EP1175812B1 - Verfahren zur wiedergabe von audioschall mit ultraschall-lautsprechern - Google Patents

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EP1175812B1
EP1175812B1 EP00925256A EP00925256A EP1175812B1 EP 1175812 B1 EP1175812 B1 EP 1175812B1 EP 00925256 A EP00925256 A EP 00925256A EP 00925256 A EP00925256 A EP 00925256A EP 1175812 B1 EP1175812 B1 EP 1175812B1
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EP
European Patent Office
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ultrasound
signal
frequency
sound
ultrasonic
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EP00925256A
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Wolfgang Niehoff
Vladimir Gorelik
Oliver Gelhard
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Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Original Assignee
Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/02—Synthesis of acoustic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R27/00—Public address systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2217/00—Details of magnetostrictive, piezoelectric, or electrostrictive transducers covered by H04R15/00 or H04R17/00 but not provided for in any of their subgroups
    • H04R2217/03—Parametric transducers where sound is generated or captured by the acoustic demodulation of amplitude modulated ultrasonic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2499/00—Aspects covered by H04R or H04S not otherwise provided for in their subgroups
    • H04R2499/10—General applications
    • H04R2499/13—Acoustic transducers and sound field adaptation in vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for reproducing audio sound with Ultrasound speakers as well as a construction of the ultrasound speakers and their application.
  • DE-A-28 41 680 relates to a wireless transmission method for audio signals based on ultrasound. Audio signals are recorded using a reproduced ultrasound generating device. The thing to be played Audio signal is by a sideband amplitude modulation with a Carrier signal linked in the ultrasonic frequency range, the modulated Ultrasound signal is fed to an ultrasound transducer and the amplitude of the Ultrasound carrier signal is reduced.
  • the invention has for its object a method for reproducing Audio sound and an ultrasound speaker compared to the previous ones Approaches to improve, so that high quality sound reproduction is possible.
  • the object is achieved according to the invention with a method Claim 1 and an ultrasound speaker according to claim 2 solved.
  • the method according to the invention combines low-frequency audio sound with the strong directional characteristic of ultrasound.
  • the directional characteristic of the loudspeaker is therefore almost independent of the signal frequency.
  • the frequencies of these waves correspond to the sum and difference frequencies of the original waves and multiples thereof (n ⁇ ⁇ 1 ⁇ m ⁇ ⁇ 2 where ⁇ 1 and ⁇ 2 are frequencies of the initiated sound waves (tones) and n, m are integers).
  • the sum and difference frequencies occur in every frequency range. There are clear advantages over conventional loudspeakers in the ultrasound range in that a very strong directional characteristic of the transducers can be realized and which is outside the human hearing range.
  • the initiating signals - i.e. the ultrasonic waves - are inaudible.
  • a first tone with a frequency of 200 kHz and a second tone with a frequency of 201 kHz is emitted into the air at high sound pressure, so arise in the overlapping zone of the two tones sum and difference tones.
  • This difference tone is much louder than all other tones resulting from the interaction. Sum and difference tones only arise in a nonlinear medium such as air as distortion products.
  • the difference tones generated have the property that the spread of the Difference tones (secondary sound) in the direction of the ultrasound to be generated (initiating tones, primary sound). Furthermore, the difference tones are only in the range of the ultrasound is audible, i.e. the directional characteristic of the difference tones corresponds to that of ultrasound. Finally, the sound pressure of the differential tones increases with the frequency of ultrasound.
  • the still low-frequency audio signal to be reproduced becomes a Subject to frequency response linearization ( Figure 1, Figure 2).
  • This signal will then by a double sideband amplitude modulation with a carrier signal in Ultrasound frequency range linked. Then this ultrasound signal becomes one Dynamics (error compensation (compression)) subjected to the compressed signal subjected to a second frequency response linearization and this signal in turn fed to the ultrasound speaker.
  • the ultrasound carrier preferably by a few dB, for example 12dB, is suppressed ( Figure 2).
  • the ideal center frequency i.e. the mean between the ultrasound carrier frequency and the sideband frequency (range) of the emitted ultrasound signal results from the intended application.
  • the level of the audible sound pressure depends significantly the sound pressure of the ultrasound signal, the non-linearity parameter of the medium, the frequency of the resulting audio signal as well as the distance to the source and the Damping the medium.
  • the differential frequency wave DFW the audible sound build with increasing distance from the source. Due to the damping of the Ultrasonic wave in the air becomes the greatest sound pressure at a certain distance reached until the level increases again as the distance increases due to damping drops.
  • the attenuation of ultrasound in the air depends on the Ultrasound frequency. The higher the frequency, the higher the absorption of ultrasound in air.
  • an ideal frequency range from approx. 40kHz to 500kHz (or more) can be specified.
  • the frequency range is one hand chosen high enough to generate a DFW and one as effectively as possible to ensure sufficient frequency distance to audible sound, on the other hand but low enough that airborne damping does not have too much of an impact has the audio sound.
  • Another criterion is the directional characteristics of the Ultrasonic emitter. The higher the emitted frequency, the more directional it is the radiation.
  • the frequency shift of the low-frequency signal (speech, music, noises, Sounds) in the ultrasound range is done by amplitude modulation.
  • the carrier signal e.g. 200kHz and the lower sideband emitted via a converter and in the air superimposed.
  • the non-linear behavior of the air creates a signal whose Frequency corresponds to the difference between the carrier and sideband frequencies.
  • the sound pressure of the differential tones increases quadratic with the difference frequency of the emitted ultrasound tones.
  • the sound pressure of the differential frequencies results, among other things, from the product of the signals to be mixed.
  • the carrier When an amplitude-modulated signal is emitted, the carrier is emitted in full even in the case of a modulation pause, ie when there is no signal at the modulator.
  • the amplitude of the wearer means constant noise pollution for the ears and permanent electrical stress on the transducers.
  • the carrier is continuously emitted and has a greater amplitude than the sideband that is modulated in time with the low frequency.
  • a noise reduction can be achieved if the amplitude of the carrier is reduced, for example by a filter or already in the modulator by partial carrier suppression, and at the same time the amplitude of the upper sideband is increased. This reduces the continuous level and increases the relative carrier-related change in the level due to the modulation. In the event of carrier suppression, the lower sideband must be strongly suppressed to prevent mixing of the two sidebands with one another, which would cause severe distortion.
  • carrier reduction The measure described above can also be generally referred to as "carrier reduction”.
  • the carrier amplitude is modulated with the amplitude of the signal to be transmitted, in the event of a pause in modulation, no signal is emitted. Then is required an additionally controlled compressor stage that compensates for amplitude errors that occur result from the modulation of the carrier. To eliminate the above So a problem can be a modulation of the carrier amplitude in time with the modulating signal can be made.
  • a problem described above can be countered by a Compression of the signal to be modulated is achieved so that the signal in its dynamics is reduced and in particular the quiet signal passages in their volume can be raised. This makes the modulator optimal disqualify. After the modulation, the compression must be done by an expansion be balanced again to maintain the original dynamics. With the compression of the modulation signal described before the modulation could very good results are achieved.
  • Modulation breaks to control the converter with the carrier signal suppress (mute) so that the modulator output signal disappears if there is no input signal.
  • the amplitude-modulated low-frequency vibration is associated with high sound pressure radiated from a converter.
  • a difference frequency spectrum that corresponds to the spectrum of the low frequency.
  • single sideband modulation is particularly preferred Way suitable.
  • the carrier is in an ordinary double sideband amplitude modulation is partially suppressed, so is a suppression of the lower one Sideband indispensable because the mixture of the two sidebands with each other causes additional difference frequencies, which is in the form of a harmonic distortion undesirably noticeable.
  • the radiation of the modulated signal is like this narrow band, that the lower sideband is only reproduced very quietly.
  • the Mixing the side bands with each other is therefore sound pressure negligible. But that presupposes that the carrier is so loud that the mixture of carrier and sideband gives a much louder signal than the mixture of Sidebands with each other.
  • the modulation is therefore either as ordinary Double sideband amplitude modulation realized or as single sideband amplitude modulation, in which the carrier for further functional optimization for example 12dB is suppressed.
  • the Equalization can take place before the modulation in the low frequency range or after the Modulation in the ultrasound range. Equalization after modulation has the advantage that thereby the modulation reserve of the modulator when a Frequency range is not restricted.
  • the difference sound wave arises in the emitted ultrasound cone.
  • the cross section of the Kegels has an influence on the resulting audio frequency response.
  • the audible signal is created at the interface that is held into the sound beam.
  • the lower limit frequency depends on the cross-sectional area of the beam brought object.
  • the maximum of the sound pressure results at a certain distance from the Ultrasound source. It occurs in different audio frequencies Distances on.
  • a linear frequency response can therefore be for a specific one Set the distance only with a special distance-related equalization.
  • the Signal processing therefore has to be special for a linear frequency response include distance-dependent frequency response equalization.
  • the described analog amplitude modulation can also be implemented digitally.
  • Frequency response contours can also be used when using a Perform digital signal processor relatively easily.
  • the audio sound pressure can also be further increased by other measures become. Due to the increasing division of the wavefront in the course of Propagation, which is synonymous with the creation of harmonics. After a Energy balance does not stand for the energy that is in the harmonics Difference sound wave available. In a way, there is an energy flow from the Fundamental to the harmonics. If it succeeds in stopping this flow of energy, so the audio sound pressure could be increased. A realization suggests this as follows:
  • a sound-permeable medium contains small cavities, which together with the Material results from a variety of Helmholz resonators.
  • the resonators are on the tuned the first harmonic of the signal and thereby slow down the energy flow higher harmonics. If the cavities are filled with a non-linear medium, e.g. a liquid, this measure allows a higher value for the Achieve nonlinearity parameters, which increases the sound pressure of the differential tones would.
  • This technology makes it possible to build reflectors that passively pass through Increase the sound pressure of the differential tones.
  • the frequencies of these waves correspond to the sum and difference frequencies of the original waves and multiples thereof. (n * ⁇ 1 ⁇ m ⁇ 2 with ⁇ 1 , ⁇ 2 : frequencies of the initiated tones and n, m: gaäne numbers).
  • a tone with a frequency of 200 kHz and a second tone with a frequency of 201 kHz are used high sound pressure emitted into the air, so arise in the overlay zone both tones sum and difference tones.
  • Figure 1 and Figure 2 show block diagrams of an ultrasonic speaker, wherein Figure 2 shows an improved circuit compared to Figure 1.
  • the low-frequency audio signal becomes one Subjected to frequency response linearization and then double sideband amplitude modulation (and / or a frequency and / or phase modulation) subjected, the carrier frequency being in the ultrasound range. After that will possibly a dynamic compression or dynamic error compensation (depending on the signal). Then another one follows Frequency response linearization and that then output signal is the Ultrasound transducer supplied.
  • the circuit according to FIG. 2 differs from FIG. 1 essentially in that that instead of double sideband amplitude modulation, single sideband amplitude modulation is carried out, the carrier in the ultrasonic range about 12dB is suppressed.
  • the level of the audible sound pressure depends on Sound pressure of the ultrasound signal, the non-linearity parameter of the medium Frequency of the resulting audio signal as well as the distance to the source and the Damping the medium.
