eigenschaft ist für das Funktionsprinzip von grundlegender Bedeutung. Das Vibrometer überlagert also einen Referenzstrahl mit dem aus dem Referenzstrahl abgeleiteten und am Meßobjekt reflektierten Meßstrahl und stellt somit die Differenz aus ausgesendetem Laserlicht und empfangenen Laserlicht meßtechnisch dar. Das zu untersuchende Objekt muß also folglich Laserlicht reflektieren können. Das Ergebnis dieser Differenz ist mit bloßem Auge nicht erkennbar. Es muß durch einen weiteren technischen Schritt darstellbar gemacht werden. Das Laser-Doppler-Vibrometer unterscheidet sich grundlegende von dem hier offengelegten Verfahren. Die sehr komplizierten Lehre des Laser-Doppler-Vibrometers – eben der Verwendung des Doppler Prinzips – führt in eine völlig andere Richtung als sie diese Offenlegung aufzeigt.
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Stand der Technik:
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US 1,552,914
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Telephone Device
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US Patent, Lee de Forest, 1925
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In dieser Patentschrift wird eine Vorrichtung gezeigt, bei der mittels eines schwingenden Elementes in einem Lampenfuß ein Lampenschirm in Schwingungen versetzt werden kann, wobei der so entstehende Schallgeber als Telephon Lautsprecher verwendet wird. In dieser Vorrichtung ist weiterhin ein Leuchtmittel auf dem Lampenfuß angebracht, so daß der Lampenschirm vom Licht des Leuchtmittels durchflutet wird. Dadurch wird der schwingende Lampenschirm zwar durchleuchtet, seine Schwingungen sind aber nicht sichtbar, weil erstens keinerlei Muster und/oder Strukturen auf dem Lampenschirm aufgebracht sind und zweitens keinerlei feststehendes Muster existiert.
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Zudem ist aus der Lehre dieses Patentes nicht ersichtlich, daß die Schwingungen überhaupt visualisiert werden sollen. Es geht vielmehr darum, den Lautsprecher eines Telephons in einer Tischlampe zu verstecken, also unerkennbar zu machen.
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US 3,153,854
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Methods and devices for visually demonstrating wave motion and for demonstrating the validity of the basic laws governing wave motion
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US Patent, Richard Fand, 1964
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Diese Patentschrift beschreibt einen Apparat mit dem es möglich sein soll, die Ausbreitung von longitudinal und/oder transversal Wellen für Lehrzwecke sichtbar zu machen. Dabei wird ein luftgefüllter Glaszylinder verwendet, der an beiden Seiten geschlossen ist. Am einen Ende des Zylinders befindet sich ein Lautsprecher, der mit einem elektrischen Signal angetrieben wird, so daß im Zylinder eine Luftschwingung entsteht. Weiterhin befinden sich innerhalb des Zylinders zungenförmige Blätter (Stimmzungen, „reeds”, dem Rohrblatt einer Klarinette ähnlich), die alle gleiche Geometrie und Gewicht besitzen. Diese Zungen sind an einer durchgehenden Schiene so befestigt, daß sie auf der Schiene verschiebbar fixiert werden können. Schwingungen der Luftsäule innerhalb des Zylinders regen nun die Zungen an. Es schwingen dabei diejenigen Zungen am stärksten, die sich in den Bereichen größter Luftgeschwindigkeit befinden. Dieses Resonanzprinzip funktioniert – aber nur eingeschränkt. Ein wesentlicher Nachteil ist, daß nur stehende Wellen ein erkennbares Abbild geben. Stehende Wellen entstehen dann, wenn die Anregefrequenz des Lautsprechers ein Vielfaches des Glaszylinders ist, wobei der Glaszylinder hinreichend schmal sein muß, weil sonst eine Wellenausbreitung in zwei Dimensionen stattfindet und die Zungendarstellung nicht mehr funktioniert. Die Patentschrift zeigt an einem weiteren eindimensionalen Prinzip die Erzeugung