WO2021186065A1 - Schallwandler-anordung und verfahren zum betrieb einer schallwandler-anordnung - Google Patents

Schallwandler-anordung und verfahren zum betrieb einer schallwandler-anordnung Download PDF

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WO2021186065A1
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sound
acoustic
pass filter
transducers
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Michael Hlatky
Philippe Robineau
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Holoplot Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a sound transducer arrangement having the features of claim 1 and a method for operating a sound transducer arrangement having the features of claim 27.
  • these elementary waves should synthesize the wave fronts in the entire audible transmission range.
  • the functional principle requires an undirected caluman radiation of the individual sound transducers.
  • the individual sound transducers should theoretically be arranged at a distance of less than half a wavelength of the emitted signal - also for the upper transmission range (e.g. more than 4 kFIz).
  • Dynamic loudspeakers are common as sound transducers. However, with the corresponding diaphragm diameter, their natural resonances are several octaves above the lower limit frequency of the audio range to be reproduced, which is required for high-quality reproduction. The sensitivity and resilience of dynamic loudspeakers are also far below the values that are standard for larger sound transducers.
  • the efficiency of the individual sound transducers improves as the wavelength of the signal increases, because they work increasingly synchronously as the frequency decreases.
  • the upstream air can therefore no longer evade the membrane movement unhindered in all directions, which is why a larger air mass is now upstream of the membrane.
  • the load of the column of air to be moved results in a significantly improved adaptation to the radiation resistance of the air, because the membrane is no longer almost empty works, but finds a work resistance. This leads to a significant increase in level towards lower frequencies. However, it cannot compensate for the driver's steeper sound pressure drop below its natural resonance. That is why the use of different sound converters with the appropriate division of the frequency ranges to be emitted is an advantageous solution.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a sound transducer arrangement.
  • three first sound transducers 11 are shown, which are designed here as conical sound transducers by way of example.
  • a plurality of second sound transducers 12 is arranged between the first sound transducers 11. In the embodiment shown, these are designed as spherical transducers, which are often used for the high-frequency range.
  • the second sound transducers 12 can also be arranged in the area of the diaphragm of the sound transducers 11, provided that they do not hinder its sound exit.
  • the arrangement of several tweeters in front of the diaphragm of woofer is known in principle.
  • the acoustic centers 212 are approximately on the front side of the dome.
  • the acoustic centers 211 of the elementary waves 311 are in the rear part of the cone, slightly in front of the front of the dust protection cap (Sven Franz, Christina Imbery, Menno Müller, Jörg Bitzer: “Determination of the frequency-dependent acoustic center of a loudspeaker in the time domain "; Institute for Flörtechnik und Audiologie Oldenburg). The exact position depends on the frequency. With regard to the superposition of the elementary waves from the first and second sound transducers 11, 12, the position of the acoustic centers in the transition area of their working frequencies is decisive.
  • the arrangement and construction of the first and second sound transducers 11, 12 result in a geometric offset of the associated acoustic centers.
  • the acoustic centers of the first and second sound transducers 11, 12 do not lie on one plane.
  • the first sound transducers 11 are located behind the second sound transducers 12.
  • the object is to improve the radiation characteristics of a sound transducer arrangement; in particular, it should be possible to compensate for a geometric offset of sound transducers in a sound transducer arrangement.
  • At least one first sound transducer in the sound transducer arrangement is coupled to an acoustic low-pass filter device.
  • the acoustic center of the first sound transducer can be arranged behind the acoustic centers of the high-frequency transducers in relation to the front of the sound transducer arrangement.
  • the acoustic center of the first sound transducer and the low-pass filter device can, for example, in one embodiment be shifted into a plane with the acoustic centers of Flochton sound transducers as second sound transducers. This makes it possible to ensure a homogeneous superposition of elementary waves even in the transition area of the transmission frequencies, although the chassis of the sound transducers themselves are mounted in different planes. In such a "loudspeaker system", the sound waves no longer emanate from the loudspeaker itself. It only builds up air pressure in the chamber, not a wave. The sound wave is created at the exit of the air duct from the oscillating column of air.
  • An acoustic low-pass filter device uses the spring action of a volume of air in series with the mass of air (1,293 g / 1) in a duct.
  • the volume can then be the chamber volume plus the volume of the membrane cone. Air can only come out of the duct, so the acoustic center is then at the outlet of this duct.
  • the acoustic low pass causes, among other things, a 90 degree phase shift at the outlet of the air duct, which is taken into account when driving high-frequency loudspeakers.
  • the at least one acoustic low-pass filter device can be placed in front of, i.e. in particular in the main direction of propagation of the elementary wave that can be generated by the at least one first sound transducer.
  • the filter device can, however, also assume other positions relative to the coupled sound transducer, e.g. be offset or positioned laterally.
  • the outlet of the air duct with its oscillating air mass, which as the acoustic center is the starting point of the elementary wave of the at least one first sound transducer together with a loudspeaker chassis and the acoustic low-pass, end in the plane of the acoustic centers of the sound transducers.
  • the acoustic low-pass filter device can be or comprise a mechanical device. As such, it can have a resilient volume of air in an air chamber.
  • the air chamber can be located in front of the coupled sound transducer.
  • a cavity, in particular the volume of the membrane cone, of the coupled sound transducer can also be part of the air chamber of the acoustic low-pass filter device and / or part of the sound transducer can be part of the boundary of the air chamber.
  • a cone of the sound transducer can be part of the air chamber or make it up entirely.
  • the cone can, however, also have an air-conducting connection with a further air chamber to the air chamber of the acoustic low-pass filter device.
  • a conical volume of the at least one first sound transducer can be part of the resilient air volume or correspond to it.
  • the acoustic low-pass filter device can have a neck or a comparable constriction of the air outlet which comprises an oscillating air mass.
  • the neck of the acoustic low-pass filter device does not have to be designed as a tube. Rather, it can deviate from a straight line and one in approximately circular or polygonal cross-section or any shape.
  • a straight tube can also have a cross section that deviates from a circular cross section.
  • the opening of the neck into the surroundings can be integrated in a plate in front of the respective at least one first sound transducer; an opening in such a plate can also be designed as an opening of the neck into the surroundings or can be designed as the neck itself.
  • part of the upstream air is relatively rigidly connected to the air in the duct and must therefore be added to the oscillating mass.
  • the corresponding calculation bases for this are known from the orifice correction for bass reflex tubes.