  • the differential frequency wave builds up with increasing Decency to the source. Due to the damping of the ultrasonic wave in the air the greatest sound pressure is reached at a certain distance until the level at distance increases due to damping.
  • the damping of the Ultrasound in the air depends on the frequency. The higher the frequency is, the higher the absorption of the sound in air.
  • an ideal frequency range from approx. 80 kHz to 180 kHz is specified can be.
  • the frequency range is chosen high enough to be as possible to effectively generate a DFW and a sufficient frequency separation from the to ensure audible sound, but low enough that the attenuation does not have too much of an impact on audio sound through the air.
  • Another criterion is the directional characteristic of the emitter. The higher the radiated frequency, the more The radiation is more directed.
  • a higher frequency makes sense for the close range, because the absorption of air is in the near range of negligible size, while the dimensions of the Depending on the application, transducers are so small that a stronger directivity is not achieved by shaping the converter, but only by increasing the Ultrasonic frequency can be realized.
  • the frequency shift of the low-frequency signal (speech, music, noises, Sounds) in the ultrasound range is done by an amplitude modulation. there creates a carrier signal and an upper and a lower sideband, which the contain modulated information.
  • the carrier signal e.g. 200kHz
  • the upper sideband radiated via a converter and superimposed in the air. Because of the nonlinear Behavior of the air creates a signal whose frequency is the difference from the Carrier and the sideband frequency corresponds. The higher the frequencies of the radiated tones with constant amplitude, the louder the resulting Difference tones.
  • the sound pressure of the differential tones increases quadratically with the Differential frequency of the emitted ultrasound tones.
  • the sound pressure of the differential frequencies results, among other things, from the product of the signals to be mixed.
  • the carrier When an amplitude-modulated signal is emitted, the carrier is emitted in full even in the case of a modulation pause, ie when there is no signal at the modulator.
  • the high amplitude of the wearer means constant noise pollution for the ears and permanent electrical stress on the transducers.
  • the carrier is continuously emitted and has a larger amplitude than the sideband, which is modulated in time with the low frequency. The following measures therefore make sense:
  • Noise reduction can be achieved if the amplitude of the carrier is reduced e.g. through a filter or already partially in the modulator Carrier suppression, while increasing the amplitude of the upper sideband becomes. This reduces the continuous level and the relative level on the wearer related change in level by modulation larger.
  • the lower sideband must be strongly suppressed in order to Prevent mixing of the two sidebands from each other, which is strong would cause distortion.
  • the carrier amplitude is modulated with the amplitude of the signal to be transmitted, so no signal is emitted in the event of a pause in modulation. Then one is required additional controlled compressor stage that compensates for amplitude errors that result from the modulation of the carrier.
  • the modulator output signal is hidden if none Input signal is present.
  • the amplitude-modulated low-frequency vibration is associated with high sound pressure radiated from a converter.
  • a difference frequency spectrum that corresponds to the spectrum of the low frequency.
  • single sideband modulation is optimal. If the carrier at of an ordinary double sideband AM is partially suppressed Suppression of the lower sideband is essential because of the mixture of the two Sidebands cause additional differential frequencies, which change in shape of distortion noticeable.
  • the modulation is therefore implemented either as a normal two-sideband AM or as a single sideband AM, in which the carrier is used for further function optimization about 12dB is suppressed.
  • the relationship between the electrical input signal of the piezoelectric Converter and the sound pressure level of the differential tones is non-linear. With a Compensation circuit can achieve linear transmission.
  • the Equalization can take place before the modulation in the low frequency range or after the Modulation in the ultrasound range. Equalization after modulation has the advantage that thereby the modulation reserve of the modulator when a Frequency range is not restricted.
  • the difference sound wave arises in the emitted ultrasound cone.
  • the cross section of the Kegels has an influence on the resulting audio frequency response.
  • the audible signal is created at the interface that is held into the sound beam.
  • the lower limit frequency depends on the cross-sectional area of the beam brought object.
  • the maximum of the sound pressure results at a certain distance from the Source. It occurs at different intervals for different audio frequencies.
  • a linear frequency response can therefore only for a certain distance set a special equalization equalization.
  • the signal processing must therefore have a special distance-dependent for a linear frequency response Frequency response equalization include.
  • the arrangement of the transducers plays a role here: are the transducers on a plate arranged as close as possible, the bass reproduction of the loudspeaker is quieter than in an arrangement in which the same number of transducers are attached in a ring is.
  • the described analog amplitude modulation can also be done digitally Multiplication of a sine wave (carrier) with a Low frequency signal, partial suppression of the carrier and suppression of the lower sideband are possible with a DSP module - Figure 3 -. Frequency response corrections can also be carried out relatively easily.
  • the level of audio sound pressure depends, among other things. from the nonlinearity parameter of the Medium.
  • a suitable medium between the ultrasound emitter and the receiver can be the sound pressure increase the audio signal.
  • the audio sound pressure can be increased by another measure. conditioned due to the increasing division of the wavefront as it spreads is synonymous with the creation of harmonics. After an energy balance the energy contained in the harmonics is not available for the differential sound wave Available. In a way, there is an energy flow from the fundamental to Harmonics. If it is possible to slow down this flow of energy, then that would be possible Increase audio sound pressure.
  • a sound-permeable medium contains small cavities, which together with the Material results in a large number of Heimholtz resonators.
  • the resonators are on the the first harmonics of the signal and thereby slow down the energy flow higher harmonics. If the cavities are filled with a non-linear medium, e.g. a liquid, this measure allows a higher value for the Achieve nonlinearity parameters, which increases the sound pressure of the differential tones has been.
  • This technology makes it possible to build reflectors that passively pass through Increase the sound pressure of the differential tones.
  • the process combines low-frequency audio with strong Polar pattern of ultrasound.
  • the directional characteristic of the speaker is almost independent of the signal frequency.
  • the filter is not required for narrowband converters because the transfer function of the Converter is already equivalent to that of a narrow-band filter.
  • the system must be tuned so that the carrier frequency is approximately at the -6dB point the filter edge comes to rest. Cutting the lower sideband causes a reduction in distortion.
  • Temperature-dependent drift of the filter flank of narrowband converters and Filtering must be compensated for by tracking the carrier frequency.
  • the carrier frequency is tracked as far as possible in signal pauses.
  • the filter is to be designed so that from the signal frequency of 1 kHz an attenuation of 3 dB / oct. he follows.
  • the transducer dimensions exceed approximately 1 ⁇ 4 of the lowest low-frequency wavelength to be emitted, so occur in the near field of the transducer increasing distortion due to differences in transit time of the signals.
  • the Dimensions of the transducer should therefore be smaller than the stated wavelength be dimensioned.
  • An even more directed radiation of the audio tape can be achieve as follows:
  • the sound pressure of the audio tape depends on the product of the sound pressure of the Carrier signal and the sideband. By increasing the sound pressure-either of the carrier or the sideband - the resulting increases Sound pressure in the audio frequency range.
  • the radiation of a broad Frequency range at high sound pressure poses certain difficulties.
  • a special, very narrow-band, sensitive and very directional converter generates the carrier signal, while the sideband with a broadband Converter / converter array is superimposed. Since the sound pressure from the Product of the two ultrasound sound pressures to be superimposed can be over the sound pressure of the wearer within wide limits the sound pressure of the audio wave adjust and at the same time the level of the Reduce the ultrasound carrier. The superposition of sound waves and generation of mixed products, however, takes place only in the area where both sound waves equally fill the room. Because of the very strong possible Directional characteristics of the carrier radiator also result from this for the audio wave a very pronounced directivity.
  • A is used to generate the audio signal from the modulated ultrasound signal certain distance required along which the wave is in the air demodulated. If the ultrasound has covered the required distance, then so causes a permeable for audio frequencies, but for ultrasound impermeable filter that the audio wave is clearly audible, the ultrasonic signal but is strongly dampened.
  • the filter has on the directional characteristic of the converter no significant impact.
  • the filter must be designed so that there are frequencies above the listening range heavily attenuated, while audio frequencies experience little attenuation. It is sensibly arranged at the end of the generation zone.
  • the modulator contains one Circuit that fulfills this function.
  • Moving the audio sound can also be done with a Running speed of the treadmill / escalator synchronized switching from ultrasound emitters located above the listener, which always only the areas of the room where the listener is moving.
  • the method is a combination of the "phased array” technique and the one above described “ultrasonic speakers”.
  • FIGS. 4a and 4b show the propagation of an audio sound wave that is generated by an ultrasound transducer.
  • virtual audio sound sources virtual loudspeakers
  • Small loudspeakers are mounted close to each other on a bar, all of which can emit audio sound as spherical emitters (FIG. 5) and which are controlled with the same audio signal with a time delay.
  • the sound coming from the first loudspeaker is amplified by the second, etc.
  • the large number of loudspeakers an infinite number of virtual sound sources arise in the ultrasound beam, which are switched on depending on the location with the duration of the sound, results in a very strong concentration of the audio sound.
  • the audio sound in the ultrasound beam according to the invention arises in Ultrasound beam itself.
  • the speaker becomes louder until the Ultrasound level has decreased so far that the non-linear effect of the air is not works more and therefore no more parts are added to the audio sound generation become.
  • the length of the active zone of audio sound generation in the ultrasound beam determines the lower limit frequency of the directional audio sound source. To have to there should be at least as many virtual sound sources as the active zone is several wavelengths long at the lower cutoff frequency. Therefore require Audio frequencies below 100 Hz large distances between the listener and the ultrasound emitter (and thus also high output powers). Use offers a solution psychoacoustic signal processing as described above.
  • the level and the lower Playback frequency of the audio signal are location-dependent.
  • the one to generate the Audio ultrasound levels which are in principle necessary, only have to be in the active zone of the ultrasound beam. Is the directional audio sound beam first generated, you can the ultrasound portion with an acoustic low-pass filter Eliminate (ultrasound absorber permeable to sound).
  • FIGS. 6a and 6b show typical application examples of the ultrasound emitter, which is arranged under a ceiling and which are modulated with audio signals Directs ultrasound rays to a wall, one of which is ultrasound absorbing Coating (ultrasound reflection coating) aligned so that ultrasound absorbs will have. The then reflected audio signals are free from ultrasound and can be transmitted from the People are heard in front of the wall.
  • Coating ultrasound reflection coating
  • Ultrasonic film transducers are also particularly suitable of a capacitor (electret) converter a foil and one accordingly (with grooves or holes) formed counter electrode.
  • the embodiment variant is also advantageous, in which a Distance measuring device to an ultrasonic measuring device is determined where there is a listener to be sonicated. If this is in a critical area Ultrasound beam, which could be harmful to health, will Ultrasound playback is switched off so that the respective person (or the animal) is not exposed to high ultrasound levels. If the ultrasound is on you certain area should be directed and if this area is still moved (this is the case, for example, with a single listener who is on a Stage should be moved and sonicated) so it is advantageous if one Device is designed by means of which the listener to be sounded is currently localized can be, so that the sound is then preferably only on the localized Area.
  • the sonic listener carries a transmitter with navigation (e.g. GPS) and thus constantly its own navigation data to a receiving device which in turn sends to control the pivoting of the ultrasound beam is used.