von stehenden Wellen: Dazu wird eine wendelförmige Metallfeder mit dem einen Ende an einem festen Punkt fixiert, während das andere Ende an einer Exzenterscheibe eines Elektromotors befestigt ist. In Abhängigkeit der Federwerte und der Motorgeschwindigkeit entstehen Schwingungsmaxima und -Minima in der Federbewegung. Um tranversale Wellen zu demonstrieren, wird ein gespannter Draht (wire, 25) an einem Ende mittels eines Vibrators (26) dazu angeregt eine stehende Welle auszubilden. In diesem Zustand erkennt man Knotenpunkte und Schwingungsmaxima der stehenden Welle. Weiterhin kann ein stroboskopisches Licht dazu verwendet werden, die Details der Schwingungen besser zu beobachten. Die Patentschrift verwendet drei unterschiedliche Medien, nämlich Luftsäule, Metallfeder und Draht, um stehende Wellen in den genannten Medien darzustellen. Dabei müssen die Medien eindimensional sein, damit die zu Grunde liegenden physikalischen Effekte funktionieren. In keinem der Fälle trägt das schwingende Medium ein Muster. Die Luftsäule, die Metallfeder und der Draht sind musterlos. Der Betrachter bekommt also nicht die Vibrationen einer Membrane zu sehen. Im Fall der Luftsäule sieht er schwingende Zungen, also Hilfsmittel, die nicht als Erreger dienten. Der Lautsprecher, der als Erreger dient, wird nicht visualisiert, weil an ihm keine Zungen befestigt sind. Im Fall der Metallfeder und des Drahtes hört der Betrachter nichts, weil beide keine Membrane besitzen. Die vorliegende Erfindung lehrt wie man durch drei unterschiedliche physikalische Analogien versuchen kann, wenigstens stehende Wellen in einem eindimensionalen Aufbau zu visualisieren. Zweidimensionale Membranen fehlen vollständig. Es wird auch nicht das Wellenbild des Erregers, also des Lautsprechers innerhalb des Glaszylinders oder des Motors an der Feder oder des Vibrators am Draht visualisiert, sondern deren Wirkung auf ein weiteres Medium, also Luft oder Feder oder Draht. Das stroboskopische Licht hat keine Beziehung zur Anregung. Eine Ableitung der Stroboskop Frequenz aus der Frequenz des Anregers wird nicht genannt. Die Erfindung lehrt also die Visualisierung eines sekundären Effekts. Der primäre, ursprüngliche Vorgang wird nicht visualisiert.
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US 3,597,859
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Apparatus and methods of visual demonstration of sound wave motion
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US Patent, Kenneth Salem, 1971
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Diese Patentschrift beschreibt einen Apparat mit dem es möglich sein soll, die Schwingungen der Luft sichtbar zu machen. Dazu wird eine aufgehängte stark reflektierende Metallfolie, vorzugsweise Aluminiumfolie, in Streifen geschnitten. Diese Streifen hängen in einer Reihe neben einander. Unterhalb dieser Streifen befindet sich eine Wärmequelle, welche die Luft unter den Streifen erhitzt, so daß sie aufsteigt und die Streifen bewegt. Weiterhin ist eine Lichtquelle auf die Streifen gerichtet, deren Licht von den Streifen reflektiert wird und auf einem weißen Stück Papier abgebildet wird. Wird nun ein Klang so abgespielt, daß die Luftschwingungen die Streifen erreichen, so werden die Streifen zusätzlich zur Wärmebewegung durch die Luftbewegung ausgelenkt, was eine Veränderung des reflektierten Bildes zu Folge hat. In dieser Offenlegung wird also eine Visualisierung von Schwingungen in der Luft beschrieben. Dabei ist aufgrund des Wärmeerzeugers ein hoher Aufwand notwendig. Weiterhin ist die Anordnung durch den reflektierten Strahlengang des Lichts nur eingeschränkt verwendbar. Sie ist anfällig auf Luftzug und funktioniert ohne Wärmequelle nicht. Und schließlich können nur langsame Luftschwingungen, sprich tiefe Frequenzen dargestellt werden, weil die Lichtquelle erstens nicht gepulst ist und zweitens mit dem Tonsignal in keiner Relation steht.
