DE19813804B4

DE19813804B4 - Stereoschallwandler mit phasengesteuerter Richtwirkung

Info

Publication number: DE19813804B4
Application number: DE1998113804
Authority: DE
Inventors: Thorsten Schippritt
Original assignee: Schippritt Thorsten Dipl-Ing
Current assignee: Schippritt Thorsten Dipl-Ing
Priority date: 1998-03-24
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2018-03-25
Also published as: DE19813804A1

Abstract

Stereoschallwandler, ausgeführt in Stereo-Mitte-Seitentechnik, bestehend aus mehreren Segmenten, welche mit Elementarwandlern wie Lautsprechern oder Mikrophonkapseln besetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarwandler Phasen- oder Amplitudenphasensteuerfolgen unterliegen, dergestalt, daß sich eine über den Frequenzbereich näherungsweise konstante Richtwirkung ergibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stereoschallwandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Schallwandler ist in Stereo-Mitte-Seitentechnik ausgeführt. Dabei wird von einem Mittensignal, das die Summe der Rechts- und Linkssignale, und von einem Seitensignal, das die Differenz der Rechts- und Linkssignale darstellt, Gebrauch gemacht. Schallempfänger die nach diesem Prinzip arbeiten sind als Stereokoinzidenzmikrophone [1] bekannt. Schallsender sind bekannt als Querlautsprecher oder als Interferenzlautsprecher [2]. Bei ihnen wird versucht beispielsweise eine Kugelrichtcharakteristik des Mittensignals mit einer Dipolrichtcharakteristik des Seitensignals so zu kombinieren, daß sich durch die Interferenz der Schallwellen eine räumliche Matrizierung der Signale in der Weise ergibt, daß die ursprünglichen Rechts- und Linkssignale im freien Schallfeld wiederentstehen. Im allgemeinen ergeben sich dabei frequenzabhängige Richtwirkungen welche mit wachsender Frequenz größer werden und für den Fall, daß die Wellenlänge kleiner wird als die Wandlerabmessungen, zu Seitenkeulen führen, sodaß eine richtungsgetreue Wiedergabe des stereophonischen Signals nur in einem kleinen Raumwinkelbereich möglich ist. Hier kann Abhilfe geschaffen werden durch geschickte Systemaufteilung und Untergliederung in Frequenzbereiche [3]. Andernfalls werden räumliche Klangverfärbungen beobachtet welche nicht aus den spektralen Unterschieden zwischen den Rechts- und Linkssignalen sondern von einer frequenzabhängigen Richtwirkung herrühren. Oftmals kann aber die Verwendung frequenzlinearer Phasenfilter gegenüber der Verwendung phasenlinearer Frequenzfilter eine technische Vereinfachung darstellen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Richtwirkung des Schallwandlers so zu steuern, daß die Rechts- und Linkssignale durch die Interferenz der abgestrahlten Mitte- und Seitensignale richtungsgetreu und weitgehend klangfarbenneutral wiederentstehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst, wobei zweckmäßige Konkretisierungen der Erfindung durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet sind.

Bei einem erfindungsgemäßen Stereoschallwandler erfolgt die Formung einer über den Frequenzbereich näherungsweise konstanten Richtwirkung mittels Phasen- oder Amplitudenphasenfolgen. Es können zweiphasige (binäre Verpolungsmuster) oder mehrphasige Folgen ohne oder mit Amplitudengewichtung, d.h. Amplitudenphasenfolgen, Verwendung finden [4]. Der Schallwandler ist aus mehreren räumlichen Segmenten zusammengesetzt, welche mit Wandlerlementen ein oder mehrdimensional besetzt sind. Die Elementarwandler können Schallstrahler (Lautsprecher) oder Empfängerkapseln (Mikrophone) sein. Die Elementarwandler werden mittels geeigneter Folgen derart gesteuert, daß die Segmente jeweils einen ausgeprägten frequenzunabhängigen Strahlungs- oder Empfangsschwerpunkt besitzen. Dieses wird dadurch erreicht, daß von den zentralen Elementarwandlern aus die Phasenentropie peripher möglichst gleichmäßig zunehmend gestaltet wird. Ausgehend davon werden die Schwerpunkte der Wandlersegmente mit elektronischen Mitteln frequenzabhängig derart verlagert, daß sich eine über den Frequenzbereich steuerbare Richtwirkung ergibt. Für den Fall ihrer Konstanz ergibt sich die Möglichkeit der Entzerrung der Impulsantwort des akustischen Systems in einem größeren Raumwinkelbereich [5].

