DE2118292A1 - Einrichtung zur Erzeugung künstlichen Nachhalles - Google Patents

Description

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A K Gr Akustische u. Kino-G-eräte Gesellschaft m.b.H. 1150 Wien, Nobilegasse 50 (Österreich)

Einrichtung zur Erzeugung künstlichen Nachhalles

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erzeugung künstlichen Nachhalles mittels ein- oder mehrdimensionalem Wellenleiter und 2n Auf sprech- und 2rn Abnahmebeliebige

systemen gleicher Empfindlichkeit, wobei η und m ganze/positive Zahlen sind. Unter einem eindimensionalen Wellenleiter soll hierbei ein solcher verstanden werden, dessen Länge alle anderen Dimensionen um ein bedeutendes Vielfaches übersteigt, beispielsweise eine lange Schraubenfeder. Ein mehrdimensionaler Wellenleiter ist hingegen eine Platte, deren Länge und Breite ein Vielfaches der Plattendicke betragen können, in welchem Falle man angenähert von einem zweidimensionalen Gebilde sprechen kann.

Unabhängig von der Art des verwendeten Wellenleiters erfolgt die Bewertung des künstlich erzeugten Nachhalles immer im Vergleich zum natürlichen Raumhall. Es müssen davon abgeleitet bei der Erzeugung künstlichen Nachhalles, beispielsweise bei Verwendung von Schraubenfedern, einige

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wichtige Kriterien berücksichtigt werden. Vor allem ist darauf zu achten, daß die Laufzeit der aufgesprochenen Signale über den gesamten in Frage kommenden Frequenzbereich statistisch verschieden ist, d.h., daß Signale verschiedenen Frequenzinhaltes den Wellenleiter zwischen Aufsprech- und Abnahmesystem in verschiedenen, in keinem regelmäßigen Verhältnis stehenden Zeiten durchlaufen sollen. Ist dies in ausreichendem Maße der Fall, spricht man von einer Zerfaserung des Signales. Der Grad der Zerfaserung wird mit zunehmender Zeit, d.h. jener Zeit, die seit dem Aufsprechen auf den Wellenleiter vergangen ist, größer, wobei die Zerfaserung in an sich bekannter Weise dadurch erzielt wird, daß die Masselemente der Feder und auch ihre Rückstellkräfte durch eine besondere physikalische learbeitung der Feder statistisch verändert werden.

Trotz dieser Maßnahmen ist es jedoch noch immer nicht möglich, den Unterschied zwischen natürlichem und künstlichem Nachhall so weit zu verringern, daß er nicht mehr festgestellt werden kann, da es insbesondere bei eindimensionalen Wellenleitern nicht möglich ist, die Masse- bzw. Federelemente so stark zu verändern, daß allein die Zerfaserung genügt. Die Ursache ist darin zu sehen, daß bei natürlich auftretendem Nachhall die diffusen Signalant*ile, insbesondere ab 50 msec, nach der Anregung stark überwiegen.

Wird der Nachhall künstlich erzeugt, beispielsweise mittels einer zu Torsionsschwingungen angeregten Schraubenfeder, die eine Laufzeit von zirka 100 msec und eine statistische Masse- und Federungsverteilung aufweist, dann zeigt es sich, daß beim Aufsprechen eines Einzelimpulses an einem Ende, dieser Impuls am anderen Ende relativ unverfälscht vom Abnahmesystem aufgenommen wird. Würde man mit dem Abnahmesyatem längs der Feder zum Aufsprechsystem wandern, erscheint der erste abgenommene

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-ν .

Impuls des aufgedrückten Signals immer deutlicher und unverfälschter am Ausgang des Abnahmesystems, wogegen alle weiteren Impulse des aufgedrückten Signals entsprechend ihrem zeitlichen Abstand von der Anregung der Schraubenfeder immer mehr zerfasert auftreten.

Will man daher den künstlich erzeugten Nachhall dem natürlichen weitgehend gleich machen, muß dafür gesorgt werden, daß im wesentlichen nur diffuse Signalanteile auftreten, d.h. also, daß jene Impulsanteile, die den Wellenleiter ohne wesentliche Zerfaserung durchlaufen haben, insbesondere der erste, am Abnahmesystem auftretende Impuls, aus dem den künstlichen Nachhall bildenden Frequenzgemisch ausgeschieden werden müssen.