  • the at least one first sound transducer can be designed as a mid-range sound transducer, as a low-mid-range sound transducer and / or a low-frequency sound transducer. It can be a dynamic loudspeaker, in particular a cone sound transducer, but can also be implemented using a different transducer principle.
  • a plurality of first sound transducers can be arranged in a pattern in one embodiment.
  • This pattern can in particular be a one-, two- or three-dimensional grid pattern in which the first sound transducers are arranged regularly or almost regularly (e.g. a slight offset due to aliasing is possible).
  • the grid pattern does not necessarily have to be arranged in one plane, so that grid arrangements in a surface with curvatures are also conceivable.
  • sound transducers of a similar construction type or a similar transmission range e.g. mid-range, low-mid range, or low-range sound transducers
  • Further sound transducers of the sound transducer arrangement can be arranged relative to one another in a second pattern, in particular a grid pattern. Further sound transducers can, for example, tweeter sound transducers, in particular dome Be a transducer. These further sound transducers also do not necessarily have to be arranged in a planar pattern.
  • the first and second patterns can be superimposed to form a common pattern or represent an overlay of two grid patterns.
  • the second sound transducers can also be mounted in the oscillating air mass, in which case their influence on the limit frequency of the acoustic low-pass must be taken into account.
  • the at least one acoustic low-pass filter device can be designed as a Helmholtz resonator or have a Helmholtz resonator.
  • a Helmholtz resonator has an air volume of any shape that is connected to the environment via a comparatively small-volume neck. The air in the throat can be seen as an inert mass. The entire volume of air forms an elastic volume, so that there is a spring-mass system.
  • Such a spring-mass system can, for example, be coupled to a sound transducer by placing it in front of the sound transducer.
  • the Helmholtz resonator thus serves as a low-pass filter device.
  • the acoustic low-pass device can be designed so that the numerical value of the ratio of the area of the outlet opening to the product of the volume of its air chamber and the length of its neck ⁇ is between 100 and 5000, the area and the volume in square or cubic meters , and the length of the neck is given in meters.
  • the acoustic centers of the first sound transducers with coupled low-pass filter devices can lie on a surface, in particular a plane.
  • the acoustic center of the at least one first sound transducer with a coupled low-pass filter device and a second sound transducer of the sound transducer arrangement can lie on a surface, in particular a two-dimensional plane.
  • the area can in particular be spanned by the acoustic centers of the first and second sound transducers - using the low-pass filter device.
  • the acoustic centers of the first sound transducers and acoustic low-pass filter devices coupled therewith and the acoustic centers of second sound transducers of the sound transducer arrangement can be arranged in one area, in particular one plane.
  • the acoustic center of the at least one first sound transducer can be positioned by means of the coupled acoustic low-pass filter device, in particular it can be displaced along the direction of sound propagation. This can be used to set the spatial radiation characteristic of the sound transducer arrangement, in particular for a homogeneous structure of the elementary waves of wave field synthesis or a related beamforming method.
  • the direction of displacement of the first acoustic center of the at least one first sound transducer can be collinear to the direction of propagation of an elementary wave generated by the at least one first sound transducer.
  • the direction of propagation of the elementary wave is determined by the vector, which is perpendicular to the plane that delimits the space in which the transducer emits.
  • the acoustic center of the at least one first sound transducer can be shifted by means of the coupled acoustic low-pass filter device in such a way that it is on the level of a second sound transducer that the shifted acoustic center is on the level of the fleas of the acoustic center of a second sound transducer, the level of the Fleas of the acoustic center of a sound transducer is described by the plane which runs through the acoustic center of the sound transducer and is perpendicular to the vector of the direction of propagation of the elementary waves generated by the sound transducer.
  • the acoustic center of the first sound transducer can also be shifted by means of the coupled acoustic low-pass filter device in such a way that the acoustic center of a second sound transducer lies on the level of the fleas of the shifted acoustic center.
  • the additional phase rotation of a signal of the at least one first sound transducer which is created by coupling with an acoustic low-pass filter device, can be compensated for by adapting the control, in particular by delaying the control of the at least one second sound transducer, so that the elementary waves of the Superimpose sound transducers in the sound transducer arrangement to form a common wavefront.
  • the cutoff frequency of the at least one acoustic low-pass filter device can be tuned above, in particular one to two octaves above, a crossover frequency of a transmission range of the respective at least one first sound transducer. Accordingly, the transmission range of the at least one first sound transducer does not have to be significantly changed by coupling to one of the acoustic low-pass filter devices.
  • second sound transducers can be aligned differently, especially for the flochtone area, deviating from the main axis of the sound transducer arrangement, which is perpendicular to the two-dimensional sound transducer surface, with the aim of enhancing the reproduction for distant listeners who are far away from the main axis in the direction of emission of the sound transducer.
  • Arrangement are located to linearize.
  • the main axis of the transducer arrangement can relate to a local area in the case of curved surfaces.
  • the described embodiments also relate to a modular sound transducer system which comprises, for example, at least two sound transducer arrangements which are arranged such that the radiating surfaces of the respective sound transducer arrangements are arranged in one plane, are part of a curved surface or approximate a curved surface.
  • the described embodiments relate to a module in the modular sound transducer system or to the modular sound transducer system as a whole.
  • a module in a sound transducer system can in particular be designed as a three-way module or have such a module.
  • This can be the first transducer that is available as a Conical transducers are designed and can be used for the transmission of the medium frequency spectrum. These are each coupled to an acoustic low-pass filter device.
  • the module can have dome sound transducers that can be used for audio transmission of the upper frequency spectrum.
  • These can be mounted in groups on circuit boards in such a way that their distance from one another is less than the distance between the midrange speakers. In particular, in such a way that their distance from one another is less than the shortest wavelength of the frequency range to be transmitted without perceptible aliasing effects.
  • At the upper limit of the transmission range there are wavelengths of approx. 2.15 cm. In practice, a distance of 4-12 cm, in particular 8 cm, between Flochton transducers is usually sufficient to ensure transmission without noticeable aliasing effects.
