DE19819452C1 - Verfahren und Vorrichtung zur elektroakustischen Übertragung von Schallenergie - Google Patents

Abstract

Ein Schallwandler, der sowohl als Mikrofon als auch als Lautsprecher verwendet werden kann, umfaßt für räumliche Aufnahme und Abgabe von Schallenergie mehrere freischwingende Membranen (1), die jeweils vor trichterförmig ausgebildeten Trennwänden (4) aufgehängt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektroakusti­ schen Übertragung von Schallenergie, bei dem die Schallener­ gie von einem Schallwandler aufgenommen, in elektrische Energie umgewandelt, über einen Übertragungskanal zu einem weiteren Schallwandler übertragen und dort wieder in Schall­ energie umgewandelt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der elektroakustischen Übertragung von Schallenergie gibt zunächst ein Schallerzeuger, beispielsweise ein Instrument, Energie an die Luft ab. Diese Energie wird durch die Luft transportiert bis sie auf einen Schallwandler, nämlich ein Mi­ krofon, trifft, der einen Teil dieser von der Luft übertragenen Energie aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt. Diese elektrische Energie wird über einen sogenannten Übertra­ gungskanal geschickt, an dessen Ende die elektrische Energie wieder in Schallenergie über einen Schallwandler, nämlich ei­ nen Lautsprecher, umgewandelt wird. Dieser Schallwandler gibt seine Schwingungen in Form von Energie an die Luft ab, wobei die Luft diese Energie weitertransportiert, von welcher ein Teil zu einem Schallempfänger, nämlich dem menschlichen Ohr gelangt.

Auch mit besonders hochwertigen Mikrofonen und Lautspre­ cher ist es nach dem derzeitigen Stande der Technik nicht möglich Schallenergie naturgetreu von der Schallquelle zum Ohr des Zuhörers zu übertragen.

Für die Energieübertragung von Schall in der Luft sind drei Mechanismen bekannt, nämlich die Translation von Molekülen, bei welcher die Luftmoleküle die Geschwindigkeit ihres Schwerpunktes verändern, die Rotation der Atome der Luftmo­ leküle, die sich umeinander drehen und die inneren Schwin­ gungen der Atome der Luftmoleküle, welche gegeneinander schwingen. Diese Mechanismen werden von natürlichen Schallquellen erzeugt und vom Ohr des Zuhörers aufgenommen und verarbeitet. Bei der elektroakustischen Übertragung findet bisher nur die Translation nicht jedoch die Rotation und die innere Schwingung Berücksichtigung.

Aus der DE 24 46 982 A1 ist es bekannt, zur Verhinderung einer durch Hysterese bedingten Verzerrung dem Antriebssystem des Lautsprechers eine Hochfrequenzschwingung zu überlagern. Eine bewußte Schwingungsanregung des Übertragungsmediums bis zum Hörer wird durch Anordnung von akustischen Filtern unterdrückt.