Dies wird bei einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art zur Erzeugung künstlichen Nachhalles erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Aufsprech- und Abnahmesysteme sich auf einer der Symmetrieachsen des Wellenleiters befinden und bezüglich der anderen Symmetrieachsen dieses Wellenleiters symmetrisch angeordnet sind, wobei Aufsprech- und Abnahmesysteme entweder alle auf derselben oder auf verschiedenen Symmetrieachsen liegen und das zu verhallende Signal gleichphasig allen Aufsprechsystemen zugeführt wird und die Abnahmesysteme paarweise gegenphasig zusammengeschaltet werden, oder umgekehrt, das zu verhallende Signal paarweise gegenphasig den Aufsprechsystemen zugeführt wird und alle Abnahmesysteme gleichphasig zusammengeschaltet und die so gewonnenen verhallten Signale einen oder mehreren Abnahmeverstärkern zugeführt werden.

Wird die Erfindung auf eine Einrichtung mit einem eindimensionalen Wellenleiter angewendet, insbesondere auf eine Einrichtung mit einer zu Torsionsschwingungen angeregten Schraubenfeder, kann es aus montagetechnischen Gründen von Vorteil sein, den Wellenleiter als endlose Schleife auszubilden. In diesem Falle müßten dann

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alle Wandlersysteme bezüglich eines beliebigen, frei wählbaren Punktes symmetrisch angeordnet werden.

Grundsätzlich ist die Erfindung aber auch

auf mehrdimensionale Wellenleiter anwendbar,. z.B. auf eine zu Biegeschwingungen angeregte dünne Platte. Die diffusen Signalanteile sind in diesem Fall zwar von vornherein grosser als bei eindimensionalen Wellenleitern, aber noch immer nicht groß genug entsprechend dem natürlichen Raumhall, so daß auch hier der Erfindungsgedanke das Verhältnis der diffusen Anteile zu den streng korrelierten Anteilen vergrössert und somit die Halligkeit erhöht. Zweckmäßigerweise ist die Anordnung dann so zu treffen, daß je zwei Aufsprechbzw. Abnahmesysteme auf einer der Symmetrieachsen liegen und bezüglich der anderen Symmetrieachsen symmetrisch angeordnet sind, wobei Aufsprech- und Abnahmesysteme entweder alle auf derselben oder auch auf verschiedenen Achsen liegen können.

Um die erfindungegemäße Kompensation der ersten an die Abnahmesysteme gelangenden, wenig verformten Impulse über den gesamten Frequenzbereich zu erreichen, ist es von Bedeutung, daß die Wandlersysteme sehr exakt angeordnet werden. Bei einem eindimensionalen Wellenleiter in Form einer Schraubenfeder ist beispielsweise mindestens die Genauigkeit von einer halben Federwindung erforderlich. Eine Vereinfachung läßt sich erfindungsgemäß dadurch erzielen, daß man je ein Aufsprechsystem und je ein Abnahmesystem zu einer mechanischen Einheit zusammenfaßt, in der jedoch jedes System elektrisch und magnetisch vom anderen unabhängig ist. Auf diese Weise wird infolge der Reziprozität eine ideale Kompensation bei Verwendung zweier Systeme gewährleistet, wenn jeweils ein solches System an jedem Ende eines im wesentlichen geradlinig gespannten Wellenleiters eindimensionaler Art vorgesehen ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfin-

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dung können der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung entnommen werden, in der in

Pig.1 eine prinzipielle Darstellung des Erfindungsgedankens dargelegt ist, und die

Pig.2 bis 4 Impulsfolgen zeigen, die die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahmen erläutern,

Pig.5 zeigt schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in bezug auf eine Schraubenfeder, und

Pig.6 ein solches in bezug auf eine dünne Platte als Wellenleiter.

Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens ist in Pig.1 ein eindimensionaler Wellenleiter W in Porm einer gespannten, zu Torsionsschwingungen erregten Schraubenfeder angenommen. Erfindungsgemäß sind beiderseits des Symmetriepunktes Y, der auf der Längsachse der Schraubenfeder W liegt, je ein Aufsprechsystem Zl, Z2 und je ein Abnahmesystem A1, A2 an den Enden der Peder W angeordnet. Hiebei sind die Aufsprechsysteme durch zur Schraubenfeder W gerichtete Pfeile, die Abnahmesysteme durch entgegengerichtete Pfeile angedeutet. Die beiden Aufsprechsysteme Z1, Z2 liegen gleichgepolt am Ausgang eines (nicht dargestellten) Aufsprechverstärkers, die Abnahmesysteme A1, A2 hingegen sind entgegengesetzt gepolt an den Abnahmeverstärker VA angeschlossen, was durch die Kreuzung der Zuführungsleitungen zum Verstärker symbolisiert ist.