Die 1 bezieht sich auf die Ansprüche 1 bis 5 und zeigt die Ausführung eines einfachen erfindungsgemäßen Stereoschallwandlers für drei Oktaven, zusammengesetzt aus vier Segmenten, welche mit Elementarwandlern besetzt sind, die mit einer geeigneten binären zweidimensionalen Phasenfolge ohne Amplitudengewichtung gesteuert werden. Eine solche Folge ist ein Verpolungsmuster der Elementarwandler und zeichnet sich dadurch aus, daß die Phasenentropie ausgedrückt in der Anzahl der Phasenwechsel pro Flächeneinheit peripher zunimmt.
Nach Anspruch 3 werden die Segmente A und C gleichphasig mit dem Mittensignal und die Segmente B und D gegenphasig mit dem Seitensignal angesteuert. Die auf den Segmenten A und C befindlichen Phasenfolgen sind symmetrisch zur X-Achse, und die Folgen auf den Segmenten B und D sind symmetrisch zur Y-Achse. Für einfache Anwendungen in der Frontalebene kann auch auf das Segment C verzichtet werden.
Nach Anspruch 4 werden die Segmente A und C gegenphasig mit dem Mittensignal und die Segmente B und D gegenphasig mit dem Seitensignal angesteuert ( eckige Klammer in 1). Die Segmente A, C, B, D sind vorzugsweise punktsymmetrisch, zur Steuerung der Elementarwandler werden die gleichen Steuerfolgen verwendet.
Das Mittensignal weist gegenüber dem Seitensignal eine über den Frequenzbereich konstante Phasenverschiebung von 90° auf (Multiplikation mit j bzw -j). Die jeweils mit dem Plus- oder Minuszeichen gekennzeichneten Elementarwandler werden einzeln oder gruppenweise getrennt angesteuert [6]. Dabei erfolgt die Phasensteuerung in der Weise, daß für hohe Frequenzen eine Phasenverschiebung von 180° vorliegt, sodaß die Strahlungsschwerpunkte S 0A, S 0B, S 0C und S 0D der Folgen wirksam sind. Mit sinkender Frequenz wird diese Phasenverschiebung kleiner, bis die Wirkung der Folge völlig aufgehoben ist, alle Elementarwandler in Phase geschaltet, und die Schwerpunkte S 2A bis S 2D wirksam sind. Eine über den Frequenzbereich konstante Richtwirkung wird durch eine zur Schallwellenlänge proportionale Verschiebung der Strahlungsschwerpunkte entlang der X- bzw. Y-Achse erreicht. Zur Ansteuerung können Allpaßfilter, Verzögerungsleitungen oder die digitale Signalverarbeitung zum Einsatz kommen. Die 2 bezieht sich auf den Anspruch 7 und versteht sich im Maßstab 1/16 vergrößert als eine optionale Erweiterung der in 1 dargestellten Anordnung. Wie man erkennt, wird hier nach dem Prinzip der Selbstähnlichkeit als Unterfolge U eines Hauptfolgensegmentes eH die gleiche Folgensequenz wie in der Hauptfolge verwendet. Durch eine zweite Phasensteuerung bezogen auf die Unterfolgen kann so der Frequenzbereich um weitere drei auf sechs Oktaven erweitert werden.
Derartige Schallwandleranordnungen mit beispielsweise 1024 Elementarwandlern können technisch nach dem Elektrostatischen Prinzip verwirklicht werden.
Literaturliste:

[1] Dickreiter, M.: Handbuch der Tonstudiotechnik, KG Saur Verlag, München, Bd. 1, S. 292-293;
[2] Hentschke Siegbert: DE 20 46 77 6 B2 ( 30. 3. 1972 );
[3] Schippritt Thorsten: DE 44 26 696 C1 ( 4. 1. 1996 );
[4] Möser M.: „Amplituden- und phasengesteuerte akustische Sendezeilen mit gleichmäßiger Horizontalrichtwirkung", Acustica Vol. 60 (1986 ) S. 91 – 104;
[5] Leckschat D., Heyder U..: „Verbesserung der Lautsprecher-Impulsantworten durch digitale Signalverarbeitung". Acustica Vol. 70 (1990) S. 55 – 60;
[6] Kuttruff H., Quadt H.-P.: „Ebene Schallstrahlergruppen mit ungebündelter Abstrahlung", Acustica Vol. 50 ( 1982 ), S. 273-279.

Claims

Stereoschallwandler, ausgeführt in Stereo-Mitte-Seitentechnik, bestehend aus mehreren Segmenten, welche mit Elementarwandlern wie Lautsprechern oder Mikrophonkapseln besetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarwandler Phasen- oder Amplitudenphasensteuerfolgen unterliegen, dergestalt, daß sich eine über den Frequenzbereich näherungsweise konstante Richtwirkung ergibt.
Stereoschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarwandler in einer ebenen Wandlerfläche angeordnet sind.
Stereoschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente derart mit den Mitte- und Seitensignalen beaufschlagt sind, daß sich eine Monopol-Dipolkombination ergibt.
Stereoschallwandler nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vier symmetrisch angeordnete Segmente vorgesehen sind, daß zwei einander diagonal gegenüberliegenden Segmenten das Mittensignal (Summensignal) zugeführt wird und daß den beiden anderen das Seitensignal (Differenzsignal) um +90° bzw, -90° gegenüber dem Mittensignal phasenverschoben zugeführt wird.
Stereoschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Segmente 16 Elementarwandler in quadratischer Anordnung (4 * 4) enthält, daß diese Elementarwandler in jedem Segment der Phasenfolge
unterliegen und daß die Elementarwandler in den Segmenten so zueinander orientiert sind, daß jeweils die Segmentecken mit dem "+" -Schwerpunkt (2 * 2 Teilquadrat mit "+") in der Mitte der Gesamtanordnung liegen.
Stereoschallwandler nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß für Monowiedergabe alle Segmente mit dem gleichen Signal, vorzugsweise dem Mittensignal beaufschlagt werden.
Stereoschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Folgeelemente selbst wieder aus steuerbaren Phasen- oder Amplitudenphasenfolgen bestehen.