Die JP 5-168086 A beschreibt ein sich einstellendes angenehmeres Hörgefühl durch die Addition von Oberwellen, die an einer nichtlinearen Kennlinie aus dem Originalsignal gewonnen werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine möglichst naturge­ treue Übertragung der Schallenergie ausgehend von der Schallquelle bis zum Ohr des Zuhörers zu ermöglichen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht in einem Verfahren ausgehend von den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 erfindungsgemäß darin, daß eine direkte akustische Kopp­ lung zwischen Vorder- und Rückseite eines Schallwandlers herbeigeführt wird, daß bei dem die Schallenergie abgebenden Schallwandler bei Fehlen eines die innere Schwingung der Atome der Luftmoleküle anregenden Signals, diesem Schall­ wandler ein unhörbares Hochfrequenzsignal zusätzlich aufge­ prägt wird und daß Schallwandler verwendet werden, deren Übertragungsbereich bis mindestens 40 kHz reicht.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht im Kern darin, er­ kannt zu haben, daß neben der bisher erzeugten Translations­ bewegung der Luftmoleküle auch die Rotation und die innere Schwingung der Atome von dem einen Schallwandler aufge­ nommen und von dem zweiten Schallwandler an die Luft abge­ geben werden müssen, wenn man eine möglichst naturgetreue Übertragung herbeiführen will und daß man die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen ergreifen muß, falls an dem die Schallenergie an die Luft abgebenden Schallwandler die Mög­ lichkeiten zur Erzeugung einer Rotation der Atome und das entsprechende Signal zur Erzeugung der inneren Schwingung der Atome fehlen. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ei­ ner direkten akustischen Kopplung zwischen Vorder- und Rückseite eines Schallwandlers wird die Rotation der Atome der Luftmoleküle im Falle eines Mikrofons aufgenommen und im Falle eines Lautsprechers an die Luft abgegeben. Bei Fehlen eines Signals, an dem die Schallenergie abgebenden Schall­ wandler zur Erzeugung der inneren Schwingung der Atome der Luftmoleküle wird diesem Schallwandler ein unhörbares Hoch­ frequenzsignal zusätzlich aufgeprägt, um den Schallwandler in die Lage zu versetzen diese inneren Schwingungen der Atome der Luftmoleküle zu erzeugen. Hierzu ist es erforderlich den Frequenzbereich eines Schallwandlers von bisher üblichen 20 kHz auf mindestens 40 kHz zu erweitern. Durch die erfin­ dungsgemäßen Maßnahmen ist man also in der Lage, die für das natürliche Empfinden notwendigen Übertragungsmecha­ nismen auch dann zu aktivieren, wenn die an dem die Schalle­ nergie abgebenden Schallwandler notwendigen Signale nicht anstehen.

Das Hochfrequenzsignal, das zum Anregen der inneren Schwin­ gung der Atome der Luftmoleküle notwendig ist und welches den erweiterten Frequenzbereich erfordert, kann, da es nicht störend ist, zum Niederfrequenzsignal addiert werden. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung der Er­ findung das Niederfrequenzsignal mit dem Hochfrequenzsignal moduliert wird, weil das resultierende Signal der natürlichen Übertragung des erzeugten Schalls entspricht.

Das Hochfrequenzsignal kann dabei in Form einer Sinus­ schwingung, einer Dreieckschwingung oder einer Rechteck­ schwingung verwendet werden. Dabei kann zur Veränderung der abgegebenen Energie das Hochfrequenzsignal mit variablem Tastverhältnis verwendet werden.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das zwischen 10 kHz und 20 kHz vorhandene Spektrum bei dem schallabge­ benden Schallwandler in einen um einen Faktor ≧ 2 verviel­ fachten Frequenzbereich abgebildet wird, dann werden zur Er­ zielung einer möglichst naturgetreuen Wiedergabe des aufge­ nommenen Schalls die Obertöne dieses aufgenommenen Schalls auf künstliche Weise erzeugt und somit dem Schallempfänger, d. h. dem menschlichen Ohr, zugänglich gemacht. Hierfür ist der eingangs angegebene erweiterte Frequenzbereich bis min­ destens 40 kHz erforderlich.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem schallenergieaufnehmenden Schallwandler, einem Übertra­ gungskanal und einem schallabgebenden Schallwandler ist da­ durch gekennzeichnet, daß alle Schallwandler einen Frequenz­ bereich bis mindestens 40 kHz aufweisen, daß die Membranen der Schallwandler freischwingend gelagert sind, wobei beide Seiten der Membran direkt auf kürzestem Wege miteinander in Verbindung stehend akustisch gekoppelt sind und daß der schallabgebende Schallwandler mit einer Einrichtung zur Be­ aufschlagung mit einem unhörbaren Hochfrequenzsignal ver­ bunden ist. Schallwandler mit einem erweiterten Frequenzbe­ reich bis mindestens 40 kHz sind notwendig, um das unhörbare Hochfrequenzsignal für die Addition oder Modulation mit dem Niederfrequenzsignal aufnehmen und wieder abgeben zu kön­ nen, um die innere Schwingung der Atome der Luftmoleküle herbeizuführen. Für die Rotation der Atome ist die akustische Kopplung beider Seiten der Membran vorgesehen, was dadurch erreicht wird, daß die Membranen der Schallwandler frei­ schwingend, d. h. ohne Abkapselung der Rückseite dieser Mem­ branen durch ein Gehäuse, gelagert sind. Wenn bei dem schallabgebenden Schallwandler das Signal zur Erzeugung der inneren Schwingung fehlt, wird dieses durch Beaufschlagung des Schallwandlers mit einem unhörbaren Hochfrequenzsignal künstlich erzeugt und somit die innere Schwingung der Atome der Luftmoleküle angeregt, wodurch der Hörer den Eindruck einer natürlichen Schallübertragung erhält. Schallwandler mit einem weit über der Hörgrenze liegenden Frequenzbereich sind zwar grundsätzlich bekannt, sie werden aber bei Mikrofonen nur in Form von Meßmikrofonen eingesetzt. Nach der vorlie­ genden Erfindung sind Mikrofone, die sowohl die Rotation der Atome der Luftmoleküle als auch die inneren Schwingungen dieser Atome erfassen können, dadurch zu verwirklichen, daß die Membran freischwingend gelagert wird und von beiden Seiten beschallt werden kann, wobei zur Erzielung eines sehr hohen Frequenzbereiches der Membrandurchmesser verhält­ nismäßig klein gewählt wird und vorzugsweise in der Größen­ ordnung zwischen ein Viertel bis ein Achtel Zoll liegt. Die für Lautsprecher zu verwendenden Schallwandler mit freischwin­ genden Membranen sind einfach realisierbar, indem herkömm­ liche Konuslautsprecher ohne Gehäuse betrieben werden. Vor­ zugsweise kommen aber elektro-statische und Piezo- Lautsprecher sowie Biegewellenplattenschwinger zur Anwen­ dung, die am Außenrand eingespannte Membranen aufweisen und Frequenzen weit oberhalb von 20 kHz übertragen können.

