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Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 betrifft eine Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese [1].
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Bei diesem Verfahren zur Reproduktion von Schallereignissen muss nicht auf die psychoakustisch bedingte Bildung von Phantomschallquellen zwischen Lautsprechern zurückgegriffen werden, sondern das Schallfeld wird physikalisch rekonstruiert. Aus dem Audiosignal selbst (Inhalt) und Daten zu seiner Gestalt (Form) werden nach Huygens Prinzip Wellenfronten aus Elementarwellen rekonstruiert. Es entstehen virtuelle Schallquellen, die sich physikalisch nicht von der Wellenfront der realen Schallquelle unterscheiden.
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Das Audiosignal wird dabei auf der Wiedergabeseite in einem Renderer für jede Elementarwelle in die räumliche Impulsantwort des Aufnahmeraumes gefaltet [2].
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Für eine korrekte Reproduktion müssen die Ausgangspunkte der Elementarwellen eng beieinander liegen. Die virtuellen Schallquellen können nur im Bereich der Anordnung aus Schallwandlern entstehen. Deshalb wird ihre Zahl sehr groß, wenn eine zweidimensionale Schallwandler Fläche aufgebaut wird.
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Damit steigen die Anforderungen an den Renderer, die Ansteuerung einer großen Zahl von Schallwandlern bedingt einen hohen Rechenaufwand. In der Praxis wird das Prinzip der Wellenfeldsynthese deshalb in der Regel auf eine horizontale Schallwandler Reihe reduziert.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann die notwendige Rechenleistung dezentral verteilt werden, weil die zwischen den Teilsystemen zu übertragende Datenmenge nicht mit der Zahl der Schallwandler ansteigt. Das System wird damit frei skalierbar.
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Hintergrund der Erfindung
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Mit dem von Prof. Berkhout 1988 erstmals beschriebenen Verfahren der Wellenfeldsynthese für die Reproduktion von Audiosignalen [1] können die von einer natürlichen Schallquelle ausgehenden Wellenfronten nach Huygens Prinzip physikalisch rekonstruiert werden. Aus den Elementarwellen einer großen Anzahl einzeln angesteuerter Schallwandler entsteht an der Position der natürlichen Schallquelle eine virtuelle Schallquelle.
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Wenn diese Schallwandler auf einer zweidimensionalen Fläche aufgebaut sind, verwirklicht das Prinzip der Wellenfeldsynthese den „akustischen Vorhang”. In seinem Bereich lassen sich alle Schallquellen und auch die Reflexionen dieser Schallquellen im Aufnahmeraum in allen drei Raumdimensionen physikalisch rekonstruieren, so dass in einem quellfreien Wiedergabebereich wieder die Akustik des Aufnahmeraumes entsteht.
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Um die Akustischen Verhältnisse im Aufnahmeraum vollständig zu rekonstruieren wäre es notwendig, den akustischen Vorhang rings um den Zuhörer aufzubauen, damit auch alle Reflexionen des Aufnahmeraumes an ihrem korrekten Ausgangspunkt erzeugt werden können. In der Praxis ist eine solche „Akustische Kabine” bis heute nicht realisiert. Die Zahl der Schallwandler würde sehr groß, weil sie wegen der sonst auftretenden Aliasingeffekte in geringem Abstand zueinander angeordnet sein müssen.
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In der Praxis wird das Verfahren der Wellenfeldsynthese deshalb meist auf eine horizontale Reihe von Schallwandlern, die rings um den Zuhörer angeordnet werden, reduziert. Damit reduziert sich auch die Wiedergabe auf diese horizontale Ebene, korrekte räumliche Wiedergabe ist nicht mehr möglich. Zudem bedingt die zylinderförmige Ausbreitung der Wellenfronten dann, dass die Akustik des Wiedergaberaumes vollständig unterdrückt werden muss.