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WO 96/41667
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Method and apparatus for conversion of sound signals into light
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WO Patent, Claus Hvass, 1996
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In dieser Patentschrift werden eine Methode und eine Vorrichtung gezeigt, die mit Hilfe von Audiofiltern eine Teilband Zerlegung eines akustischen Signals vornimmt. Die Ergebnisse der Filter werden dann in unterschiedlichen Farben visualisiert. Dabei erhält jeder Filter eine Farbe zugewiesen. Die Lautstärke in jedem Teilband wird durch eine entsprechende Farbhelligkeit dargestellt. Das Verfahren erinnert sehr stark an das Prinzip der Lichtorgel. Es zeigt allerdings nicht im geringsten auf, wie Biegewellen zu visualisieren sind.
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WO 00/44279
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Visualisation System
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WO Patent, Gino FRANCESCO, 2000
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In dieser Patentschrift wird ein System gezeigt, das die Visualisierung einer Funktion des Körpers von Lebewesen ermöglicht. Dabei wird über Meßmittel die Funktion in entsprechende elektrische Signale umgewandelt, welche unter Zuhilfenahme von Daten- und Graphikverarbeitungsmitteln eine graphische Darstellung ermöglichen. Diese Patentschrift lehrt die Darstellung von Membranbewegungen nicht, sondern konzentriert sich auf die Visualisierung von Funktionen von Körpern von Lebewesen. Dabei können als Funktion auch Gehirnwellen gemessen werden, was aber nichts mit physikalischen Biegewellen zu tun hat. Weiterhin braucht das hier gezeigte System immer einen Wandler, der die Körperfunktion in eine elektrische Funktion wandelt.
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GB 2 379 826 A
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Audio visual apparatus comprising bending wave loudspeakers and electronic paper.
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GB Patent, Henry Azima, 2003
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In dieser Erfindung wird die Kombination aus elektronischem Papier und Biegewellen Lautsprecher offen gelegt. Dabei dient das Anzeigegerät auch gleichzeitig als Membrane, die von einer Schwingspule zum Schwingen angeregt wird. Weiterhin beschreibt die Erfindung die Synchronisierung aus Bild und Ton. Eine Visualisierung der Biegewellen Schwingungen wird nicht gelehrt; diese ist auch für den Einsatz des elektronischen Papiers unbrauchbar, weil durch die entstehenden Muster die Ablesefähigkeit des elektronischen Papiers gestört werden würde.
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US 2004/0264917 A1
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Audio Waveform Cueing For Enhanced Visualization During Audio Playback.
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US Patent, Jeff Braun, 2004
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Diese Patentschrift offenbart die Synchronisation zwischen Musikstücken und visuellen Darstellungen mittels Startpunkten (Cues), die zusätzlich zum Audiosignal zur Verfügung stehen. Dabei müssen die Startpunkte vor dem Abspielen des Musikstücks entweder automatisch oder manuell erzeugt worden sein. Die Startpunkte werden beispielsweise im Musikstück selbst oder in einer separaten Datei abgespeichert. Beim Abspielen des Musikstücks werden beim Auffinden eines Startpunkts die entsprechenden Visualisierungen (beispielsweise „Licht aus” oder „Spot an”) durchgeführt. Eine Visualisierung von Biegewellen wird weder gelehrt, noch ist sie mit dieser Vorrichtung möglich.
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DE 10 2005 053 166 A1
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Vorrichtung und Verfahren zur Sichtbarmachung von vorgegebenen Bereichen auf einem transluzenten Körper Deutsches Patent, Heinrich Herp, 2005
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In dieser Patentschrift wird gelehrt, wie mit Hilfe unterschiedlich gearteten Lichts gewünschte Bereiche eines transluzenten Körpers unabhängig von anderen Bereichen des Körpers sichtbar gemacht werden. Wird beispielsweise UV-Licht aktive Farbe eingesetzt, so können damit beispielsweise ausgewählte Bereiches (Schriften, Logos etc.) einer Glasscheibe bedruckt oder bemalt werden. Wird diese Glasscheibe mit rotem oder farbigem oder weißem Licht durchleuchtet, so scheint dieses Licht durch die Glasscheibe hindurch ohne daß die UV-Farbe aktiv wird. Sie ist quasi unsichtbar. Erst mit dem Aktivieren einer weiteren UV-Lichtquelle, werden die zuvor markierten Bereiche ebenfalls aktiv und somit sichtbar. Diese Offenlegung lehrt die Visualisierung von Biegewellenschwingungen nicht.