  • the module can have at least one bass sound transducer, which is arranged behind the flochtone sound transducers and mid-tone sound transducers, and the sound pressure of which can be implemented as a double-ventilated bandpass.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a sound transducer arrangement according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a sound transducer arrangement in which first sound transducers are each coupled to an acoustic low-pass filter device;
  • FIG. 3 shows a sectional view of a sound transducer arrangement in which first sound transducers are each coupled to an acoustic low-pass filter device and the elementary waves generated by the first and second sound transducers are superimposed to form a common, homogeneous wave front; 4 shows a first sound transducer of a sound transducer arrangement, which is coupled to an acoustic low-pass filter device;
  • FIG. 5 schematically shows a grid pattern in which the first and second sound transducers of a sound transducer arrangement are arranged relative to one another;
  • FIG. 6 shows a sectional view of a sound transducer arrangement in which the first sound transducers are each coupled to an acoustic low-pass filter device, resulting in a homogeneous wave front.
  • FIG. 7 shows a sectional view of a sound transducer arrangement in which first sound transducers are each coupled to an acoustic low-pass filter device and with second sound transducers with adapted alignment;
  • FIG. 8 shows a perspective illustration of an exemplary embodiment of a sound transducer module
  • FIG. 9 shows a perspective illustration of an embodiment of a modular sound transducer system
  • FIG. 10 shows a further embodiment of a sound transducer arrangement.
  • FIG. 2 schematically shows a sectional view of a sound transducer arrangement 1 or a sound transducer module 7 (as shown by way of example in FIG. 8).
  • First sound transducers 11 are shown, with each of which an acoustic low-pass filter device 5 is coupled.
  • the detail shows four first sound transducers 11, but the number is only to be understood as an example.
  • the acoustic low-pass filter device 5 is shown here in each case directly in front of the first sound transducers 11, ie in particular in the positive propagation direction 3111 of the elementary wave 311 generated by the respective first sound transducers 11. This positioning is only to be understood as an example; a different, for example offset or lateral positioning of the acoustic low-pass filter device 5 with reference to the coupled first sound transducer 11 is also possible.
  • first sound transducers 11 shown in FIG. 2 are arranged equidistantly on a straight line.
  • first sound transducers 11 of an area of a sound transducer arrangement 1, a sound transducer module 7 or even the entire sound transducer arrangement 1 are arranged relative to one another in a first pattern 611, in particular a grid pattern.
  • This pattern can be a one-, two-, or three-dimensional pattern, in particular also such a grid pattern (see e.g. Fig. 5).
  • FIG. 2 shows second sound transducers 12, the positions of which alternate with those of the first sound transducers 11 along the straight line.
  • the second sound transducers 12 could be arranged in a second pattern 612, in particular a grid pattern. Further sound transducers of the sound transducer arrangement shown in extracts could also be arranged in a second pattern.
  • first pattern 611 and second pattern 612 can be superimposed to form a common pattern 6, as is shown by way of example in FIG. 5.
  • Second sound transducers 12 can be second sound transducers 12 of the sectional view shown, but also second sound transducers 12 on a different position of the sound transducer arrangement 1 shown in detail in FIG Have spatial proximity in the sound transducer arrangement to the first sound transducers 11.
  • the elementary waves 311 generated by the first sound transducer 11 have their apparent origin in an acoustic center 211, which is shown by way of example in FIG. 2 as a point.
  • the acoustic center 211 of a first sound transducer 11 can be determined, for example, by the design of the first sound transducer 11. This is how the acoustic center of a cone sound transducer lies for example in the rear part of the cone, roughly at the front of the dust protection cap.
  • the acoustic centers 211 of the first sound transducers 11 can be positioned by means of the coupled acoustic low-pass filter device 5, in particular along an axis. This is explained by way of example with reference to FIGS. 3 and 4.
  • the location of the displaced acoustic center 211 can be regulated and determined, for example, by the type or construction of the acoustic low-pass filter device 5 and / or by the placement of the acoustic low-pass filter device 5 in relation to the coupled first sound transducer 11.
  • the acoustic center 211 of a first sound transducer 11 can be shifted collinearly to the direction of propagation 3111 of the elementary wave 311 generated by the first sound transducer 11 by means of the coupled acoustic low-pass filter device 5.
  • the acoustic center 211 of the first sound transducers 11 can be positioned such that the radii of curvature of the elementary waves 312, 311 generated by coupled first sound transducers 11 and second sound transducers 12 are adapted or correspond and thus the generation a homogeneous wave front 4 through the transducer arrangement 1 or the transducer module 7 is made possible.
  • the acoustic centers 212 of second sound transducers 12 and the acoustic centers 211 of first sound transducers 11 with coupled acoustic low-pass filter device 5 can be positioned on a common surface, in particular on a convex or concave plane.
  • the acoustic center 211 of a first sound transducer 11 can be shifted by means of the coupled acoustic low-pass filter device 5 such that the shifted acoustic center 211 lies on the plane of the fleas of the acoustic center 212 of a second sound transducer 12, the plane of the fleas of the acoustic center of a sound transducer is described by the plane that runs through the acoustic center of the sound transducer and perpendicular to the Vector of the direction of propagation of the elementary waves generated by the sound transducer.
  • the cut-off frequency of an acoustic low-pass filter device 5 determines the frequency range that is attenuated by the filter device; specifically, the sound above the cut-off frequency is attenuated and below the cut-off frequency it is passed through almost unhindered.
  • the cutoff frequency of the acoustic low-pass filter device 5 is tuned above the operating range or above, in particular one to two octaves above, the crossover frequency of a transmission range of the first sound transducer 11 coupled to the acoustic low-pass filter device 5.
  • the cut-off frequency can in particular be tuned in such a way that the reproduction frequency range of the first sound transducer 11 is not significantly changed by coupling to an acoustic low-pass filter device 5; in particular, the acoustic low-pass filter device 5 has no undesirable audible effect on the transmission range of the coupled first sound transducer 11.
  • the cut-off frequency of the acoustic low-pass filter 5 is close to the upper limit of the transmission range of the respective first sound transducer 11 for the lower transmission range, harmonics of the first sound transducer 11 cannot reach the audience, whereby the distortion factor of the first sound transducer 11 can be reduced.
  • the first sound transducers 11 can be, for example, mid-range sound transducers, low-mid-range sound transducers and / or low-frequency sound transducers. These can be implemented, for example, as dynamic loudspeakers, in particular as cone sound transducers, as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the second sound transducers 12 can be Flochton sound transducers which are implemented as dome sound transducers (FIG. 3).
  • the acoustic low-pass filter devices 5 can in particular have resonators (ie an air system made up of a mass and a resilient air volume), as is shown in FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 shows a sectional view of a sound transducer arrangement 1 or a sound transducer module 7, which as a special embodiment of the object of FIG.