Um möglichst geringe Störungen bei der Übertragung von Schallenergie hervorzurufen, ist es nicht nur erforderlich, daß die beiden Schallwandler und die Übertragungsstrecke in der Lage sind hohe Frequenzen zu verarbeiten, sondern es ist auch für die Erzielung eines möglichst natürlichen Effektes von Vorteil, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung sowohl die schallaufnehmenden als auch die schallabgebenden Schallwandler gleicher Bauart sind.

Lautsprecher mit freischwingenden Membranen zur Aufnahme und Abgabe der Rotation der Atome der Luftmoleküle sind ein­ fach realisierbar, indem herkömmliche Konuslautsprecher ohne Gehäuse betrieben werden. Dabei handelt es sich entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung um Schallwandler, die eine Kolbenmembran aufweisen.

Es ist jedoch vorteilhafter Schallwandler zu verwenden, die ei­ ne am Außenrand eingespannte Membran aufweisen. Hierzu sind die elektrostatischen und Piezo-Lautsprecher sowie Bie­ gewellenplattenschwinger zu zählen. Eine Kombination beider Prinzipien ist ebenso möglich und läßt sich mit Elektrostat- Lautsprechern und Biegewellenplattenschwingern ohne Gehäu­ se realisieren.

Zur Erfassung und Erzeugung eines räumlichen Schallfeldes ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß für die Schallauf­ nahme und/oder Schallabgabe mindestens drei Schallwandler vorgesehen sind, deren Symmetrieachsen räumlich jeweils senkrecht zueinander angeordnet sind. Je höher die Anzahl der Schallwandler ist, umso differenzierter läßt sich ein Schallfeld erfassen und wiedergeben. Um die rückseitige Abstrahlung zu vermindern, ist es vorteilhaft, wenn im Zentrum der räumli­ chen Membrananordnung der schallabgebenden Schallwandler schalldämmende Mittel angeordnet sind.

Interferenzen zwischen den jeweils abgestrahlten Schallfeldern können in Weiterbildung der Erfindung dadurch reduziert wer­ den, daß die einzelnen schallabgebenden Schallwandler durch schallführende Trennwände voneinander getrennt sind. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Trennwände den jeweili­ gen Schallwandler nach Art eines sich vom Zentrum der Schallwandleranordnung nach außen erweiternden Schall­ trichter umgeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zei­ gen:

Fig. 1: eine freischwingende Membran;

Fig. 2: eine Anordnung von drei Membranen zur Er­ fassung und Erzeugung eines dreidimensio­ nalen Schallfeldes;

Fig. 3 bis 5: Schallwandler in räumlich symmetrischer Aufteilung; und

Fig. 6 und 7: Schallwandler mit Schallführungswänden.