Wird nun an die Aufsprechsysteme Z1, Z2 ein

Impuls angelegt, so geben ihn diese gleichzeitig und gleichphasig an die Schraubenfeder weiter, so daß ein Impuls die Schraubenfeder von links nach rechts und ein Impuls gleicher Art die Peder von rechts nach links durchläuft. Der vom System Z1 stammende Impuls erreicht nach der Zeit'Ti das Abnahmesystem A1, der vom System Z2 stammende Impuls nach derselben Zeit das Abnahmesystem A2. An den Klemmen der beiden Abnahmesysteme treten daher gleichartige elektrische

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Impulse auf, die jedoch, da die Wicklungen der Abnahmesysteme A1, A2 elektrisch entgegengeschaltet sind, am Eingang des Verstärkers VA nicht zur Wirkung kommen, da sie sich aufheben. Diese Aufhebung wird praktisch vollkommen sein, da die Signale, die vom System Z1 , A1 zum System Z2, A2 gelangen, gleich den Signalen, die von Z2, A2 nach Z1, A1 kommen, sind. Übrig bleiben alle die Signale, die zur Aufsprechseite wieder zurückreflektiert werden. Dieses Spiel wiederholt sich für alle weiteren Eeflexionen.

In den Fig. 2 bis 4- ist dieser Vorgang näher erläutert, u.zw. zeigen die Fig. 2 und 3 jene Impulsfolgen, die nach Anregung des Wellenleiters durch einen einzigen Impuls in Form elektrischer Schwingungen an den Ausgängen der beiden Abnahmesysteme A1, A2 auftreten, wobei die Fig.2 die Ausgangsspannung des Abnahmesystems A1 in Abhängigkeit von der Zeit und Fig.3 das Gleiche für das Abnahmesystem A2 darstellt.

Das erste Echo ist mit 1 bezeichnet, das zweite mit 2 usw. Es ist ersichtlich, daß diese Echos amplitudenmäßig sehr stark auftreten und zwischen sich nur wenig diffuse Anteile aufweisen. Mit fortschreitender Zeitdauer werden die reinen Echos immer kleiner (4,5,6 usw.), während sich zwischen ihnen die diffusen Anteile immer mehr anhäufen, ein Vorgang, der auch bei der natürlichen Fachhallbildung eintritt. Störend treten demgegenüber bei der künstlichen Nachhällerzeugung die wenig verformten, ersten Impulse 1,2,3 usw. auf, die beim natürlichen Nachhall kaum zu finden sind. Hier setzt nun die Erfindung ein, indem sie durch die völlig symmetrische Anordnung der Wandlersysteme und die entsprechende elektrische Schaltung die ersten Echos kompensiert, welches Ergebnis in Fig.4 in Form eines Impulsdiagrammes der Spannung am Eingang des Abnahmeverstärkers zu ersehen ist. Durch die elektrische Gegenschaltung der Abnahmesysteme heben sich die ersten Echoe 1,2,3 usw. auf, es verbleiben nur jene Restepannungsanteile, die

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völlig unregelmäßig, d.h. unsymmetrisch auftreten. Sie ergeben nach Umwandlung in Schallschwingungen jenes Klangbild, das auch dem natürlichen Nachhall eigen ist.

Eine selbstverständliche Voraussetzung zur Erzielung des angestrebten Effektes ist nicht nur die völlig symmetrische Anordnung der elektromechanischen Wandlersysteme, sondern auch ihre -Gleichheit bezüglich ihrer Wandlerfunktion, was sich aber unschwer realisieren läßt.

Wie bereits früher erwähnt, erreicht man eine Vereinfachung hinsichtlich der Anordnung der Systeme dadurch, daß man je ein Aufnahmesystem und Abnahmesystem zu einer mechanischen Einheit vereinigt, sie jedoch elektrisch und magnetisch voneinander unabhängig ausbildet. Eine solche Anordnung ist schematisch in Fig.5 dargestellt, in der die Systeme Z1A1 und Z2A2 jeweils zu einer mechanischen Einheit zusammengefaßt sind und an je einem Ende des eindimensionalen Wellenleiters W angeordnet sind.

In Pig.6 ist die Anwendung der Erfindung auf eine Nachhalleinrichtung dargestellt, die mit einer sogenannten Nachhallplatte P ausgerüstet ist, die zu Biegeschwingungen veranlaßt wird. Die Antriebssysteme Z1, Z2 liegen bei diesem Ausführungsbeispiel beiderseits der Symmetrieachse N im Abstand a auf der Symmetrieachse M. In gleicher Weise sind die Abnahmesysteme A1, A2 auf der Symmetrieachse N im Abstand b von der Symmetrieachse M angeordnet. Wird über die Antriebssysteme Z1, Z2 ein Impuls der Platte P mitgeteilt, so gerät sie in Biegeschwingungen, die sich ähnlich wie die Wellen auf einer Wasserfläche nach dem Einwurf eines Steines ausbreiten. Zumindest die ersten an die Abnahmesysteme A1, A2 gelangenden Impulse, die wesentlich dazu beitragen würden, das Klangbild des künstlich erzeugten Nachhalles zu verfälschen, erreichen im wesentlichen unverformt die Abnahmesysteme, wo sie sich gegenseitig aufheben.