  • FIG. 2 is to be understood. In particular, descriptions of FIG. 2 can also be found on FIG.
  • FIG. 3 is also to be understood as an embodiment applied to the object of FIG. 1.
  • the first sound transducers 11 are shown in FIG. 3 by way of example as cone loudspeakers which are usually used for the mid-tone to low-frequency range.
  • An acoustic low-pass filter device 5 is coupled to each of the first sound transducers 11. This is placed directly in front of the first sound transducers 11 in FIG. 3 and is shown as a mechanical device, which is described in more detail with reference to FIG. 4.
  • the illustrated mechanical acoustic low-pass filter device 5 each have a resilient air volume 53 in an air chamber 51.
  • the air chamber 51 consists of the cone 511 of the cone sound transducer 11 and a further air chamber 512.
  • the resilient air volume 53 therefore consists of the cone volume 531 and possibly another air volume 532.
  • the air chamber 51 could, however, also correspond to the cone 511 or comprise or contain another air chamber of the first sound transducer 11. A part, in particular a wall, of the first sound transducer 11 could be part of the delimitation of the air chamber 51.
  • the air chamber 51 could, however, also be built independently of the first sound transducer 11; in particular, the air chamber 51 could not have any boundaries in common with the first sound transducer 11.
  • the air chambers 51 of the acoustic low-pass filter devices 5 are partially delimited by a plate 55 which is attached in front of the first sound transducers 11.
  • the embodiment of the acoustic low-pass filter device shown in FIG. 3 furthermore has a neck 52 which comprises an oscillating volume of air 54.
  • the necks 52 of the three acoustic low-pass filter devices 5 are aligned such that their openings 521 into the surroundings lie in one plane.
  • openings 551 in the plate 55, which partially delimit the air chambers 51, are part of the delimitation of the necks 52. This construction is only to be understood as an example.
  • the acoustic center of the first sound transducer 11 is shifted approximately at the level of the openings in the necks 52.
  • FIG. 3 shows that the acoustic centers of the first sound transducers 11 have been shifted as a result of the coupling with the acoustic low-pass filter devices 5.
  • the acoustic centers have been shifted along the directions of propagation of the elementary waves 311 generated by the respective first sound transducers 11.
  • the displaced acoustic centers 211 of the first sound transducers 11 lie on a surface.
  • FIG. 3 also shows second sound transducers 12, which are shown by way of example as dome sound transducers which are usually used for the high-frequency range.
  • the calotte sound transducers are here, for example, attached to the plate 55, which represents the delimitation of the air chambers 51 of the acoustic low-pass filter device 5.
  • the plate can also be the carrier board of the second sound transducer.
  • the first sound transducers 11 and second sound transducers 12 are arranged in a common grid pattern 6; in particular, in the arrangement shown in FIG. 3, a first sound transducer 11 is followed by three second sound transducers
  • the second sound transducers 12 can also be mounted in the area of the opening of the air duct if their influence on the oscillating air mass is taken into account when dimensioning the acoustic low-pass filter.
  • the openings 521 of the necks 52 of the acoustic low-pass filter devices 5 and the domes 721 of the dome sound transducers lie approximately on one surface.
  • the displaced acoustic centers (displaced by the acoustic low-pass filter devices 5) are approximately at the level of the opening of the necks 52 and the acoustic centers 212 of the dome sound transducers are on their domes 721, the acoustic centers 211 of the first sound transducers 11 are also located coupled low-pass filter devices 5 and the acoustic centers 212 of the second sound transducer 12 in approximately one area.
  • the acoustic centers 211 of the first sound transducers 11 have been shifted to the plane in which the second sound transducers 12 have their acoustic centers 212.
  • the radii of curvature of the elementary waves 311, 312 of the first sound transducers 11 and the second sound transducers 12 are adjusted to one another by the displacement of the acoustic centers, which is shown by a comparison with the radii of curvature of the elementary waves 311, 312 in FIG.
  • a phase shift of the signals from the first sound transducer 11 is brought about.
  • This additional phase shift of the signal from the first sound transducers 11 can be compensated for by an adapted control of the second sound transducers 12, in particular by a delay in the control of the second sound transducers 12, so that the elementary waves 311, 312 overlap to form a common, homogeneous, synthesized wavefront 4. This is illustrated by a comparison of the wavefront in FIG. 3 with the wavefront in FIG. 1.
  • the fourth sound transducer 4 shows a single first sound transducer 11 from a sound transducer arrangement 1, which is coupled to an acoustic low-pass filter device 5.
  • the first sound transducer 11 is shown here as an example of a cone sound transducer.
  • An acoustic low-pass filter device 5 is coupled to the first sound transducer 11. In the mechanical embodiment, this is an acoustic one Low-pass filter device is shown, which is placed immediately in front of the first sound transducer 11.
  • a resilient air volume 53 is coupled to an oscillating air volume 54; the former corresponds to a feather.
  • the resilient 53 and the oscillating air volume 54 form a mass-spring system.
  • the resilient air volume 53 is encompassed by an air chamber 51 and the oscillating air volume 52 is encompassed by a short neck 52. This corresponds to a Helmholtz resonator.
  • the air chamber 51 which comprises the resilient air volume 53, consists of the cone 511 of the cone sound transducer 11 and a further air chamber 512.
  • the resilient air volume 53 thus consists of the cone volume 531 and a further air volume 532.
  • Part of the delimitation of the neck 52 of the acoustic low-pass filter device 5 shown in Fig. 4 is an opening 551 in a plate 55 in front of the first sound transducer 11, i.e. the opening 551 in a plate 55 is integrated in the neck 52.
  • the opening 551 in the plate 55 could also correspond to the opening 521 of the neck 52 into the surroundings.
  • the opening in the plate 551 could, however, also correspond entirely to the neck 52.
  • the neck 52 could also have been formed in a different way.
  • a plate 55 in front of the sound transducer arrangement 1 can have several openings 551 which each serve as openings 521 of the necks 52 of the various acoustic low-pass filter devices 5 or are integrated into the necks 52 of the acoustic low-pass filter devices 5.
  • the neck 52 is designed as a tube, in particular the neck 52 has a circular cross-section. However, it could also have a different cross-section, for example a polygonal cross-section.
  • the opening of the neck but can also have a different shape, which can be determined in particular by the design of the sound transducer arrangement as a whole or results from the design.