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JP2005241348
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SOUND FIELD VISUALIZING/MEASURING INSTRUMENT
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Japan Patent, Kitade Sukeki, 2005
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Zur Messung eines Sound Field wird ein Laserstrahl durch einen Splitter in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl aufgeteilt. Der Meßstrahl durchläuft das zu messende Objekt und trifft danach mit dem unbearbeiteten Meßstrahl zusammen. An dieser Stelle entsteht durch die Überlagerung von Meßstrahl und Referenzstrahl ein Interferenzbild, das einen Rückschluß auf das gemessene Objekt zulassen soll. Da Laserlicht sehr kurzwellig ist, muß ein hoher mechanischer Aufwand betrieben werden, um alle in dieser Vorrichtung beteiligten Werkzeuge wie Splitter, Umlenkspiegel und so weiter derart zu befestigen, daß ihre Bewegungen deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des Laserlichtes. Ansonsten wird die Messung völlig verfälscht werden. Der hohe technische Aufwand macht eine Verwendung dieses Meßprinzips außerhalb eines Labors unmöglich. Zur Visualisierung von Biegewellen ist diese Vorrichtung auch deswegen ungeeignet, da es sich um ein Durchlicht Verfahren handelt.
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US 7,151,837 B2
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Loudspeaker
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US Patent, Graham Bank, 2006
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In dieser Patentschrift wird eine transparente Scheibe als Membrane benutzt, die von einem Schwingungserreger zum Schwingen und somit zur Schallabstrahlung angeregt wird. Da der Anreger durch die Scheibe hindurch sichtbar ist, beschreibt das Patent eine Maskierung des Anregers, wodurch er nicht mehr sichtbar ist. Weiterhin wird ein Telephon beschrieben, dessen Display Scheibe gleichzeitig als Membrane verwendet wird. Eine Visualisierung von Biegewellen wird weder gelehrt, noch ist sie mit dieser Vorrichtung möglich.
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JP 2007175510
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Reversible Acoustic Wave Visualizing Device
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Japan Patent, Yasuo Chinen, 2007
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In dieser Patentschrift wird ein System gezeigt, das optische Informationen in akustische Signale umwandelt um behinderten Menschen quasi das Sehen mit den Ohren zu ermöglichen. Die Patentschrift lehrt also die Umwandlung von Videosignalen in Audiosignale mittels Farbzerlegung der Videosignale und Auralisierung derselben. Eine Erzeugung von Mustern auf Membranen zur Visualisierung der Biegewellenschwingungen findet nicht statt.
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EP 1122974
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Illuminating Assembly with Built-In Panel Speaker
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Siemens AG, Robert Boesnecker, 2007
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In dieser Patentschrift werden Flächenlautsprecher Membranen als Lichtreflektor und/oder als lichtdurchlässiges Bauteil verwendet. Das Licht ist dabei stets unmoduliert. Eine Erzeugung von Mustern auf Membranen zur Visualisierung der Biegewellenschwingungen findet nicht statt.
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CN 2862546
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Luminescent multifunctional speaker
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China Patent, TANG HUI, 2007
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In dieser Patentschrift werden Lautsprecher und LEDs in einer Vorrichtung kombiniert, wobei keinerlei Zusammenhang zwischen Ton und Licht gegeben ist. Das Licht ist dabei zwar moduliert, allerdings nicht in der Weise, daß Schwingungen sichtbar gemacht werden. Die Visualisierung von Schwingungen ist aus der Lehre dieser Schrift nicht ersichtlich.