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In den letzten Jahren ist es einigen Forschungseinrichtungen aber gelungen, einen zweidimensionalen akustischen Vorhang aufzubauen. Für den Fall, das nicht alle Reflexionen des Aufnahmeraumes an ihrem korrekten Ausgangspunkt rekonstruiert werden, sondern nur die psychoakustisch bedeutsamen direkten Wellenfronten und die ersten schallstarken Reflexionen, ist in [3] eine Lösung beschrieben, die in einem modellbasierenden Ansatz die rings um den Zuhörer anzuordnenden Schallwandler durch gezielt erzeugte Reflexionen des Wiedergaberaumes ersetzt.
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Jedoch ist auch ein solcher, frontal vor dem Zuhörer aufgebauter akustischer Vorhang kaum praktikabel, wenn er als gesamte Einheit aufgebaut wird. Er muss ausreichend groß sein, um die direkten Wellenfronten in seinem Bereich zu reproduzieren. Der Aufwand dafür wird enorm, abgesehen davon ließe er sich als fertig montierte Einheit kaum noch in den Wiedergaberaum transportieren.
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Für eine begrenzte Zahl fix positionierter virtueller Schallquellen bleibt der Rechenaufwand für die Wellenfeldsynthese auch für den Aufbau eines zweidimensionalen akustischen Vorhanges beherrschbar, wenn mehrere Systeme gekoppelt werden. Wenn sich aber eine Schallquelle im Aufnahmeraum bewegt, müssen auch alle Laufzeiten und alle Pegel aller davon abhängigen Reflexionen zu jedem einzelnen Schallwandler neu berechnet werden. Diese Operation für alle Schallwandler eines akustischen Vorhanges so schnell auszuführen, das die Bewegung einer Schallquelle kontinuierlich dargestellt werden kann, stößt selbst im modellbasierten Ansatz der Wellenfeldsynthese und beschränkt auf die Reflexionen 1. Ordnung noch heute an die Grenze der technischen Möglichkeiten.
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Noch weit höher ist der Rechenaufwand, wenn eine Ortsveränderung des Zuhörers im Aufnahmeraum dargestellt werden soll. Dann ändern sich alle Laufzeiten aller direkten Wellenfronten und aller Reflexionen zu jedem einzelnen Schallwandler. Die neu berechneten Daten müssten mindestens acht Mal in der Sekunde eingelesen werden um eine einigermaßen fließende Bewegung darzustellen [4].
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Wegen der verfügbaren Rechenleistung wird im Datenbasierenden Ansatz der Wellenfeldsynthese deshalb darauf zurückgegriffen, die Impulsantworten für jeden Schallwandler für diskrete Quellpositionen vorauszuberechnen und abzuspeichern, um die virtuellen Schallquellen dann sprunghaft von einer Position zur nächsten zu verschieben [5].
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Jedoch werden bei sprunghaften Bewegungen der virtuellen Schallquellen nicht die Dopplereffekte erzeugt, die bei der Ortsveränderung einer realen Schallquelle entstehen.
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Die Aufgabenstellung der Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung zu beschreiben, die aus praktischen Gründen transportabel ist und in der die Rechenleistung in der Zentraleinheit nicht mit der Anzahl der Schallwandler wächst.
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So soll es auch möglich werden, die Positionen der virtuellen Schallquellen so schnell zu verändern, dass schnelle Bewegungen einer Schallquelle im dreidimensionalen Raum die natürlichen Dopplereffekte der Ortsveränderung einer realen Schallquelle hervorrufen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die vorstehenden Aufgaben sowie Weitere, der Beschreibung zu entnehmende Aufgaben werden von einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in nachfolgenden Zeichnungen und in einer detaillierten Beschreibung dargestellt, soll aber die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzen.