  • the listener to be sounded could also use a so-called TAG identifier, its exact position from a corresponding one Interogator (query unit for the TAG) is determined, with which then in turn the pivoting of the ultrasound beams is controlled.
  • TAG identifier so-called TAG identifier, its exact position from a corresponding one Interogator (query unit for the TAG) is determined, with which then in turn the pivoting of the ultrasound beams is controlled.
  • Such applications are particularly advantageous in a theater (for the prompter) or also in the television studio at a TV show, when it’s over the stage moving moderator should receive instructions that are not for the rest of the audience should be audible.
  • the panning of the ultrasound beam can be done with that in this application Descriptive different techniques take place, that is, by pivoting the Ultrasound emitter or through a swiveling reflector or through the So-called "phased array” control, the ultrasound beams is determined electronically.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiedergabe von Audioschall mit Ultraschall-Lautsprechern sowie eine Konstruktion der Ultraschall-Lautsprecher und ihrer Anwendung.
DE-A-28 41 680 betrifft ein drahtloses Übertragungsverfahren für Tonsignale auf der Basis von Ultraschall. Audiosignale werden mittels einer ultraschallerzeugenden Einrichtung wiedergegeben. Das wiederzugebende Audiosignal wird durch eine Seitenband-Amplitudenmodulation mit einem Trägersignal im Ultraschallfrequenzbereich verknüpft, das modulierte Ultraschallsignal wird einem Ultraschallwandler zugeführt und die Amplitude des Ultraschallträgersignals wird reduziert.
Aus J. Acoust. Soc. Am., Vol. 73, No. 5, Mai 1983 "The audio spotlight: An application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of loudspeaker design" ist bereits bekannt, einen Lautsprecher aus mehreren Ultraschallstrahlern aufzubauen. Mittels solcher Ultraschallstrahler kann Audioschall in einem Frequenzbereich abgestrahlt werden, indem der Audioschall selbst nicht mehr vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden kann. Durch nichtlineare Effekte in der Luft wird bei hohem Schalldruck und Überlagerung zweier Ultraschallwellen ein hörbarer Schall erzeugt. Die im Vergleich zu üblichen Audiosignalen hoher Frequenz des Ultraschalls bewirkt, daß die Abstrahlung des Schalls wegen seiner kleinen Wellenlänge und der im Vergleich dazu großen Wandlerabmessungen des Ultraschallstrahlers stark räumlich gerichtet erfolgt. Die Frequenzabhängigkeit der Richtcharakteristik herkömmlicher Lautsprecher - Kugelstrahler bei tiefen Frequenzen, Richtstrahler bei hohen Frequenzen - tritt bei einem Ultraschall-Lautsprecher kaum auf.
Ferner ist ein verschiebener Effekt im Konferenzband AES, 26.-29. September 1998, San Francisco, Californien, "The Use of Airbome Ultrasonics for Generating Audible Sound Beams" beschrieben. Auch hieraus sind Überlegungen zur Erzeugung eines hörbaren Schalls basierend auf der Abstrahlung des Audioschalls mittels Ultraschall bekannt.
Ferner ist das Phänomen der Erzeugung von Schallwellen mittels Ultraschallstrahlern auch aus der Zeitschrift Audio, Heft 8, 1997, Seiten 7-8, bekannt. Hierbei wird beschrieben, daß mittels eines Lautsprechersystems ein erstes Signal von 200 kHz abgestrahlt wird und das Lautsprechersystem ein zweites Signal mit derselben Frequenz von 200 kHz abstrahlt, wobei das zweite Signal mit dem Audioschallsignal (20 Hz bis 20 kHz) moduliert ist. Durch das nichtlineare Verhalten der Luft wird bei der Überlagerung der beiden Signale ein Mischergebnis erzeugt, so daß die Differenz beider Signale voneinander als akustischer Schall hörbar ist.
Als weiterer Stand der Technik sei auf Druckschriften US-A-4,872,148, US-A-4,439,642, US-A-4,439,641, US-A-4,409,441, US-A-4,280,204, US-A-4,199,246, WO-A-85/02748, EP-A-0 164 342, EP-A-0 154 256, CA 1 274 619, CA 1 215 164, CA 1 195 420, CA 1 120 578, AU-A-28287/77, AU-A-510193, WO98/39209, WO98/02976, WO98/02977, WO98/02978, WO98/26405, GB-A-2 225 426, DE-A-27 39 748, US-A-5,375,099, CA 1 274 619, DE-A-196 28 849, US-1,616,639, US-A-1,951,669, US-A-2,461,344, US-A-3,398,810 hingewiesen. Weitere Merkmale der Ultraschall-Lautsprecher sind in den vorgenannten Literaturstellen beschrieben.
Obwohl es verschiedene Ansätze für Ultraschall-Lautsprecher gegeben hat, hat sich ein solches Produkt bislang am Markt nicht etablieren können. Dies hängt auch damit zusammen, daß trotz der besonderen Eigenschaften von Ultraschall-Lautsprechem einige Probleme auftauchen, die zum Teil mit dem Wesen der Ultraschallausbreitung zusammenhängen, andererseits aber auch mit dem Ultraschallstrahler selbst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wiedergabe von Audioschall sowie einen Ultraschall-Lautsprecher gegenüber den bisherigen Ansätzen zu verbessern, so daß eine qualitativ hochwertige Schallwiedergabe möglich ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einem Ultraschall-Lautsprecher nach Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen und in der nachstehenden Beschreibung beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet niederfrequenten Audioschall mit der starken Richtcharakteristik des Ultraschalls. Die Richtcharakteristik des Lautsprechers ist damit nahezu unabhängig von der Signalfrequenz. Zum Verständnis der Erfindung und ihres Wesens sei auf folgendes hingewiesen: Mathematisch kann mit Formeln der nichtlinearen Akustik gezeigt werden, daß bei hohem Schalldruckpegel (p > 110 dB bei 40 kHz) infolge der Nichtlinearität des Mediums Luft neue Wellen entstehen, wenn mehrere Wellen in Wechselwirkung zueinander stehen. Die Frequenzen dieser Wellen entsprechen der Summen- und der Differenzfrequenz der ursprünglichen Wellen sowie Vielfachen davon (n · ω1 ± m · ω2 wobei ω1 und ω2 Frequenzen der initiierten Schallwellen (Töne) und n, m ganze Zahlen sind). Die Summen- und Differenzfrequenzen treten in jedem Frequenzbereich auf. Deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lautsprechern ergeben sich im Ultraschallbereich, indem eine sehr starke Richtcharakteristik der Wandler realisiert werden kann und die außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegt. Die initiierenden Signale - also die Ultraschallwellen - sind dabei unhörbar.
Wenn z.B. ein erster Ton mit einer Frequenz von 200 kHz und ein zweiter Ton mit einer Frequenz von 201 kHz beim hohen Schalldruck in die Luft abgestrahlt wird, so entstehen in der Überlagerungszone der beiden Töne Summen- und Differenztöne. Der erste Summenton (f=200kHz+201kHz=401kHz) ist nicht hörbar. Zur Erzeugung von hörbarem Schall wird der erste Differenzton (f=200kHz-201kHz=1kHz) ausgenutzt (Figur 4). Dieser Differenzton ist viel lauter als alle anderen bei der Wechselwirkung entstehenden Töne. Summen- und Differenztöne entstehen erst in einem nichtlinearen Medium wie Luft als Verzerrungsprodukte.
Die erzeugten Differenztöne haben hierbei die Eigenschaft, daß die Ausbreitung der Differenztöne (Sekundärschall) in Richtung des zu erzeugenden Ultraschalls (initiierende Töne, Primärschall) erfolgt. Ferner sind die Differenztöne nur im Bereich des Ultraschalls hörbar, d.h., die Richtcharakterstik der Differenztöne entspricht der des Ultraschalls. Schließlich steigt der Schalldruck der Differenztöne mit der Frequenz des Ultraschalls an.
Bei der technischen Realisierung eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Lautsprechers, wird zunächst einmal das wiederzugebende noch niederfrequente Audiosignal einer Frequenzganglinearisierung unterworfen (Figur 1, Figur 2). Dieses Signal wird dann durch eine Zweiseitenband-Amplitudenmodulation mit einem Trägersignal im Ultraschallfrequenzbereich verknüpft. Anschließend wird dieses Ultraschallsignal einer Dynamik (-Fehler-Kompensation (Kompression)) unterworfen, das komprimierte Signal einer zweiten Frequenzganglinearlisierung unterzogen und dieses Signal wiederum dem Ultraschall-Lautsprecher zugeführt.
Alternativ zu der vorbeschriebenen Bildung des Ultraschallsignals kann statt der Zweiseitenband-Amplitudenmodulation eine Einseitenband-Amplitudenmodulation vorgesehen werden, wobei der Ultraschallträger vorzugsweise um einige dB, beispielsweise 12dB, unterdrückt wird (Figur 2).
Die ideale Mittenfrequenz, d.h. der Mittelwert zwischen der Ultraschallträgerfrequenz und der Seitenbandfrequenz(-Bereich) des abgestrahlten Ultraschallsignals ergibt sich aus der beabsichtigten Anwendung. Es können hierbei maßgeblich zwei Gruppen angegeben werden: A. Anwendung im Nahbereich bis ca. 50cm; B. Anwendung im Abstand von mehr als 50cm bis zur Fembeschallung.
Aus dieser Bereichsunterteilung lassen sich unterschiedliche Anforderungen an die Mittenfrequenz ableiten. Die Höhe des hörbaren Schalldrucks hängt maßgeblich ab vom Schalldruck des Ultraschallsignals, dem Nichtlinearitätsparameter des Mediums, der Frequenz des entstehenden Audiosignals sowie vom Abstand zur Quelle und der Dämpfung des Mediums. Die Differenzfrequenzwelle DFW - also der hörbare Schallbaut sich mit zunehmendem Abstand zur Quelle auf. Bedingt durch die Dämpfung der Ultraschallwelle in der Luft wird in einer bestimmten Entfernung der größte Schalldruck erreicht, bis der Pegel bei größer werdender Entfernung infolge Dämpfung wieder abfällt. Die Dämpfung des Ultraschalls in der Luft hängt wiederum von der Ultraschallfrequenz ab. Je höher die Frequenz ist, desto höher ist auch die Absorption des Ultraschalls in Luft.
Für praktische Anwendungen bedeutet dies, daß für Anwendungen im Abstand von größer als 50cm bis einige Meter ein idealer Frequenzbereich von ca. 40kHz bis 500kHz (oder mehr) angegeben werden kann. Der Frequenzbereich ist einerseits hoch genug gewählt, um möglichst effektiv eine DFW zu erzeugen und einen ausreichenden Frequenzabstand zum hörbaren Schall zu gewährleisten, andererseits aber niedrig genug, daß die Dämpfung durch die Luft keinen zu großen Einfluß auf den Audioschall hat. Ein weiteres Kriterium ist die Richtcharakterstik des Ultraschallstrahlers. Je höher die abgestrahlte Frequenz ist, desto gerichteter erfolgt die Abstrahlung.