Die Ausführungsbeispiele befassen sich alle mit der Anordnung der Schallwandler. Dabei zeigt Fig. 1 eine freischwingende Membran 1 mit der durch diese Membran erzeugbaren Richt­ charakteristik, wobei durch das Bezugszeichen 2 die Linie glei­ chen Schallpegels in Form einer rotationssymmetrischen Acht dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt die Anordnung von drei Membranen 1 in einem kartesischen Koordinatensystem jeweils in X-, Y-, und Z-Rich­ tung orientiert. Diese Anordnung von Membranen kann sowohl zur Bildung eines Mikrofons als auch eines Lautsprechers vor­ gesehen sein, um ein räumliches Schallfeld erfassen und abge­ ben zu können.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen jeweils mehrere Membranen 1 in räumlich symmetrisch verteilten Flächen 3, wobei bei der Aus­ gestaltung nach Fig. 3 vier solcher Flächen, bei der Ausge­ staltung nach Fig. 4 sechs solcher Flächen und bei der Aus­ gestaltung nach Fig. 5 zwölf solcher Flächen zur Aufnahme von freischwingenden Membranen vorgesehen sind.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Ausführungsformen, bei denen die Membranen 1 jeweils vor räumlich symmetrisch angeordneten Schallführungswänden 4 angeordnet sind, deren Anordnungen so getroffen sind, daß sie die jeweilige Membran 1 nach Art ei­ nes Schalltrichters umgeben.

Claims (16)

1. Verfahren zur elektroakustischen Übertragung von Schallenergie, bei dem die Schallenergie von einem Schall­ wandler aufgenommen, in elektrische Energie umgewandelt, über einen Übertragungskanal zu einem weiteren Schallwand­ ler übertragen und dort wieder in Schallenergie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine direkte, akustische Kopplung zwischen Vorder- und Rückseite eines Schallwand­ lers herbeigeführt wird, daß bei dem die Schallenergie abge­ benden Schallwandler bei Fehlen eines die innere Schwingung der Atome der Luftmoleküle anregenden Signals, diesem Schallwandler ein unhörbares Hochfrequenzsignal zusätzlich aufgeprägt wird und daß Schallwandler verwendet werden, de­ ren Übertragungsbereich bis mindestens 40 kHz reicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochfrequenzsignal zum Niederfrequenzsignal addiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Niederfrequenzsignal mit dem Hochfrequenzsignal mo­ duliert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenzsignal in Form einer Sinusschwingung verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenzsignal in Form einer Dreieckschwingung verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochfrequenzsignal in Form einer Rechteckschwingung verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenzsignal mit variablem Tastverhältnis verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen 10 kHz und 20 kHz vorhan­ dene Spektrum bei dem schallabgebenden Schallwandler in ei­ nen um einen Faktor größer oder gleich 2 vervielfachten Fre­ quenzbereich abgebildet wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Schallenergie aufneh­ menden Schallwandler, einem Übertragungskanal und einem schallabgebenden Schallwandler, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schallwandler einen Frequenzbereich bis mindestens 40 kHz aufweisen, daß die Membranen der Schallwandler frei­ schwingend gelagert sind, wobei beide Seiten der Membran di­ rekt auf kürzestem Wege miteinander in Verbindung stehend akustisch gekoppelt sind und daß der schallabgebende Schall­ wandler mit einer Einrichtung zur Beaufschlagung mit einem unhörbaren Hochfrequenzsignal verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß sowohl die schallaufnehmenden als auch die schall­ abgebenden Schallwandler gleicher Bauart sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schallwandler eine Kolbenmembran aufwei­ sen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schallwandler eine am Außenrand einge­ spannte Membran aufweisen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß für die Schallaufnahme und/oder Schallabgabe mindestens drei Schallwandler vorgesehen sind, deren Symmetrieachsen räumlich jeweils senkrecht zueinander angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß im Zentrum der räumlichen Membrananordnung der schallabgebenden Schallwandler schalldämmende Mittel ange­ ordnet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die einzelnen schallabgebenden Schallwandler durch schallführende Trennwände voneinander getrennt sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trennwände den jeweiligen Schallwandler nach Art eines sich vom Zentrum der Schallwandleranordnung nach außen erweiternden Schalltrichtern umgeben.