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Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese nicht als geschlossene Einheit, wie sie zum Beispiel in [6] beschrieben ist, auszuführen, sondern dezentral aufzubauen. Die einzelnen Baugruppen werden in der Regel gleich ausgeführt. Ein umschließendes Gehäuse kann einen modularen Aufbau ermöglichen. Das hat den Vorteil, dass die Module austauschbar sind und das sie erst im Setupprozess des Systems einer Position im Koordinatensystem zugeordnet werden müssen. Zudem können sie für Livebeschallungen in Gruppen vormontiert und vorverkabelt werden, um einen schnellen Aufbau des Systems zu gewährleisten.
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Alle Audiosignale können dann in einer gemeinsamen Leitung zu jedem Modul geführt werden. Mit einem seriellen Übertragungsprotokoll lassen sich bei dem dezentralen Aufbau des Systems auch die Daten für die Verzögerungszeiten und Pegel für jeden einzelnen Schallwandler sehr effektiv übertragen, wenn der modellbasierende Ansatz der Wellenfeldsynthese zur Anwendung kommt. Dabei werden dann alle Audiokanäle des Systems in einem Datenstrom zu allen Baugruppen geleitet.
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Die zusätzlich zu übertragende Datenmenge, die zur Berechnung der Signale für jeden einzelnen Schallwandler in einem zweiten Datenstrom zu den Baugruppen geführt wird, ist vergleichsweise sehr gering. Die Synthese aus Inhalt, also den Audiosignalen selbst, und Form, also den zugehörigen Daten, wird dann erfindungsgemäß nicht mehr in einer Zentraleinheit ausgeführt, sondern autark in jeder Modularen Einheit. Wegen des modularen Aufbaus müssen nicht mehr differenzierte Daten oder einzelne Audiosignale für jeden einzelnen Schallwandler übertragen werden. Der Datenstrom, der von der Zentraleinheit zu allen Baugruppen geführt wird, enthält nur noch den Vektor jeder darzustellenden virtuellen Schallquelle zu einem einzigen Bezugspunkt im System.
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In den Baugruppen selbst ist nach dem Setup Prozess der Vektor eines, in allen Baugruppen gleichen, Bezugspunktes des betreffenden Moduls zu diesem gemeinsamen Bezugspunkt bekannt, weil er sich aus den Kantenlängen der Baugruppen oder Module und deren Position innerhalb der Anordnung aus Schallwandlern ergibt. In der Baugruppe oder Modul selbst sind dann die Vektoren jedes einzelnen Schallwandlers zu diesem Bezugspunkt gespeichert. Die Vektoraddition des Bezugspunktes der Anordnung aus Schallwandlern zum Koordinatenursprung plus Vektor des Bezugspunktes des Moduls zum Bezugspunkt der Anordnung aus Schallwandlern plus Vektor des jeweiligen Schallwandlers zum Bezugspunkt des Moduls ergibt die exakte Position des betreffenden Schallwandlers zum Koordinatenursprung des Systems.
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Im Modellbasierten Ansatz der Wellenfeldsynthese ist auch der Vektor jeder virtuellen Schallquelle zum Koordinatenursprung bekannt. Deshalb lässt sich innerhalb eines jeden Modules auch die Distanz zwischen jeder virtuellen Schallquelle zu jedem Schallwandler berechnen. Daraus lässt sich leicht die Laufzeit des Schalls von dieser virtuellen Schallquelle zum betreffenden Schallwandler ableiten, wenn die korrekte, von der Temperatur des Ausbreitungsmediums vor dem akustischen Vorhang abhängige, aktuelle Schallgeschwindigkeit bekannt ist.
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Die Zahl der virtuellen Schallquellen für die Darstellung der Quellen selbst und ihrer ersten schallstarken Reflexionen ist im modellbasierenden Ansatz der Wellenfeldsynthese überschaubar. Unter Beachtung des direktionalen Auflösungsvermögens des menschlichen Gehörs wird allgemein davon ausgegangen, dass es keinen wahrnehmbaren Vorteil bringt, wenn mehr als 32 separate Positionen von direkten Schallquellen darstellbar sind [7].