Für den Nahbereich (kleiner als 50cm) ist eine höhere Frequenz sinnvoll, denn die Absorption der Luft ist im Nahbereich von vemachlässigbarer Größe, während die Dimensionen des Ultraschallwandlers je nach Anwendung so klein sind, daß eine stärkere Richtwirkung nicht durch die Formgebung des Wandlers erreicht, sondern nur durch Erhöhung der Ultraschallfrequenz realisiert werden kann.
Die Frequenzverschiebung des Niederfrequenzsignals (Sprache, Musik, Geräusche, Klänge) in dem Ultraschallbereich erfolgt durch eine Amplitudenmodulation. Dabei entsteht ein Trägersignal sowie ein oberes und ein unteres Seitenband, die die modulierte Information enthalten. Bei hohem Schalldruck wird das Trägersignal, z.B. 200kHz und das untere Seitenband über einen Wandler abgestrahlt und in der Luft überlagert. Durch das nichtlineare Verhalten der Luft entsteht dabei ein Signal, dessen Frequenz der Differenz aus der Träger- und Seitenbandfrequenz entspricht. Je höher die Frequenzen der abgestrahlten Töne bei konstanter Amplitude sind, desto lauter sind die entstehenden Differenztöne. Der Schalldruck der Differenztöne steigt quadratisch mit der Differenzfrequenz der abgestrahlten Ultraschalltöne. Durch eine hohe Ultraschallfrequenz läßt sich die erzielbare Richtwirkung maximieren und der Frequenzabstand des abgestrahlten Ultraschalls zum menschlichen Hörberereich vergrößern.
Der Schalldruck der Differenzfrequenzen ergibt sich u.a. aus dem Produkt der zu mischenden Signale. Bei der Abstrahlung eines amplitudenmodulierten Signals erfolgt auch im Fall einer Modulationspause, d.h. wenn kein Signal am Modulator anliegt, die Abstrahlung des Trägers in voller Höhe. Die Amplitude des Trägers bedeutet eine ständige Geräuschbelastung für die Ohren und eine permanente elektrische Belastung der Wandler. Bei einer gewöhnlichen Amplitudenmodulation beträgt die Amplitude eines Seitenbandes mxAT/2 (mit m=Modulationsindex und AT=Trägeramplitude). Der Träger wird ständig abgestrahlt und hat eine größere Amplitude als das Seitenband, daß im Takt der Niederfrequenz moduliert ist. Diese vorgenannten Probleme können mit den folgenden beschriebenen Maßnahmen sinnvoll beseitigt werden. Eine Geräuschreduktion läßt sich erreichen, wenn die Amplitude des Trägers reduziert wird, z.B. durch einen Filter oder bereits im Modulator durch eine teilweise Trägerunterdrückung, und gleichzeitig die Amplitude des oberen Seitenbandes erhöht wird. Dadurch wird der Dauerpegel reduziert und die relative, auf den Träger bezogene Änderung des Pegels durch die Modulation größer. Für den Fall einer Trägerunterdrückung muß das untere Seitenband stark unterdrückt werden, um eine Mischung der beiden Seitenbänder untereinander zu verhindern, welche starke Verzerrungen hervorrufen würde. Die vorbeschriebene Maßnahme kann auch allgemein als "Trägerreduktion" bezeichnet werden.
Wird die Trägeramplitude mit der Amplitude des zu übertragenden Signals moduliert, so wird im Fall einer Modulationspause kein Signal abgestrahlt. Erforderlich ist dann eine zusätzlich gesteuerte Kompressorstufe, die Amplitudenfehler ausgleicht, die sich aus der Modulation des Trägers ergeben. Zur Beseitigung des oben beschriebenen Problems kann also eine Modulation der Trägeramplitude im Takt des zu modulierenden Signals vorgenommen werden.
Ferner kann einem oben beschriebenen Problem begegnet werden, indem eine Komprimierung des zu modulierenden Signals erreicht wird, so daß das Signal in seiner Dynamik verringert wird und damit insbesondere die leisen Signalpassagen in ihrer Lautstärke angehoben werden. Dadurch läßt sich der Modulator optimal aussteuern. Nach der Modulation muß die Komprimierung durch eine Expandierung wieder ausgeglichen werden, um die Originaldynamik zu erhalten. Mit der beschriebenen Komprimierung des Modulationssignals vor der Modulation konnten sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Eine weitere Maßnahme zur Beseitigung des obigen Problems besteht darin, in Modulationspausen eine Ansteuerung der Wandler mit dem Trägersignal zu unterdrücken (Stummschaltung), so daß das Modulator-Ausgangssignal ausgeblendet wird, wenn kein Eingangssignal anliegt.
Die amplitudenmodulierte Niederfrequenzschwingung wird bei hohem Schalldruck mit einem Wandler abgestrahlt. In der Luft entsteht durch die Wechselwirkung zwischen der Trägerschwingung und dem modulierten Seitenband ein Differenzfrequenz-Spektrum, das dem Spektrum der Niederfrequenz entspricht. Um einen niedrigen Klirrfaktor zu erzielen, ist eine Einseitenbandmodulation in besonders bevorzugter Weise geeignet. Wird der Träger in einer gewöhnlichen Zweiseitenband-Amplitudenmodulation teilweise unterdrückt, so ist eine Unterdrückung des unteren Seitenbandes unerläßlich, weil die Mischung der beiden Seitenbänder untereinander zusätzliche Differenzfrequenzen bewirkt, die sich in Form eines Klirrfaktors unerwünscht bemerkbar machen.
Mit piezoelektrischen Wandlern ist die Abstrahlung des modulierten Signals jedoch so schmalbandig, daß das untere Seitenband nur sehr leise wiedergegeben wird. Die Mischung der Seitenbänder untereinander ist dadurch schalldruckmäßig vemachlässigbar. Das setzt aber voraus, daß der Träger so laut ist, daß die Mischung von Träger und Seitenband ein viel lauteres Signal ergibt als die Mischung der Seitenbänder untereinander. Die Modulation wird demnach entweder als gewöhnliche Zweiseitenband-Amplitudenmodulation realisiert oder als Einseitenband-Amplitudenmodulation, bei der der Träger zur weiteren Funktionsoptimierung um beispielsweise 12dB unterdrückt wird.
Der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Eingangssignal der piezoelektrischen Wander und dem Schalldruckpegel der Differenztöne ist nicht linear. Mit einer Kompensationsschaltung läßt sich hierbei eine lineare Übertragung erzielen (Dynamikkompression).
Mit einer Frequenzganglinearisierung, die insbesondere bei piezoelektrischen Wandlern mit stark nichtlinearem Frequenzgang erforderlich ist, werden frequenzabhängige Amplitudenfehler des Übertragungssystems ausgeglichen. Die Entzerrung kann vor der Modulation im Niederfrequenzbereich erfolgen oder nach der Modulation im Ultraschallbereich. Die Entzerrung nach der Modulation hat den Vorteil, daß dadurch die Aussteuerungsreserve des Modulators bei einer Anhebung eines Frequenzbereiches nicht eingeschränkt wird.
Im abgestrahlten Ultraschallkegel entsteht die Differenztonwelle. Der Querschnitt des Kegels hat dabei einen Einfluß auf den resultierenden Audio-Frequenzgang. An einer Grenzfläche, die in den Schallstrahl hineingehalten wird, entsteht das hörbare Signal. Die untere Grenzfrequenz hängt dabei von der Querschnittsfläche des in den Strahl gebrachten Gegenstandes ab. Um für einen Reflektor an einer Wand einen linearen Frequenzgang zu erzielen, ist eine auf die Fläche des Reflektors abgestimmte Entzerrung notwendig (flächenbezogene Entzerrung).
Das Maximum des Schalldrucks ergibt sich in einer bestimmten Entfernung von der Ultraschallquelle. Es tritt für verschiedene Audiofrequenzen in unterschiedlichen Abständen auf. Ein linearer Frequenzgang kann sich deshalb für eine bestimmte Entfernung nur durch eine spezielle entfemungsbezogene Entzerrung einstellen. Die Signalverarbeitung muß deshalb für einen linearen Frequenzgang eine spezielle entfernungsabhängige Frequenzgangsentzerrung beinhalten.
Um einen hohen Ultraschall-Pegel zu erzeugen, wird eine größere Anzahl von Wandlern parallelgeschaltet. Es konnte hierbei herausgefunden werden, daß die Anordnung der Wandler eine große Rolle spielt. So sind Wandler auf einer Platte dichtestmöglich angeordnet, so daß die Tiefenwiedergabe des Lautsprechers leiser als bei einer Anordnung ist, bei der die gleiche Anzahl von Wandlern ringförmig angebracht ist.
Die beschriebene analoge Amplitudenmodulation läßt sich auch digital realisieren. Hierbei ist die Multiplikation einer Sinusschwingung (Träger) mit einem Niederfrequenzsignal, teilweise Unterdrückung des Trägers sowie die Unterdrückung des unteren Seitenbandes mit einem digitalen Signalprozessor-Baustein möglich. Frequenzgangkonturen lassen sich ebenfalls beim Einsatz eines Digitalsignalprozessors relativ leicht durchführen.
Die Höhe des Audioschalldrucks hängt unter anderem aber auch vom Nichtlinearitätsparameter des akustisch durchlässigen Mediums ab. Für Luft beträgt der Parameter _=1,2. Für das Medium Wasser beträgt _=3,5. Es konnte nun gefunden werden, daß bei einem Wasserluftblasengemisch ein Extremwert von _ von über 5000 angegeben werden kann, was bedeutet, daß gegenüber dem Medium Luft mit einem Wasser/Luftgemisch der Schalldruck um den Faktor 4000 erhöht werden kann. Auf diese Art ist es möglich, beispielsweise ein Wasser/Luftgemisch in einer Kopfhörermuschel zu realisieren, so daß das Wasser/Luftgemischmedium zwischen dem Ultraschallstrahler und dem Hörer angeordnet ist und den Schalldruck des Audiosignals erhöht.
Der Audioschalldruck kann auch durch andere Maßnahmen noch weiter vergrößert werden. Bedingt durch die zunehmende Aufsteilung der Wellenfront im Zuge der Ausbreitung, was gleichbedeutend ist mit der Entstehung von Oberwellen. Nach einer Energiebilanz steht die Energie, die in den Oberwellen steckt, nicht für die Differenztonwelle zur Verfügung. Es erfolgt gewissermaßen ein Energiefluß von der Grundwelle zu den Oberwellen. Wenn es gelingt, diesen Energiefluß zu bremsen, so ließe sich der Audioschalldruck vergrößern. Ein Realisierungsvorschlag hierfür sieht wie folgt aus:
Ein schalldurchlässiges Medium enthält kleine Hohlräume, welche zusammen mit dem Material eine Vielzahl von Helmholz-Resonatoren ergibt. Die Resonatoren sind auf der ersten Oberwelle des Signals abgestimmt und bremsen dadurch den Energiefluß zu höheren Oberwellen. Füllt man die Hohlräume mit einem nichtlinearen Medium, z.B. einer Flüssigkeit, so läßt sich durch diese Maßnahme ein höherer Wert für die Nichtlinearitätsparameter erzielen, wodurch der Schalldruck der Differenztöne erhöht würde.
Durch diese Technologie lassen sich Reflektoren bauen, die auf passive Weise den Schalldruck der Differenztöne verstärken.