  • the acoustic center of the first sound transducer 11 migrates through coupling with the acoustic low-pass filter device 5 to the end of the flale 52 of the acoustic low-pass filter device 5, in which the oscillating air volume 54 determines the upper limit frequency of the acoustic low-pass filter device 5.
  • the acoustic center of the first sound transducer 11 is shifted by means of the coupled acoustic low-pass filter device 5 in the direction of propagation 3111 or the elementary wave 311 generated by the first sound transducer 11.
  • the calculation of the cut-off frequency of the acoustic low-pass can be done in the same way as the calculation of the resonance frequency of a Flelmholz resonator.
  • the value of the cutoff frequency of the acoustic low-pass filter device should be at least a third to an octave higher than the electrical crossover frequency of an electronic crossover of the corresponding sound transducer.
  • the upper end of the working range of a mid-range transducer is typically between 1 and 4 kHz.
  • the cutoff frequency of the coupled acoustic low-pass above the transmission range of the mid-range loudspeaker there is, for example, a ratio of the area of the outlet opening to the product of the volume and length ae of the neck - between 100 and 5000.
  • FIG. 5 shows schematically a pattern 6 in which sound transducers of a sound transducer arrangement are arranged.
  • first grid pattern 611 and the second grid pattern 612 overlap to form a common grid pattern 6.
  • the first sound transducers 11 can be, for example, mid-range sound transducers, low-mid-range sound transducers and / or low-frequency sound transducers. These could, for example, have been implemented as cone sound transducers.
  • the first pattern can be a grid pattern, but other regular arrangements of the sound transducers are also possible.
  • the pattern can also be a one-, two- or three-dimensional pattern.
  • the low-pass filter devices 5, which are coupled to the first sound transducers 11, are only shown here with their mouth opening for reasons of clarity.
  • a second sound transducer 12 can also be mounted inside the mouth opening if its influence is included in the calculation of the low pass.
  • sound transducers of a similar construction type or a similar working area can assume analogous positions.
  • the further sound transducers can be, for example, high-frequency sound transducers, low-frequency sound transducers and / or mid-tone sound transducers.
  • further sound transducers can be implemented as spherical sound transducers.
  • the first and the second pattern can represent a superposition of two grid patterns or combine to form a common grid pattern.
  • sound transducers of a similar type e.g. cone or dome loudspeakers
  • a similar designated transmission range e.g. high-frequency, mid-range and / or low-frequency transducers
  • FIG. 6 shows, similar to the embodiment according to FIG. 3, a sectional view of a sound transducer arrangement 1 or a sound transducer module 7. The descriptions from FIG. 3 can be transferred to the illustration shown here.
  • the directional characteristics 3121 of the second sound transducers which are shown here as spherical sound transducers as in FIG. 3, are shown in FIG. 6.
  • the directions of propagation of the elementary waves generated by the first and second sound transducers run parallel to one another. Tweeter transducers can only emit evenly in all directions if their diaphragm diameter is smaller than the wavelength of the sound to be generated. At 16 kHz this is only 2.15 cm. With such a small membrane area, however, only a small amount of sound pressure can be generated at the lower end of its reproduction range. A compromise must always be found here between uniform spatial radiation, maximum sound pressure and the lower limit frequency of the transmission range.
  • a crossover frequency that is as low as possible to the mid-range transducers enables a greater distance between the individual mid-range transducers, because aliasing effects in the crossover area must be avoided here. This greater distance then also enables larger diaphragm diameters, which then enables more efficient reproduction at the lower end of the reproduction frequency range of the mid-tone transducers.
  • the radiation characteristic of high-frequency transducers is not constant in all directions; at certain frequencies, significant drops in radiation are unavoidable depending on the direction. This is shown in FIG. 6 by the irregular shape of the directional characteristics 3121. As a matter of principle, these problems increase with the diaphragm diameter. For listeners far from the transducer arrangement, the solid angle of neighboring transducers is almost the same. At the frequencies concerned, this leads to a non-linearity in the frequency response of the reproduction that is dependent on the respective position of the listener in the reproduction area.
  • FIG. 7 shows a sectional view of a structure comparable to FIG. 6.
  • the mounting directions of the second sound transducers 12 are changed.
  • second sound transducers 12, which can be used in the exemplary structure for the high-frequency range are oriented differently, deviating from the main axis 81 of the system. The aim of this is to linearize the reproduction for distant listeners who are far away from the main axis in the emission direction of the sound transducer arrangement 1.
  • the high-tone transducers 12 are not mounted parallel on a plate, but rather at a slight incline, as a result of which the angles of inclination of the high-tone transducers are slightly different and in particular deviate from the main axis 81 of the system.
  • Fig. 8 shows an example of the structure of the sound transducer module, which is shown here as a three-way module, based on the principle of wave field synthesis
  • the upper frequency spectrum of the audio transmission range is realized in the exemplary structure with spherical transducers 72.
  • Cone sound converters 71 are used for the middle frequency spectrum and the bass range is designed as a double-ventilated band pass 731, 732.
  • the dome sound transducers shown in FIG. 8 have a very small overall depth. They are mounted in groups on printed circuit boards, which they connect to the amplifiers on the rear of the modules via connectors. Their distance from one another is selected so that reproduction is largely free of aliasing effects right into the forman area of the vowels. They guarantee in their Working area a half-space radiation without deep breaks in the directional polar pattern. In principle, however, the solution according to the invention is not limited to the use of dynamic sound transducers.
  • the diaphragm diameter of the diaphragm diameter of high-frequency transducers is in the range of the emitted wavelength.
  • they are therefore relatively well adapted to the working resistance of the air and the phase position of the signal can differ significantly between neighboring transducers. Therefore, an improvement in the efficiency due to better adaptation compared to each individual sound transducer is not to be expected here.
  • the phase differences between neighboring transducers are small at the lower frequency limit of their working range.
  • the wavelength of the signal is several times larger than its membrane diameter.
  • the advantage here is that the group is better adapted to the load resistance of the transmission medium compared to the individual sound transducer. The efficiency increases significantly compared to that of the same single radiator, and the weight of the air column that now weighs on the dome shifts its natural resonance significantly downwards. The otherwise necessary coupling of the sound transducer about an octave above its natural resonance can be shifted down to the area close to its open-air resonance.
  • the improved efficiency then contributes to the fact that the sound transducer arrangement 1 can generate higher maximum sound pressure levels than is possible with conventional PA loudspeakers. Because of the distributed arrangement of the transducers, the problem does not arise that the air in front of the small membrane area of a high-frequency transducer has to be compressed into the range of non-linearity in order to still generate the high sound pressure often used at live events in a large audience area. This limits the theoretically possible maximum sound pressure level of conventional loudspeaker systems.