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Werden nur die ersten schallstarken Reflexionen dieser Quellen korrekt synthetisiert, so entstehen für jeden Audiokanal sieben virtuelle Ausgangspunkte von virtuellen Schallquellen. Im digitalen System ist es naheliegend, eine achte Position für eine zusätzliche schallstarke Reflexion zu reservieren.
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So entstehen in dem gemeinsamen Datenstrom, der zu den Baugruppen geführt wird, nur 32 × 8 = 256 Quellpositionen für direkte Wellenfronten und erste schallstarke Reflexionen als vektorielle Größe zu dem Bezugspunkt der Anordnung aus Schallwandlern. Im Vergleich wären bei einem komplett in einer Einheit aufgebauten akustischen Vorhang, beispielsweise mit 1024 einzelnen Schallwandlern, 32 × 8 × 1024 Ausgangspunkte von virtuellen Schallquellen in allen drei Raumpositionen zu definieren, das sind 262144 vektorielle Größen. Noch höher würde die Datenmenge im Datenbasierenden Ansatz. Hier sind in den Impulsantworten nicht nur die Positionen von Quelle und ersten schallstarken Reflexion enthalten, sondern alle Ausgangspunkte aller Reflexionen werden in der Faltung in die Impulsantwort wiederhergestellt. Diese Datenmenge für viele einzelne Positionen von Schallwandlern auf einer Leitung zu übertragen wäre nur möglich, wenn viel Zeit für die Übertragung zur Verfügung stehen würde. Dann wären aber schnelle Ortsveränderungen der Schallquelle nicht möglich.
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Deshalb werden die Audiosignale im Datenbasierenden Verfahren der Wellenfeldsynthese in einer Zentralen Verarbeitungseinheit in die entsprechenden Impulsantworten gefaltet und das Ausgangssignal dieser Faltung wird an die einzelnen Endverstärker geleitet.
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Je größer die Zahl der einzelnen Schallwandler wird, umso größer wird der in der Zentraleinheit zu verarbeitende Rechenaufwand. Das hat in der Vergangenheit dazu geführt, dass das Prinzip der Wellenfeldsynthese fast immer auf eine einzelne horizontale Reihe aus Schallwandlern reduziert wurde.
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Fundamentaler Vorzug des erfindungsgemäßen, modularen Aufbaues der Anordnung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese ist es, das die zentral zu verarbeitende Rechenleistung und die zu den Baugruppen zu übertragende Datenmenge unabhängig von der Zahl der Schallwandler im Gesamtsystem ist. Sie ist für einen beliebig großen akustischen Vorhang nicht höher als für einen einzelnen Schallwandler.
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Das macht die Darstellung sehr schneller Bewegungen der Schallquelle mitsamt der zugehörigen Positionsänderungen ihrer ersten schallstarken Reflexionen im modellbasierenden Ansatz möglich. Die acht mal drei Distanzwerte aus der zentralen Berechnung ergeben selbst bei einer extrem hohen Auflösung der Einzelwerte mit 24 Bit nur eine Datenmenge von 576 Bit für jede Schallquelle und ihre ersten schallstarken Reflexionen. Für 32 Audiokanäle ergibt sich dann nur eine Datenrate von 2,304 kByte für alle Positionsdaten. Dieser Wert ist so klein, das auch die nach [6] geforderten 8 Updates pro Sekunde für einen flüssigen Bewegungsablauf der Quelle problemlos weit überschritten werden können.
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Bisher war es wegen der begrenzten Updatefähigkeit der Quellpositionen selbst bei den auf die horizontale Ebene reduzierten Ausführungen von Wellenfeldsynthesesystemen üblich, Impulsantworten für vordefinierte Quellpositionen zu definieren und im System zu speichern, um die virtuelle Schallquelle dann von einer vordefinierten Position zur anderen springen zu lassen. Solange die Quelle nur von einem Punkt zum anderen springt, ist sie an dem jeweiligen Punkt ortsfest und beim sprunghaften Wechsel der Position entstehen zwangsläufig nicht die natürlichen Dopplereffekte einer kontinuierlichen Bewegung, die unser Ohr sehr sensitiv auswertet, sondern Artefakte.