Für einen in die Kopfstütze eines Autos eingebauten Ultraschall-Lautsprecher läßt sich durch die beschriebene "Dämpfungsplatte" ein höherer Audioschall bei gleichzeitig reduziertem Ultraschall erreichen. Für kabellose Kopfhörer wäre es denkbar, unhörbaren Ultraschall drahtlos zu übertragen und über den oben beschriebenen Absorber die Differenztöne auf einen ausreichenden Pegel zu bringen.
Mathematisch kann mit Formeln der nichlinearen Akustik gezeigt werden, daß bei hohem Schalldruckpegel (p>110dB bei 40kHz) infolge der Nichlinearität des Mediums Luft neue Wellen entstehen, wenn mehrere Wellen in Wechselrichtung zueinander stehen.
Die Frequenzen dieser Wellen entsprechen der Summen- und der Differenzfrequenz der ursprünglichen Wellen sowie Vielfachen davon.
(n * ω1 ± m ω2 mit ω1, ω2: Frequenzen der initiieren Töne und n, m: gaäne Zahlen).
Die Summen- und Differenzfrequenzen treten in jedem Frequenzbereich auf. Deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lautsprechern ergeben sich im Ultraschallbereich, in dem eine sehr starke Richtcharakteristik der Wandler realisiert werden kann und der außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegt; die initiierenden Signale sind dabei unhörbar.
Beispiel:
Wird ein Ton der Frequenz 200kHz und ein zweiter Ton der Frequenz 201 kHz bei hohem Schalldruck in die Luft abgestrahlt, so entstehen in der Überlagerungszone der beiden Töne Summen- und Differenztöne. Der erste Summenton (f=200kHz+201kHz=401kHz) ist nicht hörbar. Zur Erzeugung von hörbarem Schall wird der erste Differenzton (f=200kHz-201kHz=1kHz) ausgenutzt. Er ist außerdem viel lauter als alle anderen bei der Wechselwirkung entstehenden Töne. Erst in einem nichtlinearen Medium wie Luft entstehen Verzerrungsprodukte, die Summen- und Differenztöne ergeben.
Eigenschaften der erzeugten Differenztöne
  • Die Ausbreitung des Sekundärschalls (der Differenztöne) erfolgt in Richtung des Primärschalls (der initiierenden Töne),
  • Der Sekundärschall ist nur im Bereich des Primärschalls hörbar, das heißt, die Richtcharakteristik des Sekundärschalls entspricht der des Primärschalls,
  • Der Schalldruck der Differenztöne steigt mit der Frequenz der initiierenden Töne.
Technische Realisierung (Beispielhafte Ausführung der Erfindung):
Figur 1 und Figur 2 zeigen Blockschaltbilder eines Ultraschall-Lautsprechers, wobei Figur 2 eine verbesserte Schaltung gegenüber Figur 1 darstellt.
Wie in Figur 1 zu sehen, wird zunächst einmal das niederfrequente Audiosignal einer Frequenzganglinearisierung unterzogen und dann einer Zweiseitenband-Amplitudenmodulation (und/oder einer Frequenz- und/oder Phasenmodulation) unterzogen, wobei die Trägerfrequenz im Ultraschallbereich liegt. Hiernach wird gegebenenfalls eine Dynamikkompression bzw. Dynamik-Fehler-Kompensation (signalabhängig) durchgeführt. Anschließend erfolgt nochmals eine weitere Frequenzganglinearisierung und daß dann ausgegebene Signal wird dem Ultraschallwandler zugeführt.
Die Schaltung nach Figur 2 unterscheidet sich von Figur 1 im wesentlichen dadurch, daß statt der Zweiseitenband-Amplitudenmodulation eine Einseitenband-Amplitudenmodulation durchgeführt wird, wobei der Träger im Ultraschallbereich um ca. 12dB unterdrückt wird.
Die ideale Mittenfrequenz, d.h. der Mittelwert zwischen Trägerfrequenz und Seitenbandfrequenz (-bereich) des abgestrahlten Ultraschallsignals ergibt sich aus der beabsichtigten Anwendung. Es können zwei Gruppen angegeben werden:
  • 1. Anwendungen im Nahbereich bis ca. 50cm
  • 2. Anwendungen im Abstand > 50cm und Fembeschallung
    • Aus dieser Bereichsunterteilung lassen sich unterschiedliche Anforderungen an die Mittenfrequenz ableiten. Die Höhe des hörbaren Schalldrucks hängt ab vom Schalldruck des Ultraschallsignals, dem Nichlinearitätsparameter des Mediums, der Frequenz des entstehenden Audiosignals sowie vom Abstand zur Quelle und der Dämpfung des Mediums. Die Differenzfrequenzwelle baut sich mit zunehmendem Anstand zur Quelle auf. Bedingt durch die Dämpfung der Ultraschallwelle in der Luft wird in einer bestimmten Entfernung der größte Schalldruck erreicht, bis der Pegel bei größer werdender Entfernung infolge Dämpfung wieder abfällt. Die Dämpfung des Ultraschalls in der Luft hängt wiederum von der Frequenz ab. Je höher die Frequenz ist, desto höher ist auch die Absorption des Schalls in Luft.
    Für praktische Anwendungen bedeutet dies, daß für Applikationen im Abstand >50cm bis einige Meter ein idealer Frequenzbereich von ca. 80kHz bis 180kHz angegeben werden kann. Der Frequenzbereich ist einerseits hoch genug gewählt, um möglichst effektiv eine DFW zu erzeugen und einen ausreichenden Frequenzabstand zum hörbaren Schall zu gewährleisten, andererseits aber niedrig genug, daß die Dämpfung durch die Luft keinen zu großen Einfluß auf den Audioschall hat. Ein weiteres Kriterium ist die Richtcharakteristik des Strahlers. Je höher die abgestrahlte Frequenz ist, desto gerichteter erfolgt die Abstrahlung.
    Für den Nahbereich ist eine höhere Frequenz sinnvoll, denn die Absorption der Luft ist im Nahbereich von vemachlässigbarer Größe, während die Dimensionen des Wandlers je nach Anwendung so klein sind, daß eine stärkere Richtwirkung nicht durch die Formgebung des Wandlers erreicht, sondern nur durch Erhöhen der Ultraschallfrequenz realisiert werden kann.
    Frequenzverschiebung des Niederfrequenzsignals
    Die Frequenzverschiebung des Niederfrequenzsignals (Sprache, Musik, Geräusche, Klänge) in den Ultraschallbereich erfolgt durch eine Amplitudenmodulation. Dabei entsteht ein Trägersignal sowie ein oberes und ein unteres Seitenband, die die modulierte Information enthalten.
    Bei hohem Schalldruck wird das Trägersignal, z.B. 200kHz, und das obere Seitenband über einen Wandler abgestrahlt und in der Luft überlagert. Durch das nichtlineare Verhalten der Luft entsteht dabei ein Signal, dessen Frequenz der Differenz aus der Träger- und der Seitenbandfrequenz entspricht. Je höher die Frequenzen der abgestrahlten Töne bei konstanter Amplitude sind, desto lauter sind die entstehenden Differenztöne. Der Schalldruck der Differenztöne steigt quadratisch mit der Differenzfrequenz der abgestrahlten Ultraschalltöne. Durch eine hohe Ultraschallfrequenz läßt sich die erzielbare Richtwirkung maximieren und der Frequenzabstand des abgestrahten Ultraschalls zum menschlichen Hörbereich vergrößern.
    Unzulänglichkeit bei der Amplitudenmodulation: permanente Trägeramplitude
    Der Schalldruck der Differenzfrequenzen ergibt sich u.a. aus dem Produkt der zu mischenden Signale. Bei der Abstrahlung eines amplitudenmodulierten Signals erfolgt auch im Fall einer Modulationspause, d.h. wenn kein Signal am Modulator anliegt, die Abstrahlung des Trägers in voller Höhe. Die hohe Amplitude des Trägers bedeutet eine ständige Geräuschbelastung für die Ohren und eine permanente elektrische Belastung der Wandler. Bei einer gewöhnlichen Amplitudenmodulation beträgt die Amplitude eines Seitenbandes m * AT / 2 (mit m=Modulationsindex und AT:Trägeramplitude). Der Träger wird ständig abgestrahlt und hat eine größere Amplitude als das Seitenband, das im Takt der Niederfrequenz moduliert ist. Daher sind folgende Maßnahmen sinnvoll:
    Trägerreduktion
    Eine Geräuschreduktion läßt sich erreichen, wenn die Amplitude des Trägers reduziert wird, z.B. durch ein Filter oder bereits im Modulator durch eine teilweise Trägerunterdrückung, und gleichzeitig die Amplitude des oberen Seitenbandes erhöht wird. Dadurch wird der Dauerpegel reduziert und die relative, auf den Träger bezogene Änderung des Pegels druch die Modulation größer. Für den Fall einer Trägerunterdrückung muß das untere Seitenband stark unterdrückt werden, um eine Mischung der beiden Seitenbänder untereinander zu verhindern, welche starke Verzerrungen hervorrufen würde.
    Modulation der Trägeramplitude im Takt des zu modulierenden Signals
    Wird die Trägeramplitude mit der Amplitude des zu übertragenen Signals moduliert, so wird im Fall einer Modulationspause kein Signal abgestrahlt. Erforderlich ist dann eine zusätzliche gesteuerte Kompressorstufe, die Amplitudenfehler ausgleicht, die sich aus der Modulation des Trägers ergeben.
    Komprimierung des Modulationssignals vor der Modulation
    Mit einer Komprimierung des zu modulierenden Signals ist zu erreichen, daß das Signal in seiner Dynamik verringert wird und damit insbesondere die leisen Signalpassagen in ihrer Lautstärke angehoben werden. Dadurch läßt sich der Modulator optimal aussteuem. Nach der Modulation muß die Komprimierung durch eine Expandierung wieder ausgeglichen werden, um die Originaldynamik zu erhalten.
    Stummschaltung
    Um in Modulationspausen eine Ansteuerung der Wandler mit dem Trägersignal zu unterdrücken, wird das Modulator-Ausgangssignal ausgeblendet, wenn kein Eingangssignal anliegt.
    Praktische Auslegung des Modulators
    Die amplitudenmodulierte Niederfrequenzschwingung wird bei hohem Schalldruck mit einem Wandler abgestrahlt. In der Luft entsteht durch die Wechselwirkung zwischen der Trägerschwingung und dem modulierten Seitenband ein Differenzfrequenz-Spektrum, das dem Spektrum der Niederfrequenz entspricht. Um einen niedrigen Klirrfaktor zu erzielen, ist eine Einseitenbandmodulation optimal. Wird der Träger bei einer gewöhnlichen Zweiseitenband-AM teilweise unterdrückt, so ist eine Unterdrückung des unteren Seitenbandes unerläßlich, weil die Mischung der beiden Seitenbänder untereinander zusätzliche Differenzfrequenzen bewirkt, die sich in Form von Klirrfaktor bemerkbar machen.
    Mit piezoelektrischen Wandlern ist die Abstrahlung des modulierten Signals jedoch so schmalbandig, daß das untere Seitenband nur sehr leise wiedergegeben wird. Die Mischung der Seitenbänder untereinander ist dadurch schalldruckmäßig vemachlässigbar. Das setzt aber voraus, daß der Träger so laut ist, daß die Mischung von Träger und Seitenband ein viel lauteres Signal ergibt als die Mischung der Seitenbänder untereinander.