  • the improved efficiency in the flat sound transducer arrangement 1 significantly facilitates the selection of the sound transducers for the adjacent frequency range. Their distance from one another should in turn be less than the wavelength at the upper limit of their transmission range. This can also be implemented in practice because of the relatively deep coupling of the high-frequency transducers 72.
  • the diaphragm diameter of the cone loudspeakers used remains below the emitted wavelength in their entire frequency range.
  • the wavelength of the signal is more than a power of ten larger than each individual membrane, so that it would be completely mismatched here if it did not work in the group with the neighboring transducers.
  • the improved adaptation of the group therefore results in a very significant increase in efficiency, comparable to the better adaptation of the drivers in horn loudspeakers.
  • driver with the diaphragm diameter which results from their relatively small distance from one another, are not sufficient to generate the extreme sound pressure in the deep bass range, which is now considered to be indispensable in the PA sector.
  • the natural resonance of dynamic loudspeakers with a corresponding diameter is usually well above 100 Hz if they have the high sensitivity required in the PA area. Below the natural resonance, the sound pressure curve falls significantly more steeply than the increase can compensate for through the efficiency of the group.
  • the two-way modules could be supplemented with external subwoofers as usual.
  • an integration of the sub-bass range in a wave field synthesis sound transducer area has significant advantages if a larger number of modules are combined to form a sound transducer area.
  • the wavelengths of the signal in the deep bass range are so large that the membrane deflections during wave field synthesis are largely synchronized even over several modules. Despite its large diameter, each individual membrane is much smaller in its entire working range than the wavelength of the signal generated. This is why the efficiency in the bass range also benefits from the arrangement of the individual sound transducers in the modular structure of a two-dimensional radiator surface.
  • the exemplary structure is therefore designed as a three-way module 7.
  • the volume required for the bass transducer 73 can only be arranged behind the transducers for the medium and high frequency ranges 71, 72.
  • the continuity of the upstream radiator surface may only be disturbed as little as possible because this creates diffraction effects with corresponding side lobes in the directional characteristic.
  • the exemplary solution is therefore designed as a double-ventilated acoustic band-pass filter device 731, 732.
  • the two channels leading to the front interrupt the structure of the high-tone transducers 72 and mid-tone transducers 71 only to a tolerable extent, but the functional principle of the double-ventilated ones enables an efficiency with which the bass range does not counteract the high sound pressure of the upstream sound transducers.
  • Arrangement 1 for the mid and high range falls.
  • the air movement in the ducts in the example shown is so strong that audible turbulence noises are to be expected.
  • the high efficiency of the double ventilated bandpass 731, 732 bass transducer is inherently linked to the restricted bandwidth and a non-linearity of the phase response.
  • both openings in the front can be viewed almost as a common acoustic center. This enables a correction over time without creating an inhomogeneous field in the transition area.
  • a time correction at the large wavelengths in the range increases the latency of the system significantly. This becomes a problem with every live performance. Here it must be weighed whether a low latency of the system or a linear phase response has priority. Compromises or different setups are possible here.
  • the wavelengths of the signal in the deep bass range are so large that the membrane deflections during wave field synthesis are largely synchronized even over several modules. Despite its large diameter, each individual membrane is much smaller in its entire working range than the wavelength of the signal generated. This is why the efficiency in the bass range also benefits from the arrangement of the individual sound transducers in the modular structure of a two-dimensional radiator surface.
  • the arrangement of individual sound transducers perpendicular to the surface is also important.
  • the entire surface can also be bent or curved.
  • the embodiments described above can be referred to as three-dimensional sound transducer arrangements, for example according to FIG. 8. With these Embodiments, it depends on the relative distance between the individual sound transducers.
  • FIG. 9 a modular sound transducer system is shown as an example, in which a multiplicity of sound transducer arrangements - as described above - are used as modules.
  • the sound transducer system can have more columns and / or more rows.
  • FIG. 10 an arrangement of several second sound transducers 12 is shown, which are also mounted in the air duct of the acoustic low-pass filter device of the first sound transducer 11.
  • the air duct with the oscillating air mass 54 is divided into several sub-areas.
  • the total air mass in the air duct remains unchanged.
  • Each of these air outlets 56 forms the starting point of an elementary wave 57 according to Huygens' principle.
  • these elementary waves 57 each have the same radius, that is to say they have the same time delay as the elementary wave that emanates from the acoustic center of the first sound transducer 58. It is clearly visible that these elementary waves 57 diverge significantly from the elementary wave 59 of one of the second sound transducers 12 in the acoustic center of the first sound transducer 11 with increasing deviation from the center line. However, they remain distributed symmetrically around this elementary wave 59. This means that the pressure maximum of the wavefront of the elementary waves 57 emanating from the multiple acoustic centers (ie acoustic centers at the air outlets of the distributed channels of the acoustic low-pass filter device) is in phase with the one elementary wave 59. The wavefront formed together thus remains homogeneous. A common synthesized wavefront 4 is created. List of reference symbols

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Abstract

Die Erfindung betrifft Schallwandler-Anordnung (1), nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Schallwandler (11) mit jeweils einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung (5) gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer zweidimensionalen Schallwandler-Anordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schallwandler-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Schallwandler-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 27.
Für die Wiedergabe von Audiosignalen ist das Prinzip der Wellenfeldsynthese bekannt (siehe z.B. Berkhout, A.J. (1988): A holographic approach to acoustic control. Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 36, No. 12, December 1988, pp.977-995.).
Entsprechend dem Huygens-Prinzip werden dabei Schallwellenfronten aus einer Vielzahl von Elementarwellen rekonstruiert. Jede Elementarwelle geht vom akustischen Zentrum eines Schallwandlers aus, der von seinem zugeordneten Verstärker angesteuert wird. Die Superposition von Elementarwellen ist auch Grundlage der Beamforming Prinzipien, mit denen Schallwellen bevorzugt in eine gewünschte Richtung abgestrahlt werden können (siehe z.B. Schröder, Jaeckel, Evaluation of beamforming Systems, 4th Berlin Beamforming Conference 2012.4th)
Prinzipiell sollen diese Elementarwellen die Wellenfronten im gesamten hörbaren Übertragungsbereich synthetisieren. Damit die aus den Elementarwellen synthetisierten Schallwellenfronten mit gleicher Amplitude in jede Richtung abgestrahlt werden kann, verlangt das Funktionsprinzip eine ungerichtete Flalbraumabstrahlung der einzelnen Schallwandler. Damit im Wiedergabebereich keine unerwünschten Interferenzen entstehen, die sich in Aliasing Effekten manifestieren, sollten die einzelnen Schallwandler theoretisch - auch für den oberen Übertragungsbereich (z.B. mehr als 4 kFIz) zueinander in einem Abstand von weniger als einer halben Wellenlänge des abgestrahlten Signals angeordnet sein.