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Wenn aber die jeweils zu verarbeitende Datenmenge im modellbasierten Ansatz der Wellenfeldsynthese wegen der Aufteilung auf einzelne Module gering ist und die Quellpositionen sehr schnell den natürlichen Ortsveränderungen der originären Schallquellen und ihrer ersten schallstarken Reflexionen folgen können, so ist die Darstellung von Dopplereffekten bei bewegten virtuellen Schallquellen ohne Artefakte möglich, weil eine kontinuierliche Bewegung der virtuellen Schallquellen im Raum entsteht.
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Aus dem modularen Aufbau des Wellenfeldsynthesesystems entsteht ein weiterer fundamentaler Vorteil. Weil die Menge der zu überfragenden Daten und der Rechenaufwand in der Zentraleinheit unabhängig von der Anzahl der angeschlossenen Baugruppen oder Module ist, wird das System frei skalierbar. So kann nicht nur die übliche Reduktion des Verfahrens auf die horizontale Ebene des Zuhörers leicht überwunden werden. Auch sehr große akustische Vorhänge mit Richtwirkungen bis in den Bassbereich und eng fokussierten konkaven Wellenfronten werden realisierbar.
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Selbst die „akustische Kabine”, die dem theoretischen, im Kirchhoff Helmholtz Integral beschriebenen Ansatz der Wellenfeldsynthese zu einer vollständigen physikalischen Rekonstruktion des Ausgangsschallfeldes in einem quellfreien Volumen nahe kommt, wäre wegen der freien Skalierbarkeit des modular aufgebauten Systems realisierbar.
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Dazu wäre es auch möglich, in dem modularen Aufbau Subsysteme unterschiedlicher Leistungsfähigkeit aufzubauen, beispielsweise hinter dem Zuhörer einen größeren Abstand zwischen den Schallwandlern zu wählen. Die Module könnten auch zu einer körperlichen Struktur, beispielsweise einem Würfel oder Quader, zusammengefügt werden, in denen virtuelle Schallquellen nach außen strahlen.
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Mit dem dezentralen Aufbau lassen sich so auch sehr viele sehr kleine Schallwandler ansteuern. Zukünftig könnten sich der Anwendung von MEMs [8] in Verbindung mit Wellenfeldsystemen neue Perspektiven eröffnen. Die integrierten Schallwandler lassen sich in großer Zahl auf einer gemeinsamen Trägerbasis mit anderen integrierten Bauelementen aufbauen. Diese Fläche könnte dann tatsächlich wie ein Vorhang Wellenfronten erzeugen, die völlig frei von den Aliasingeffekten ist, die bei den vom theoretischen Ansatz der Wellenfeldsynthese abweichenden, relativ großen Elementarwellen herkömmlicher Schallwandler unvermeidlich sind.
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Auf dem Träger der Bauelemente wären dann wieder, analog zum Modularen Aufbau, Gruppen von Schallwandlern zu bilden, die von einem verteilten System aus Ansteuereinheiten versorgt werden. Zukünftig könnten solche Mikrostrukturen für eine kombinierte Reproduktion von auditiven und visuellen Informationen genutzt werden.
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Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Die Vorrichtung ist in 1 und 2 dargestellt. Sie soll anhand dieser Zeichnungen erläutert werden.
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1 zeigt eine modular aufgebaute Vorrichtung aus Schallwandlern nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese (1). Mit ihr sollen virtuelle Schallquellen (2) dargestellt werden, deren Position in einem Koordinatensystem bezüglich des Koordinatenursprunges (3) gegeben ist. Der Koordinatenursprung kann an der Position eines Zuhörers im Wiedergaberaum sein, sie kann aber auch beliebig festgelegt werden. In jedem Fall muss der Vektor eines Bezugspunktes (4) der Vorrichtung aus Schallwandlern zu diesem Koordinatenursprung bekannt sein. Dann ist der jeweilige Bezugspunkt in den einzelnen der Module (5) in der Vorrichtung aus Schallwandlern durch die Platzierung des Moduls im System und die Kantenlänge der Module gegeben. Im Modul ist die Position jedes einzelnen Schallwandlers (6) zu jedem einzelnen Schallwandler gegeben.