    Die Modulation wird demnach entweder als gewöhnliche Zweiseitenband-AM realisiert oder als Einseitenband-AM, bei der der Träger zur weiteren Funktionsoptimierung um ca. 12dB unterdrückt wird.
    Dynamikkompression (Dynamik-Fehler-Kompensation)
    Der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Eingangssignal der piezoelektrischen Wandler und dem Schalldruckpegel der Differenztöne ist nichtlinear. Mit einer Kompensationsschaltung läßt sich eine lineare Übertragung erzielen.
    Linearisierung des Frequenzgangs
    Mit einer Frequenzganglinearisierung, die insbesondere bei piezoelektrischen Wandlem mit stark nichtlinearem Frequenzgang erforderlich ist, werden frequenzabhängige Amplitudenfehler des Übertragungssystems ausgeglichen. Die Entzerrung kann vor der Modulation im Niederfrequenzbereich erfolgen oder nach der Modulation im Ultraschallbereich. Die Entzerrung nach der Modulation hat den Vorteil, daß dadurch die Aussteuerungsreserve des Modulators bei einer Anhebung eines Frequenzbereiches nicht eingeschränkt wird.
    Flächenbezogene Entzerrung
    Im abgestrahlten Uitraschallkegel entsteht die Differenztonwelle. Der Querschnitt des Kegels hat dabei einen Einfluß auf den resultierenden Audio-Frequenzgang. An einer Grenzfläche, die in den Schallstrahl hineingehalten wird, entsteht das hörbare Signal. Die untere Grenzfrequenz hängt dabei von der Querschnittsfläche des in den Strahl gebrachten Gegenstandes ab. Um für einen Reflektor an einer Wand einen linearen Frequenzgang zu erzielen, ist eine auf die Fläche des Reflektors abgestimmte Entzerrung notwendig.
    Entfernungsbezogene Entzerrung
    Das Maximum des Schalldrucks ergibt sich in einer bestimmten Entfernung von der Quelle. Es tritt für verschiedene Audiofrequenzen in unterschiedlichen Abständen auf. Ein linearer Frequenzgang kann sich deshalb für eine bestimmte Entfernung nur durch eine spezielle entfemungsbezogene Entzerrung einstellen. Die Signalverarbeitung muß deshalb für einen linearen Frequenzgang eine spezielle entfemungsabhängige Frequenzgangentzerrung beinhalten.
    Erhöhung des Schalldrucks durch große Anzahl von Wandlem
    Um den hohen Ultraschall-Pegel zu erzeugen, wird eine größere Anzahl von Wandlern parallelgeschaltet.
    Die Anordnung der Wandler spielt dabei eine Rolle: sind die Wandler auf einer Platte dichtestmöglich angeordnet, so ist die Tiefenwiedergabe des Lautsprechers leiser als bei einer Anordnung, bei der die gleiche Anzahl an Wandlern ringförmig angebracht ist.
    Modulation durch Digital Signal Processing
    Die beschriebene analoge Amplitudenmodulation läßt sich auch digital realisieren.Multiplikation einer Sinusschwingung (Träger) mit einem Niederfrequenzsignal, teilweise Unterdrückung des Trägers sowie Unterdrückung des unteren Seitenbandes sind mit einem DSP-Baustein möglich - Figur 3 -. Frequenzgangkorrekturen lassen sich ebenfalls relativ einfach durchführen.
    Nichtlinearitätsparameter
    Die Höhe des Audioschalldrucks hängt u.a. vom Nichtlinearitätsparameter des Mediums ab. Für Luft beträgt der Parameter ε =1,2. Für das Medium Wasser beträgt ε=3,5, für Wasser mit Luftblasen kann ein Extremwert von ε=5000 angegeben werden. Gegenüber dem Medium Luft kann also theoretisch ein um den Faktor 4000 größerer Schalldruck erreicht werden.
    Ein geeignetes Medium zwischen Ultraschallstrahler und Hörer kann den Schalldruck des Audiosignals erhöhen.
    Der Audioschalldruck kann durch eine weitere Maßnahme vergrößert werden. Bedingt durch die zunehmende Aufsteilung der Wellenfront im Zuge der Ausbreitung was gleichbedeutend ist mit dem Entstehen von Oberwellen. Nach einer Energiebilanz steht die Energie, die in den Oberwellen steckt, nicht für die Differenztonwelle zur Verfügung. Es erfolgt gewissermaßen ein Energiefluß von der Grundwelle zu den Oberwellen. Wenn es gelingt, diesen Energiefluß zu bremsen, so ließe sich der Audioschalldruck vergrößern.
    Ein Realisierungsvorschlag sieht folgendermaßen aus:
    Ein schalldurchlässiges Medium enthält kleine Hohlräume, welche zusammen mit dem Material eine Vieizahl von Heimholtz-Resonatoren ergibt. Die Resonatoren sind auf die ersten Oberwellen des Signals abgestimmt und bremsen dadurch den Energiefluß zu höheren Oberwellen. Füllt man die Hohlräume mit einem nichtlinearen Medium, z.B. einer Flüssigkeit, so läßt sich durch diese Maßnahme ein höherer Wert für den Nichtlinearitätsparameter erzielen, wodurch der Schalldruck der Differenztöne erhöht wurde.
    Durch diese Technologie lassen sich Reflektoren bauen, die auf passive Weise den Schalldruck der Differenztöne verstärken.
    Für einen in die Kopfstütze eines Autos eingebauter Ultraschall-Lautsprecher läßt sich durch die beschriebene "Dämpfungsplatte" ein höherer Audioschall bei gleichzeitig reduziertem Ultraschall erreichen.
    Für kabellose Kopfhörer ist es denkbar, unhörbaren Ultraschall drahtlos zu übertragen und über den oben beschriebenen Absorber die Differenztöne auf ein hohen Pegel zu verstärken.
    Praktische Anwendungen
    Da hörbarer Schall nur in der Überlagerungszone der gemischten Ultraschallsignale entsteht, ist durch die räumliche getrennte Abstrahlung von Träger- und Seitenbandsignal über eigene Wandler eine nahezu punktförmige "Projektion" des Schalls möglich. Die Abstrahlung beider Signale über einen einzigen Wandler bzw. ein Wandlerarray hingegen verändert die punktförmige in eine linienförmige Charakteristik eintlang der Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls.
    Praktische Anwendungen des Ultraschall-Lautsprechers sind in erster Linie solche, bei denen die starke Richtwirkung des Lautsprechers ausgenutzt wird. Bei den Anwendungen a) - e) sorgt ein absorbierendes Material hinter dem zu beschallenden Bereich dafür, eine rückwärtige Reflexion des Ultraschalls zu verhindern.
  • a) Kunstobjekte die "sprechen" Beschallung eines Kunstobjektes derart, daß der Schall nur in unmittelbarer Umgebung des Objektes hörbar ist. Der Wandler kann bspw. Über dem Objekt angeordnet werden und ist nur innerhalb eines kleinen Bereichs um das Objekt herum hörbar. Eine Beschallung des umliegenden Bereichs erfolgt dadurch nicht.
  • b) Aktive Lärmkompensation für Auto, Flugzeug, Bus, Zug: Mit einem Mikrofon wird das Umgebungsgeräusch aufgenommen und analysiert. Mit einer elektronischen Schaltung wird ein Signal mit entgegengesetzter Phase erzeugt und mit dem Ultraschall-Übertragungsverfahren sitzplatzabhängig und gerichtet abgestrahlt. Die Überlagerung des Schalls mit dem erzeugten Gegenschall bewirkt eine Umgebungsgeräuschminderung.
  • c) Konferenzsysteme zur räumlich adressierbaren Beschallung in verschiedenen Sprachen: In Konferenzräumen werden die einzelnen Sitzplätze selektiv beschallt, ohne daß der jeweilige Nachbar gestört wird. So lassen sich verschiedene Sprachen gleichzeitig und ohne Kopfhörer übertragen.
  • d) Lautsprecher im Flugzeug, Bus, Zug als Kopfhörerersatz: Die starke Richtwirkung des Ultraschall-Lautsprechers ermöglicht eine Beschallung mit Lautsprechern statt mit Kopfhörern. Dies ist durch Realisierung von elektrisch oder mechanisch schwenkbare Strahler möglich und erlaubt ein "Audio on Demand".
  • e) Gerichtete Beschallung auf der Bühne (Souffleuse)
  • f) Im Auto als adressierbarer Lautsprecher (Im Dachhimmel oder Kopfstütze angebrachte Wandler sind über ein Bedienfeld mit Matrixdisplay steuerbar)
  • g) Beschallung von Computer-Arbeitsplätzen am Monitor. Um die Bildröhre des Monitors herum sind Wandler angebracht. Der Schall ist damit nur direkt vor dem Monitor hörbar.
  • h) "Ultraschalltapete" oder Ultraschalldecke zur aktiven Lärmkompensation im Heim, Funktion s.o.
  • i) Surround-Lautsprecher: Ausnutzung von Wandreflexionen: "Projektion" der Surroundinformation auf die Raumwände, an denen sich virtuelle Schallquellen befinden sollen. Die hinteren Boxen müssen damit nicht zwangsläufig hinter dem Hörer aufgestellt werden.
  • j) Beschallung bei PA-Anwendungen: Akustische "Ausleuchtung" ganz bestimmter Zonen. Dabei Abgrenzung der umliegenden Bereiche (Audio on Demand).
  • k) Freisprecheinrichtung (im Auto zum Telefonieren): Durch die starke Richtwirkung des Lautsprechers läßt sich bei geeigneter Anbringung des Mikrofons erreichen, daß es zwischen Lautsprecherschall und dem aufgenommenen Mikrofonschall zu keiner akustischen Rückkopplung kommt. Kombination aus Ultraschall-Lautsprecher und Richtmikrofon zur Vermeidung einer akustischen Rückkopplung: Der Lautsprecher ist bspw. über dem Zuhörer angeordnet während das Richtmikrofon frontal auf den Sprecher gerichtet ist. Der stark gerichtete Schall des Ultraschall-Lautsprechers erreicht das Mikrofon nicht, so daß keine akustische Rückkopplung entstehen kann (z.B. in TV-studios bei Zuschauerfragen.
  • I) Ist an jedem Sitzplatz ein Ultraschall-Lautsprecher installiert, so läßt sich ein Telefonat an jeden Sitzplatz weiterleiten, ohne daß der Telefonhörer weitergereicht werden muß.
    • Bei dem hier beschriebenen Verfahren zur Wiedergabe von Audioschall wird über einen speziellen Wandler ausschließlich unhörbarer Ultraschall in die Luft abgestrahlt.
    Durch nichtlineare Effekte in der Luft wird bei hohem Schalldruck und der Überlagerung zweier Ultraschallwellen hörbarer Schall erzeugt. Die im Vergleich zu üblichen Audiosignalen hohe Frequenz des Ultraschalls bewirkt, daß die Abstrahlung des Schalls wegen seiner kleinen Wellenlänge und der im Vergleich dazu relativ großen Wandlerabmessungen stark räumlich gerichtet erfolgt. Die Frequenzabhängigkeit der Richtcharakteristik herkömmlicher Lautsprecher (Kugelstrahler bei tiefen Frequenzen, Richtstrahler bei hohen Frequenzen) tritt bei diesem Lautsprecher kaum auf.