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Fazit:
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Wie in den aufgeführten Beispielen zum Stand der Technik zu ersehen ist, wurden in vielen Fällen schon Licht und Ton in Relation zueinander gebracht. Allerdings wurden bislang keinerlei Visualisierungen von in Biegewellenform schwingenden Membranflächen vorgenommen.
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Diese Patentschrift verbindet Licht und/oder Membranschwingungen erfindungsgemäß so, daß als Resultat eine Abbildung von Membranschwingungen und/oder Muster und/oder Zeichen, die durch Membranschwingungen erzeugt werden ohne weitere Hilfsmittel, nur mit bloßem Auge ermöglicht wird.
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Ein Nutzen dieser Offenlegung besteht nun darin, daß bei Durchsagesystemen, beispielsweise in Flughäfen oder U-Bahnen, die akustischen Durchsagen sichtbar gemacht werden können. Beispielsweise können Gefahrendurchsagen und/oder Warntöne mit roter Farbe visualisiert werden, normale Ansagen und/oder Hinweistöne jedoch in grüner Farbe. Für hörgeschädigte Menschen stellt dies eine verbesserte Sicherheit dar. Ein weiterer Nutzen dieser Erfindung liegt darin, daß bei Gefahren die entstehenden Muster und/oder Zeichen dazu genutzt werden können, daß optische Hinweise zur akustischen Warnung hinzukommen können und folglich beispielsweise eine Evakuierung schneller durchgeführt werden kann. Ein weiterer Nutzen dieser Erfindung liegt auch darin, daß durch diese Art der Visualisierung sich Fehler in der Konstruktion der Membranen an Hand von Musterstörungen leicht sehen lassen. Weiterhin können Veränderungen der Membranen wie beispielsweise Alterung, Verschleiß, Bruchstellen uvm. per Auge erkannt werden ohne daß zusätzliche Hilfsmittel nötig wären. Für Produktdesigner besteht ein weiterer Nutzen darin, beispielsweise Lichtintensität, Lichtfarbe und Musterentwicklung zur Steigerung der Wertigkeit des Flächenlautsprecherprodukts zu verwenden. Auch kann durch die Visualisierung eine größere Käuferschicht erreicht werden, da viele Menschen besser sehen als hören. Eine weitere Realisierungsmöglichkeit arbeitet ohne Beleuchtung. Hierbei entsteht die Visualisierung durch ein zweites Muster- und/oder Zeichen tragendes Element, beispielsweise ein Gitter und/oder eine bedruckte Folie oder ähnliches, das in Relation zur schwingenden Membrane steht. Beispielsweise ist das zweite Element in der unmittelbaren Nähe der schwingenden Membrane beispielsweise fest fixiert angeordnet. Bewegt sich nun die schwingende Membrane relativ zum zweiten Element, so entstehen Moire artige Muster, die je nach Ausprägung und Änderungsgeschwindigkeit vom Menschen mit bloßem Auge erkannt werden können. Weiterhin ist es möglich, das zweite Element nicht fest fixiert anzuordnen, sondern beispielsweise lose an die schwingende Membrane zu koppeln. Eine lose Koppelung kann beispielsweise über eine Gummipufferung ausgestaltet sein. Beginnt die Membrane zu Schwingen, so überträgt sich die Schwingung in gewissem Maße auch zeitversetzt auf das zweite Element. Diese Offenlegung zeigt nun einen simplen Weg mit einfachen und kostengünstigen Mitteln die Biegewellenschwingungen einer Membrane durch Muster zu visualisieren und somit ein technisch recht komplexes Objekt doch weitestgehend einfach verständlich darstellbar zu machen.
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Es sind keine Zeichnungen angefügt.