Für den Wiedergabebereich, d.h. einem Innen- und / oder Außenbereich, wird bei der Wellenfeldsynthese ein quellfreies Volumen gefordert, d.h. alle Reflexionen sollen vermieden werden. Weil aber eine völlige akustische Bekämpfung des Wiedergaberaumes in der Praxis kaum zu realisieren ist, müssen die Wellenfronten sowohl in der Azimut- wie auch in der Elevationsebene ausgerichtet werden. So kann die Entstehung von Reflexionen dadurch weitgehend vermieden werden, dass die Reflexionsflächen des Wiedergaberaumes nicht ungewollt von den synthetisierten Wellenfronten getroffen werden. Mit horizontalen Schallwandler Reihen rings um das Publikum, wie sie zum Beispiel in einer Anlage der TU-Berlin realisiert sind
(http://www.fouraudio.com/de/referenzen/wellenfeldsvnthese-an-der-tu-berlin.htmn, ist das nicht möglich. In der Elevationsebene entstehen angerichtete Zylinderwellen.
Aus der WO 2015 / 036845 A1 ist es bekannt, größere, zweidimensionale Schallwandler-Flächen in Modulen nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese aufzubauen. Mit einer zweidimensionalen Schallwandler-Anordnung (z.B. DE 2005 10001395 A2) nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese, führt aber die Forderung nach einer aliasingfreien Wiedergabe im gesamten Übertragungsbereich zu einem unverhältnismäßig hohen Aufwand, weil sich die Gesamtzahl der Schallwandler mit Flalbierung ihres Abstandes zueinander vervierfacht. In der Praxis werden solche Strahler-Flächen deshalb so aufgebaut, dass eine weitgehend geschlossene Wellenfront bis in den Forman Bereich der Sprachwiedergabe, also etwa bis 4 kFIz, erzeugt werden kann. Die darüber liegenden Audiofrequenzen sind für die Lokalisation der Schallquelle von geringerer Bedeutung, so dass hier richtungsabhängige Aliasingeffekte zugelassen werden.
Als Schallwandler sind dabei dynamische Lautsprecher üblich. Ihre Eigenresonanzen liegen aber bei dem entsprechenden Membrandurchmesser mehrere Oktaven über der, für eine hochwertige Wiedergabe geforderten unteren Grenzfrequenz des zu reproduzierenden Audiobereiches. Auch Kennempfindlichkeit und Belastbarkeit von dynamischen Lautsprechern liegen weit unter den Werten, die für größere Schallwandler Standard sind.
Zwar verbessert sich in einer solchen zweidimensionalen Anordnung der Wirkungsgrad der einzelnen Schallwandler mit zunehmender Wellenlänge des Signals, weil sie mit sinkender Frequenz zunehmend synchron arbeiten. Die vorgelagerte Luft kann deshalb der Membranbewegung nicht mehr ungehindert nach allen Seiten ausweichen, weshalb der Membran nun eine größere Luftmasse vorgelagert ist. Verglichen mit einem einzelnen Schallwandler bewirkt die Last der nun zu bewegenden Luftsäule eine deutlich verbesserte Anpassung an den Strahlungswiderstand der Luft, weil die Membran nun nicht mehr nahezu ins Leere arbeitet, sondern einen Arbeitswiderstand findet. Das führt zu einem signifikanten Pegelanstieg hin zu niederen Frequenzen. Der kann aber den steileren Schalldruckabfall des Treibers unterhalb seiner Eigenresonanz nicht ausgleichen. Deshalb ist der Einsatz verschiedener Schallwandler mit der entsprechenden Aufteilung der abzustrahlenden Frequenzbereiche eine vorteilhafte Lösung.
Eine solche Aufteilung des Wiedergabebereiches in einzelne Frequenzbereiche führt in den horizontalen WFS Schallwandler Reihen, wie beispielsweise im Flörsaal TU Berlin, nur zu geringen Unregelmäßigkeiten in der vertikalen Richtcharakteristik des Systems (siehe Anselm Goertz, Michael Makatsch, Christoph Moldrzyk , Stefan Weinzierl: Zur Entzerrung von Lautsprechersignalen für die Wellenfeldsynthese (Equalization of loudspeaker Signals for wave field synthesis Systems), 25. TONMEISTERTAGUNG - VDT INTERNATIONAL CONVENTION, November 2008).
In einer flächigen oder räumlichen Schallwandler-Anordnung nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese entstehen komplexe Herausforderungen. Die Montage der verschiedenen Schallwandler ist nicht in einer Ebene möglich, weil die Wellenfront in allen drei Raumdimensionen ohne größere Lücken im Abstand der Hochton- Schallwandler rekonstruiert werden muss. Deshalb liegen die akustischen Zentren der Elementarwellen, aus denen sich die zu synthetisierende Wellenfront zusammensetzt, nicht in einer gemeinsamen Ebene.
Fig. 1 stellt schematisch eine Schnittansicht einer Schallwandler-Anordnung dar. Hier sind drei erste Schallwandler 11 dargestellt, die hier beispielhaft als Konus- Schallwandler ausgebildet sind. Zwischen den ersten Schallwandlern 11 ist eine Mehrzahl von zweiten Schallwandlern 12 angeordnet. Diese sind in der dargestellten Ausführungsform als Kalotten-Schallwandler ausgebildet, die oft für den Hochton- Frequenzbereich verwendet werden. Die zweiten Schallwandler 12 können dabei auch, wie von Koaxiallautsprechern her bekannt, auch im Bereich der Membran der Schallwandler 11 angeordnet sein, soweit sie dessen Schallaustritt nicht behindern. Die Anordnung mehrerer Hochtonlautsprecher vor der Membran von Tieftonlautsprechern ist grundsätzlich bekannt.