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Zusammenfassend ist zu sagen, daß die größte Balligkeit dann erreicht wird, wenn die entsprechenden abgenommenen Signale unter der Voraussetzung gleicher Umwandlungsfunktionen der Wandler streng gegenphasig zusammengeschaltet werden. Verändert man den Grad der Kompensation, kann man verschiedene Effekte erreichen. So kann man beispielsweise die Kompensation vollständig abschaltbar machen, wodurch ohne diese der Eindruck erweckt wird, daß sich das Schallereignis im Vordergrund befindet und der Hall aus der Raumtiefe deutlich getrennt wahrnehmbar hervorkommt.

Mit zunehmender Kompensation rückt das Schallereignis immer mehr in die Tiefe des Raumes, bis letztlich nurmehr der optimal erreichbare Hall vorhanden ist. Man kann also quasi das Schallereignis durch Änderung des Kompensationsgrades, beispielsweise dadurch, daß die Spannung von den Abnahmesystemen mittels eines regelbaren Spannungsteilers an wenigstens einem System abgenommen wird, je nach Wunsch scheinbar im Räume wandern lassen.

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Claims (8)

1. Patentansprüche:

   Γ I 1). Einrichtung zur Erzeugung künstlichen Nachhalles mittels

   ein- oder mehrdimensionaler Wellenleiter, mit 2n Aufsprech- und 2m Abnahmesystemen gleicher Empfindlichkeit, wobei η und m ganze beliebige positive Zahlen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufsprech- und Abnahmesysteme sich auf einer der Symmetrieachsen des Wellenleiters befinden und bezüglich der anderen Symmetrieachsen dieses Wellenleiters symmetrisch angeordnet sind, wobei Aufsprech- und Abnahmesysteme entweder alle auf derselben oder auf verschiedenen Symmetrieachsen liegen und das zu verhallende Signal gleichphasig allen Aufsprechsystemen zugeführt wird und die Abnahmesysteme paarweise gegenphasig zusammengeschaltet werden, oder umgekehrt, das zu verhallende Signal paarweise gegenphasig den Aufsprechsystemen zugeführt wird und alle Abnahmesysteme gleichphasig zusammengeschaltet und die so gewonnenen verhallten Signale einem oder mehreren Abnahmeverstärkern zugeführt werden.
2. 2. Einrichtung nac-ii Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eindimensionale Wellenleiter, insbesondere Schraubenfeder, einen geschlossenen Kreis bildet und die 2n Aufsprechbzw. Abnahmesysteme zu einem frei wählbaren Bezugspunkt symmetrisch angeordnet sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Aufsprech- und je ein Abnahmesystem in an sich bekannter Weise zu einer mechanischen Einheit zusammengefaßt sind, in der jedes System elektrisch und magnetisch unabhängig vom anderen ist.
4. 4-. Einrichtung nach Anspruch 3 mit einem eindimensionalen Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß auch an den beiden Enden des Wellenleiters je eine Einheit mit einem Aufsprech- und Abnahmesystem angeordnet ist.

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5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Verwendung eines eindimensionalen Wellenleiters, insbesondere in Form einer Schraubenfeder, 2n Aufsprech- und 2m Abnahmesysteme vorgesehen sind, die bezüglich der Federmitte paarweise symmetrisch angeordnet sind.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines eindimensionalen Wellenleiters, z.B. einer Schraubenfeder, 2n je ein Aufsprech- und ein Abnahmesystem enthaltende Einheiten vorgesehen sind, die bezüglich der Federmitte symmetrisch angeordnet sind.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden des eindimensionalen Wellenleiters, beispielsweise einer Schraubenfeder, je eine Einheit, enthaltend ein Aufsprech- und ein Abnahmesystem, angeordnet ist.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch "I₅ dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines mehrdimensionalen Wellerteiters, insbesondere einer dünnen Platte, getrennte Aufsprech- und Abnahmesysteme vorgesehen sind, und diese auf den beiden Symmetrieachsen immer bezüglich der anderen Symmetrieachse symmetrisch angeordnet sind.

   9» Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines mehrdimensionalen Wellenleiters, insbesondere einer dünnen Platte, je ein Aufsprech- und ein Abnahmesystem enthaltende Einheiten vorgesehen sind, die auf den beiden Symmetrieachsen immer bezüglich der anderen Symmetrieachse symmetrisch angeordnet sind..

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