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Definitionen:
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Element:
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Unter einem Element versteht diese Offenlegung eine optische und/oder haptische Wahrnehmung einer Differenz und/oder eines Unterschieds. Dabei kann ein Element eine eindimensionale oder zweidimensionale oder dreidimensionale Ausgestaltung besitzen. Beispielsweise kann ein eindimensionales Element eine schwarze Linie sein, die auf eine weiße Kunststoffscheibe aufgemalt oder eingeätzt oder eingraviert ist. Beispielsweise kann ein zweidimensionales Element ein weißer Kreis sein, die auf eine schwarze dünne Metallplatte aufgedruckt oder aufgeklebt oder eingebracht ist. Beispielsweise kann ein dreidimensionales Element ein kleines Sackloch sein, das in eine eingefärbte oder klare Acrylglasplatte eingebohrt oder eingefräst oder einarbeitet ist. Beispielsweise kann die Fräsung auch mit einem Kegelfräser vorgenommen worden sein. Ein Element kann dabei so klein ausgestaltet werden, daß eine Lupe notwendig sein kann um das Element zu erkennen.
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Raster:
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Unter einem Raster versteht diese Offenlegung eine regelmäßige Anordnung von Elementen, die ein-, zwei- oder mehrdimensional ausgestaltet sein können. Beispielsweise ist kariertes Papier eine Ausgestaltung eines zweidimensionalen Rasters. Beispielsweise ist eine Fresnel Linse eine Ausgestaltung eines dreidimensionalen Rasters.
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Struktur:
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Eine Struktur ist eine beliebige, nicht notwendigerweise regelmäßige Anordnung von Elementen, die ein-, zwei- oder mehrdimensional ausgestaltet sein können. Beispielsweise sind Höhenlinien einer Landschaft oder Bitmaps eines Gesteins Strukturen, da sie über nicht regelmäßige Eigenschaften verfügen. Alle Anordnungen die nicht Raster sind, sind Strukturen.
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Muster:
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Ein Muster ist eine optische Wahrnehmung die durch Lichtfarb- und/oder Lichtstärke-Unterschiede und/oder Helligkeitsunterschiede definiert ist. Dabei können die Unterschiede eine regelmäßige Anordnung besitzen, müssen es aber nicht. Es gibt auch unregelmäßige Muster. Ein zeitliches Muster ist ein Muster, das für einen beliebig kurzen oder langen Zeitraum zu sehen ist. Ein örtliches Muster ist ein Muster, das in einem beliebig kleinen oder großen Ort zu sehen ist.
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Zeichen:
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Ein Zeichen ist ein Muster das eine Interpretation besitzt.
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Abbildung:
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Eine Abbildung ist ein Muster das wenigstens teilweise auf die Membrane und/oder die Maske projiziert wird.
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Membrane:
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Unter einer Membrane versteht diese Offenlegung ein wenigstens in zwei Dimensionen ausgebildetes Objekt, das in der Lage ist in Schwingungen versetzt zu werden und diese Schwingungen an die Umgebung wenigstens teilweise abgeben und/oder hindurchleiten zu können. Dabei kann die Umgebung einen beliebigen Aggregatszustand haben. Die Umgebung kann fest, flüssig, gasförmig oder eine beliebige Kombination aus Aggregatszuständen besitzen. Die Membrane macht dabei vorzugsweise Biegewellen-Schwingungen.
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Maske:
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Unter einer Maske versteht diese Offenlegung ein wenigstens in zwei Dimensionen ausgebildetes Objekt, das die Fähigkeit besitzen kann in Schwingungen und/oder Bewegungen versetzt zu werden oder aber starr, also schwingungslos und/oder bewegungslos zu sein.
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Flächenlautsprecher:
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Unter Flächenlautsprecher versteht diese Offenlegung Transversalwellen Lautsprecher oder Biegewellen Lautsprecher. Hierbei wird eine Fläche zur Erzeugung einer biegewellenartigen Bewegung angeregt. Als Beispiel für eine Biegewelle kann das Abbild genommen werden, das entsteht wenn man einen Stein in einen ruhigen See mit glatter Wasseroberfläche wirft. Ausgehend vom Eintauchpunkt des Steins bilden sich konzentrische Kreise, die von diesem Punkt aus wegstreben. Das nach kurzer Zeit aufgebaute Wasser-Wellenbild entspricht beispielsweise der Visualisierung einer oberflächlichen, zweidimensionalen Biegewelle.