    Das Verfahren verbindet niederfrequenten Audioschall mit der starken Richtcharakteristik des Ultraschalls. Die Richtcharakteristik des Lautsprechers ist damit nahezu unabhängig von der Signalfrequenz.
    Reduzierung der Verzerrungen bei Amplitudenmodulation
    Die Abstrahlung des modulierten Signals erfolgt mit Ultraschallwandlern. Handelt es sich bei dem Signal um ein zweiseitenmoduliertes AM-Signal, so lassen sich prinzipbedingte Verzerrungen folgendermaßen reduzieren:
  • 1. durch schmalbandige Wandler mit hoher Güte
  • 2. bei breitbandigen Wandlern durch ein vorgeschaltetes Filter
    • Bei schmalbandigen Wandlern entfällt das Filter, da die Übertragungsfunktion der Wandler bereits der eines schmalbandigen Filters äquivalent ist.
    Das System ist so abzustimmen, daß die Trägerfrequenz ca. auf dem -6dB Punkt der Filterflanke zu liegen kommt. Das Abschneiden des unteren Seitenbandes bewirkt eine Reduktion der Verzerrungen.
    Temperaturabhängige Drift der Filterflanke von schmalbandigen Wandlern und Filtern muß durch Nachführen der Trägerfrequenz kompensiert werden. Die Nachführung der Trägerfrequenz erfolgt möglichst in Signalpausen.
    Bei Sprachwiedergabe sollte zur Erhöhung der Sprachverständlichkeit eine Signalfilterung des zu modulierenden Audiosignals vorgenommen werden. Das Filter ist so auszulegen, daß ab der Signalfrequenz von 1 kHz eine Dämpfung von 3dB/Okt. erfolgt.
    Reduzierung der Verzerrungen infolge der Wandlergeometrie
    Überschreiten die Wandlerabmessungen den Wert von ca. ¼ der niedrigsten abzustrahlenden Niederfrequenz-Wellenlänge, so treten im Nahfeld des Wandlers in zunehmendem Maß Verzerrungen durch Laufzeitunterschiede der Signale auf. Die Abmessungen des Wandlers sollten deshalb kleiner als die genannte Wellenlänge dimensioniert werden.
    Ergänzung zur technischen Umsetzung der Modulation
    Eine noch stärker gerichtete Abstrahlung des Audiobandes läßt sich folgendermaßen erreichen:
    Der Schalldruck des Audiobandes hängt ab vom Produkt der Schalldrücke des Trägersignals und des Seitenbandes. Durch die Erhöhung des Schalldrucks-entweder des Trägers oder des Seitenbandes - erhöht sich der resultierende Schalldruck im Audiofrequenzbereich. Die Abstrahlung eines breiten Frequenzbereichs bei hohem Schalldruck bereitet gewisse Schwierigkeiten.
    Die Abstrahlung von Träger und Seitenband über einen Wandler bzw. eine Wandlergruppe stellt große Anforderungen an die Wandler. Durch nahezu identisch Abstrahlungsbedingungen von Träger und Seitenband entsteht die Audiowelle im gesamten Überlagerungsbereich der Signale. Dies führt zu einer relativ breiten Abstrahlung. Eine noch schärfere Richtwirkung läßt sich erreichen, indem man Träger und Seitenband über getrennte Wandler abstrahlt:
    Ein spezieller, sehr schmalbandiger, empfindlicher und sehr richtstarker Wandler erzeugt das Trägersignal, während das Seitenband mit einem breitbandigeren Wandler/Wandlerarray überlagert wird. Da sich der Audioschalldruck aus dem Produkt der beiden zu überlagernden Ultraschall-Schalldrücke ergibt, läßt sich über den Schalldruck des Trägers in weiten Grenzen der Schalldruck der Audiowelle einstellen und gleichzeitig bei gering eingestellten Lautstärken der Pegel des Ultraschallträgers reduzieren. Die Überlagerung der Schallwellen und Erzeugung von Mischprodukten erfolgt jedoch nur in dem Bereich, wo beide Schallwellen gleichermaßen den Raum erfüllen. Durch die sehr starke mögliche Richtcharakteristik des Trägerstrahlers ergibt sich daraus auch für die Audiowelle eine sehr ausgeprägte Richtwirkung.
    Absorption des Ultraschallsignals durch ein Ultraschallfilter
    Zur Erzeugung des Audiosignals aus dem modulierten Ultraschallsignal ist eine bestimmte Wegstrecke erforderlich, entlang der sich die Welle in der Luft demoduliert. Hat der Ultraschall die erforderliche Wegstrecke zurückgelegt, so bewirkt ein für Audiofrequenzen durchlässiges, jedoch für Ultraschall undurchlässiges Filter, daß zwar die Audiowelle gut hörbar ist, das Ultraschallsignal aber stark bedämpft wird. Auf die Richtcharakteristik des Wandlers hat das Filter keine signifikante Auswirkung.
    Das Filter muß so beschaffen sein, daß es Frequenzen oberhalb des Hörbereichs stark bedämpft, während Audiofrequenzen nur eine geringe Dämpfung erfahren. Angeordnet wird es sinnvollerweise am Ende der Generationszone.
    Da für niedrige Audiofrequenzen eine lange Generationszone erforderlich ist, läßt sich durch Variation des Abstandes zwischen Wandler und Absorber die untere Grenzfrequenz des Audiosignals variieren.
    Anreicherung des Klangbildes durch psychoakustische Effekte
    Je tiefer die in der Luft demodulierte Frequenz der Audiowelle ist, desto geringer ist der Schalldruck der Welle, bezogen auf konstanten Schalldruck der Ultraschallwellen. Aus physikalischen Gründen können deshalb tiefe Frequenzen nur sehr leise reproduziert werden.
    Um den subjektiven Eindruck zu erzeugen, tiefe Töne zu reproduzieren, welche objektiv gar nicht vorhanden sind, läßt sich durch Signalbearbeitung ein bestimmtes Obertonspektrum erzeugen, welches diesen Eindruck entstehen läßt. Eine Vorverzerrung des Audiosignals ist dafür erforderlich. Der Modulator enthält eine Schaltung, die diese Funktion erfüllt.
    Weitere Anwendungen Virtueller Lautsprecher
    Um ein Schallobjekt scheinbar im Raum wandern zu lassen, ist es mit herkömmlicher Lautsprechertechnik notwendig, den Lautsprecher im Raum zu bewegen. Wirkungsvoller läßt sich dieser Effekt mit dem Ultraschall-Lautsprecher erzielen.
    Durch Ausnutzung der reflektierenden Eigenschaften für Ultraschall schallharter Oberflächen läßt sich erreichen, daß die Reflexion des Ultraschall-Lautsprechers an einer Wand o.ä. ähnlich dem in einem Spiegel reflektierten Lichtstrahl wahrgenommen wird und somit eine virtuelle Quelle entsteht. Z. B. zwei Realisierungen sind möglich:
  • 1. Dreh- und schwenkbar aufgehängter US-Lautsprecher
  • 2. Fest aufgehängter US-Lautsprecher, der auf einen beweglich montierten Reflektor strahlt.
    • Räumliche Signalmitführung durch mitlaufenden Wandler
    Bei Bewegung des Zuhörers, z.B. auf einem Laufband, Rolltreppe o.ä. läßt sich durch Schwenken des Wandlers das Audiosignal mitführen, so daß nur der sich bewegende Zuhörer beschallt wird, der umgebende Raumbereich jedoch nicht.
    Ein Mitbewegen des Audioschalls kann auch auch mit einem mit der Laufgeschwindigkeit des Laufbandes / der Rolltreppe synchronisierten Zuschalten von über dem Zuhörer befindlichen Ultraschallstrahlern erfolgen, welche immer nur die Raumbereiche beschallen, in denen sich der Zuhörer gerade bewegt.
    Räumliche Signalmitführung durch phased array
    Durch gezielte Ansteuerung einzelner Wandlerelemente eines array ist eine räumliche Signalmitführung (bei der starken Richtcharakteristik des Ultraschall-Lautsprechers) möglich, ohne dabei den Ultraschallstrahler zu bewegen. Das Verfahren ist eine Kombination aus der Technik des "phased array" und dem oben beschriebenen "Ultraschall-Lautsprecher".
    Figur 4a und 4b zeigen die Ausbreitung einer Audioschallwelle, die von einem Ultraschallwandler erzeugt wird. Hierbei wird von dem Ultraschallstrahler (Ultraschallwandler) beispielsweise die Frequenzen f1=101kHz und f2=100kHz gleichzeitig abgestrahlt. Ähnlich einer (nichtlinearen) Mischstufe eines AM-Mittelwellenempfänger entstehen nun im Ultraschallstrahl in der Luft die Mischprodukte f1+f2=201 kHz und f1-f2=1 kHz und deren Vielfache. Die Sumenfrequenz f1 und f2=201kHz ist für den Menschen nicht hörbar, wohl aber die Differenzfrequenz f1-f2=1kHz. Man kann sich nun leicht vorstellen, daß man f1 mit dem Audiofrequenzbereich Δf=100...20kHz zu f1=100kHz+Δf moduliert. Im Ultraschallstrahl entsteht dann durch die Mischung an der Nichtlinearität der Luft u.a. auch genau die Audiofrequenz 100Hz...20kHz, wobei diese eine ähnlich starke Bündelung besitzt wie sie durch den Ultraschallstrahl vorgegeben ist.
    In der Mischzone des Ultraschallstrahls entstehen virtuelle Audioschallquellen (virtuelle Lautsprecher) die in Richtung des fortlaufenden Ultraschalls aufaddiert werden, denn Ultra- und Audioschall pflanzen sich mit der gleichen Schallgeschwindigkeit (340m/s) fort. Man sich diesen Effekt an einem Modell vorstellen. Auf einer Leiste sind kleine Lautsprecher eng aneinander montiert, die alle als Kugelstrahler Audioschall abstrahlen können (Figur 5) und die zeitverzögert mit dem gleichen Audiosignal angesteuert werden. Die Zeitverzögerung t zwischen zwei Lautsprechern wird so gewählt, daß sie exakt der Zeit entspricht, die die Schallwelle von einem zum nächsten Lautsprecher benötigt. Sie kann durch die Beziehung t=c/IL (c=Schallgeschwindigkeit) bestimmt werden. Der vom ersten Lautsprecher ausgehende Schall wird vom zweiten verstärkt usw. Durch die Vielzahl der Lautsprecher (im Ultraschallstrahl entstehen quasi unendlich viele virtuelle Schallquellen) die mit der Laufzeit des Schalls ortsabhängig zugeschaltet werden, entsteht eine sehr starke Bündelung des Audioschalls.