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Weil in dem Koordinatensystem dann die Positionen der virtuellen Schallquellen zum Koordinatenursprung (3) und alle Vektoren der Bezugspunkte bis hin zu jedem einzelnen Schallwandler bekannt sind, kann durch Addition der einzelnen Vektoren die Position jeder einzelnen virtuellen Schallquelle zu jedem einzelnen Schallwandler bestimmt werden.
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In 2 ist dargestellt, das alle Audiosignale und Daten zu jedem Modul geführt werden. Das kann über separate Leitungen (1) und (2) geschehen oder alle Informationen können auch über ein gemeinsames Protokoll zu den Baugruppen übertragen werden. Die Datenmenge ist vergleichsweise gering, weil nur die Position der virtuellen Quellen im Koordinatensystem und ihre Zuordnung zu den Audiosignalen übertragen werden muss. Das ermöglicht ein Update der Positionen in sehr kurzen Zeitintervallen. Entsprechend schnell können für die wenigen Schallwandler im Modul die aus allen entsprechend der Modulposition in der Anordnung aus Schallwandlern verzögerten und aufaddierten Signale aller Eingangsquellen an den entsprechenden Endverstärker geführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- [1] Berkhout, A. J. (1988): A holographic approach to acoustic control'. Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 36, No. 12, December 1988, pp. 977–995.
- [2] http://www.hauptmikrofon.de/theile/WFS_Theile_VDT-Magazin_2_2005.pdf
- [3] DE 10 2005 001 395 A1
- [4] William Francis Wolcott IV: Wave Field Synthesis with Real-time Control
- [5] Dipl. Ing (FH) Rene Rodigast, Frauenhofer – Institut für Digitale Medientechnologie IDMT: Sprachwiedergabe oder Konzertakustik – Akustische Raumsimulation in der 3D-Beschallung, 8.0 E 37 Messe Frankfurt/Prolight + Sound 2013
- [6] http://iosono-sound.com/assets/files/IOSONO_IPC100_brochure.pdf
- [7] http://wfsynth.sourceforge.net/Thesis.pdf
- [8] John J. Neumann, Jr. and Kaigham J. Gabriel, CMOS-MEMS Membrane for Audio-Frequency Acoustic Acuation, Electrical and Computer Engineering Dept., Carnegie Mellon University, 2001, pp. 236–239, XP-002240602.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005001395 A1 [0042]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Prof. Berkhout 1988 [0007]
- Berkhout, A. J. (1988): A holographic approach to acoustic control'. Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 36, No. 12, December 1988, pp. 977–995 [0042]
- http://www.hauptmikrofon.de/theile/WFS_Theile_VDT-Magazin_2_2005.pdf [0042]
- William Francis Wolcott IV: Wave Field Synthesis with Real-time Control [0042]
- Dipl. Ing (FH) Rene Rodigast, Frauenhofer – Institut für Digitale Medientechnologie IDMT: Sprachwiedergabe oder Konzertakustik – Akustische Raumsimulation in der 3D-Beschallung, 8.0 E 37 Messe Frankfurt/Prolight + Sound 2013 [0042]
- http://iosono-sound.com/assets/files/IOSONO_IPC100_brochure.pdf [0042]
- http://wfsynth.sourceforge.net/Thesis.pdf [0042]
- John J. Neumann, Jr. and Kaigham J. Gabriel, CMOS-MEMS Membrane for Audio-Frequency Acoustic Acuation, Electrical and Computer Engineering Dept., Carnegie Mellon University, 2001, pp. 236–239, XP-002240602 [0042]