    Der Audioschall beim erfindungsgemäßen Ultraschallstrahl entsteht im Ultraschallstrahl selbst. Im Gegensatz zur Abstrahlung durch einen herkömmlichen Lautsprecher wird er mit zunehmender Entfernung zunächst lauter, bis der Ultraschallpegel soweit abgenommen hat, daß der nichtlineare Effekt der Luft nicht mehr wirkt und somit keine Anteile mehr zur Audioschallerzeugung hinzuaddiert werden. Die Länge der aktiven Zone der Audioschallerzeugung im Ultraschallstrahl bestimmt die untere Grenzfrequenz der gerichteten Audioschallquelle. Es müssen mindestens so viele virtuelle Schallquellen vorhanden sein, daß die aktive Zone mehrere Wellenlängen bei der unteren Grenzfrequenz lang ist. Deshalb erfordern Audiofrequenzen unter 100Hz große Abstände des Zuhörers vom Ultraschallstrahler (und damit auch hohe Ausgangsleistungen). Einen Lösungsansatz bietet die Nutzung psychoakustischer Signalbearbeitung, wie vorstehend beschrieben.
    Aus den beiden beschriebenen Effekten folgt, daß der Pegel und die untere Wiedergabefrequenz des Audiosignals ortsabhängig sind. Der zur Erzeugung des Audioschalls prinzipiell notwendige hohe Ultraschallpegel muß nur in der aktiven Zone des Ultraschallstrahls vorhanden sein. Ist der gerichtete Audoschallstrahl erst einmal erzeugt, kann man den Ultraschallanteil mit einem akustischen Tiefpaßfilter (audioschalldurchlässiger Ultraschallabsorber) eliminieren.
    Figur 6a und 6b zeigen typische Anwendungsbeispiele des Ultraschallstrahlers, welcher unter einer Decke angeordnet ist und die mit Audiosignalen modulierten Ultraschallstrahlen auf eine Wand richtet, von welcher eine ultraschallabsorbierende Beschichtung (Ultraschallreflexionsbelag) so ausgerichtet, daß Ultraschall absorbiert wird, aufweist. Die dann reflektierten Audiosignale sind ultraschallfrei und können vom Menschen vor der Wand gehört werden.
    Für die Ultraschallwandler selbst kann ein üblicher Ultraschallwandler verwendet werden. Besonders geeignet sind aber auch Ultraschall-Folienwandler, die nach Art eines Kondensator- (Elektret)Wandlers eine Folie und einer entsprechend (mit Rillen oder Löchern) ausgebildeten Gegenelektrode aufweisen.
    Vorteilhaft ist auch die Ausführungsvariante, bei der mittels einer Abstandsmesseinrichtung zu einer Ultraschallmesseinrichtung ermittelt wird, wo sich ein zu beschallender Zuhörer befindet. Wenn dieser sich in einem kritischen Bereich Ultraschallstrahls befindet, der gesundheitsschädlich sein könnte, wird die Ultraschallwiedergabe abgeschaltet, damit die jeweilige Person (oder das Tier) nicht zu hohen Ultraschallpegeln ausgesetzt wird. Wenn der Ultraschall auf einen bestimmten Bereich gerichtet werden soll und wenn dieser Bereich sich auch noch bewegt (dies ist z. B. bei einem einzelnen Zuhörer der Fall, welcher sich auf einer Bühne bewegt und beschallt werden soll) so ist es hierfür vorteilhaft, wenn eine Einrichtung ausgebildet ist, mittels der der zu beschallende Zuhörer aktuell lokalisiert werden kann, so dass dann die Beschallung bevorzugt nur auf den lokalisierten Bereich erfolgt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der zu beschallende Hörer eine Sendeeinrichtung mit Navigation (z. B. GPS) mit sich trägt und somit ständig seine eigenen Navigationsdaten an eine Empfangseinrichtung sendet, die ihrerseits zur Steuerung der Schwenkung des Ultraschallstrahls herangezogen wird. Auch könnte der zu beschallende Zuhörer mit einem sogenannten TAG-Identifyer ausgestattet sein, dessen genaue Position von einem entsprechenden Interogator (Abfrageeinheit für das TAG) ermittelt wird, mit welchem dann seinerseits die Schwenkung der Ultraschallstrahlen gesteuert wird. Aber auch alle anderen technischen Möglichkeiten zur Lokalisation eines einzelnen Bereichs oder mehrerer Bereiche können verwendet werden, um die Schwenkung eines Ultraschallstrahls zu steuern, so dass dann immer nur in dem gewünschten engen Bereich die Audiowiedergabe zu hören ist, nicht jedoch außerhalb des gewünschten Bereichs.
    Solche Anwendungen sind besonders vorteilhaft in einem Theater (für die Souffleuse) oder auch im Fernsehstudio bei einer TV-Show, wenn der sich über die Bühne bewegende Moderator Hinweisungen erhalten soll, die für das übrige Publikum nicht hörbar sein sollen.
    Die Schwenkung des Ultraschallstrahls kann mit dem in dieser Anmeldung beschriebenden unterschiedlichen Techniken erfolgen, also durch das Schwenken der Ultraschallstrahler oder durch einen schwenkbarren Reflektor oder durch die sogenannte "Phased Array"-Steuerung, wobei die Ultraschallstrahlen richtungelektronisch bestimmt wird.

    Claims (31)

    1. Vorrichtung zur Wiedergabe von Audioschall mittels einer Ultraschall erzeugenden Einrichtung, wobei das wiederzugebende Audiosignal durch eine Seitenband-Amplitudenmodulation mit einem Trägersignal im Ultraschallfrequenzbereich verknüpft wird, mit
      Mitteln zum Reduzieren der Amplitude des Ultraschallträgersignals, gekennzeichnet durch
      Mittel, die das modulierte Ultraschallsignal einer Dynamik-Fehler-Kompensation unterwerfen, und
      gegebenenfalls Mittel, die das kompensierte Ultraschallsignal einer Frequenzganglinearisierung unterziehen und einem Ultraschall-Wandler zuführen.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
      gekennzeichnet durch Mittel zum Unterdrücken des Ultraschall-Signals in Modulationspausen, wenn also kein Audiosignal wiedergegeben werden soll und/oder Mittel, die das kompensierte Ultraschalsignal einer Frequenzganglinearisierung unterziehen.
    3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass das wiederzugebende Audiosignal vor der Modulation einer Frequenzgangliniearisierung unterworfen wird.
    4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass das wiederzugebende Audiosignal einer Zweiseitenband-Amplitudenmodulation oder einer Einseitenband-Amplitudenmodulation unterworfen wird.
    5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch Mittel, die den Ultraschallträger um einen Betrag von etwa 8 bis 20 dB unterdrücken.
    6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Ultraschallträgersignals im Bereich von etwa 40 kHz bis 500 kHz liegt.
    7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch Mittel zum Unterdrücken des unteren Seitenbandes bei einer Einseitenband-Amplitudenmodulation.
    8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch Mittel zum Durchführen einer Entzerrung nach der Amplitudenmodulation.
    9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von parallel geschalteten UltraschallWandlern.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler auf einer Platte dichtestmöglich angeordnet sind.
    11. Vorrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch einen digitalen Signalprozessor zum Durchführen der Modulation.
    12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch eine Anordnung eines Wasserluftblasengemisches im Ultraschallausbreitungsweg der Vorrichtung.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
      gekennzeichnet durch eine Kopfhörermuschel mit Wasserluftblasengemisch.
    14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch ein schalldurchlässiges Medium im Ausbreitungsweg der Ultraschallstrahlen, wobei das Medium Hohlräume enthält, welche zusammen mit dem Mediummaterial eine Vielzahl von Helmholz-Resonatoren aufweisen, welche auf die erste Oberwelle des Ultraschallsignals abgestimmt sind.
    15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume mit einem nichtlinearen Medium gefüllt sind.
    16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch eine Vielzahl von ringförmig angeordneten UltraschallWandlern.
    17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallträgersignal einem ersten Wandler und das Seitenbandsignal einem zweiten Wandler zugeführt wird.
    18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel eines Ultraschallwandlers etwa im Bereich von 0,5 bis 10° liegt.
    19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch Mittel zum Vorverzerren des Audiosignales.
    20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch Mittel zum Schwenken des Ultraschallstrahls in eine gewünschte Richtung.
    21. Vorrichtung nach Anspruch 20,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Schwenken des Ultraschallsignals aus einer mechanischen Schwenkeinrichtung des Ultraschallstrahlers und/oder aus einer elektronischen Ansteuerung der Ultraschallstrahler nach Art eines sogenannten "phased array" besteht und/oder dass ein schwenkbarer Reflektor ausgebildet ist, der den Ultraschall in eine gewünschte Richtung reflektiert.
    22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallvorrichtung eine Ultraschalltapete bildet, so dass beim Zuhören der Eindruck entsteht, dass der Schall direkt von der Wand kommt.
    23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerband des Ultraschallstrahlbandes und das Ultraschallstrahlseitenband mit unterschiedlichen Wandlern erzeugt wird.
    24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch Mittel zur psychoakustischen Vorverarbeitung des Audio-NF-Signals.
    25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als akustisches Laufband ausgebildet ist, so dass bei einer Vorbeibewegung eines Zuhörers an einem Ultraschallwandler nur der bewegte Zuhörer beschallt wird, nicht jedoch der umgebende Raumbereich.
    26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch wenigstens einen Ultraschallwandler, welcher ausschließlich oder zusätzlich zur Ultraschallausstrahlung als Sende- und/oder Empfangseinrichtung einer auf Ultraschall basierenden Abstandsmesseinrichtung dient.
    27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften des wiederzugebenden Audiosignals durch die Größe der Reflektionsfläche bestimmt wird, um somit die Frequenzganglinearisierung bzw. die Entzerrung des Audiosignals zu kompensieren.
    28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      gekennzeichnet durch einen Modulator zur Frequenz- und/oder Phasenmodulation des wiederzugebenden Audiosignals.
    29. Verwendung einer Ultraschallwiedergabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Kunstausstellung und/oder in einem Museum oder zur aktiven Lärmkompensation und/oder in Konferenzsystemen und/oder als Lautsprecher als Kopfhörerersatz und/oder zur gerichteten Beschallung auf einer Bühne und/oder als adressierbarer Lautsprecher und/oder zur Beschallung von Computer-Arbeitsplätzen und/oder als Surround-Lautsprecher und/oder zur akustischen Beschallung ganz bestimmter Zonen und/oder in einer Freisprecheinrichtung.
    30. Verwendung nach Anspruch 29, zur Beschallung eines Bereichs, durch den sich der Zuhörer bewegt bzw. durch den der Zuhörer bewegt wird; wobei der Wiedergabepegel des Ultraschallsignals stets auf den bewegten Zuhörer gerichtet ist.
    31. Verfahren zur Wiedergabe von Audioschall mittels einer Ultraschall erzeugenden Einrichtung, wobei das wiederzugebende Audiosignal durch eine Seitenband-Amplitudenmodulation mit einem Trägersignal im Ultraschallfrequenzbereich verknüpft wird, mit den Schritten:
      Reduzierung der Amplitude des Ultraschallträgersignals,
      Zuführen des Signals an einen Ultraschall-Wandler, gekennzeichnet durch
      Durchführen einer Dynamik-Fehler-Kompensation,
      Durchführen einer Frequenzganglinearisierung des kompensierten Ultraschallsignals.
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