B Von den ersten Schallwandlern 11 und den zweiten Schallwandlern 12 gehen jeweils Elementarwellen 311 , 312 aus, die ihren Ursprungspunkt in jeweils den akustischen Zentren 211 , 212 der ersten Schallwandler 11 und zweiten Schallwandler 12 haben.
Die akustischen Zentren 212 liegen bei Kalotten-Schallwandlern, wie die hier dargestellten zweiten Schallwandler 12, in etwa auf der Frontseite des Doms. Bei Konus-Schallwandlern, wie die hier dargestellten ersten Schallwandler 11 , liegen die akustischen Zentren 211 der Elementarwellen 311 im hinteren Teil des Konus, etwas vor der Front der Staubschutzkalotte (Sven Franz, Christina Imbery, Menno Müller, Jörg Bitzer: „Bestimmung des frequenzabhängigen akustischen Zentrums eines Lautsprechers im Zeitbereich“; Institut für Flörtechnik und Audiologie Oldenburg). Die genaue Position ist frequenzabhängig. Bezüglich der Überlagerung der Elementarwellen von ersten und zweiten Schallwandlern 11 , 12 kommt ist die Position der akustischen Zentren im Übergangsbereich ihrer Arbeitsfrequenzen maßgeblich.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ergibt sich durch die Anordnung und Bauweise der ersten und zweiten Schallwandler 11 , 12 ein geometrischer Versatz der zugehörigen akustischen Zentren. Insbesondere liegen die akustischen Zentren der ersten und zweiten Schallwandler 11 , 12 nicht auf einer Ebene. Mit Bezug auf die Flauptausbreitungsrichtung der jeweiligen Schallwandler 11 , 12 liegen die ersten Schallwandler 11 hinter den zweiten Schallwandlern 12.
Dieser geometrische Versatz kann bei der Wellenfeldsynthese nicht einfach zeitlich ausgeglichen werden und auch bei den Beamforming Verfahren führt er zu Problemen bei der Überlagerung der Elementarwellen. In der Darstellung der Fig. 1 wird deutlich, dass Elementarwellen 311 der nach hinten versetzten ersten Konus-Schallwandler 11 zwar zeitlich so angepasst werden können, dass sich eine gemeinsame Frontlinie 4 mit den Elementarwellen 312 der zweiten Kalotten-Schallwandler 12 ausbilden. Dann ist aber der Radius der Elementarwellen 311 der Konus-Schallwandler 311 größer als der Radius der Elementarwellen 312 der Kalotten-Schallwandler 12. Daraus ergibt sich eine inhomogene Verteilung der Wellenfronten.
Die Überlagerung inhomogener Wellenfronten führt vor allem im Crossover-Bereich zwangsläufig zu richtungsabhängigen Unregelmäßigkeiten im Frequenzgang und zu unerwünschten side loops. Gerade solche side loops sollen aber möglichst vermieden werden, wenn auf die Bekämpfung des Wiedergaberaumes verzichtet werden soll. Sie könnten unerwünschte Reflexionen erzeugen, welche die bei der Wellenfeldsynthese prinzipbedingte Quellfreiheit des Wiedergaberaumes konterkarieren würden. Gerade im Mitteltonbereich, in dem die Crossover-Frequenz üblicherweise liegen wird, sind solche Reflexionen gut zu lokalisieren, weshalb sie die räumliche Wiedergabe nachhaltig verfälschen würden.
Aufgabe ist es, die Abstrahlcharakteristik einer Schallwandler-Anordnung zu verbessern, insbesondere soll ein geometrischer Versatz von Schallwandlern in einer Schallwandler-Anordnung ausgleichbar sein.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei ist mindestens ein erster Schallwandler in der Schallwandler-Anordnung, mit einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung gekoppelt.
Dabei kann z.B. das akustische Zentrum des ersten Schallwandlers in Bezug auf die Front der Schallwandler-Anordnung hinter den akustischen Zentren der Hochton- Schallwandler angeordnet sein.
Das akustische Zentrum des ersten Schallwandlers und der Tiefpass-Filtervorrichtung kann z.B. in einer Ausführungsform in eine Ebene mit akustischen Zentren von Flochton-Schallwandlern als zweiten Schallwandlern verschoben werden. So wird es möglich, auch im Übergangsbereich der Übertragungsfrequenzen eine homogene Überlagerung von Elementarwellen zu gewährleisten, obwohl die Chassis der Schallwandler selbst in unterschiedlichen Ebenen montiert sind. In einem solchen „Lautsprecher System“ gehen die Schallwellen nicht mehr vom Lautsprecher selbst aus. Er baut nur einen Luftdruck in der Kammer auf, keine Welle. Die Schallwelle entsteht am Ausgang des Luftkanals aus der schwingenden Luftsäule.
Eine akustische Tiefpass-Filtervorrichtung nutzt die Federwirkung eines Luftvolumens in Reihe mit der Masse der Luft (1 ,293 g/ 1) in einem Kanal. Als Volumen kann dann das Kammervolumen plus das Volumen des Membrankonus aufgefasst werden. Luft kann nur aus dem Kanal kommen, also liegt das akustische dann Zentrum am Ausgang dieses Kanals. Der akustische Tiefpass bedingt u.a. eine 90 Grad Phasenverschiebung am Ausgang des Luftkanals, die bei der Ansteuerung von Hochton-Lautsprechern berücksichtigt wird.
Die mindestens eine akustische Tiefpass-Filtervorrichtung kann dabei vor, d.h. insbesondere in Hauptausbreitungsrichtung der durch den mindestens einen ersten Schallwandler erzeugbaren Elementarwelle, platziert sein. Die Filtervorrichtung kann aber auch andere Positionen relativ zu dem gekoppelten Schallwandler annehmen, z.B. versetzt oder seitlich positioniert sein. Jedoch kann in einer Ausführungsform der Ausgang des Luftkanals mit seiner schwingenden Luftmasse, der als akustisches Zentrum Ausgangspunkt der Elementarwelle des mindestens einen ersten Schallwandlers zusammen mit einem Lautsprecherchassis und dem akustischem Tiefpass ist in der Ebene der akustischen Zentren der Schallwandler enden.
Die akustische Tiefpass-Filtervorrichtung kann eine mechanische Vorrichtung sein oder eine solche aufweisen. Als solche kann sie ein federndes Luftvolumen in einer Luftkammer aufweisen. Die Luftkammer kann sich vordem gekoppelten Schallwandler befinden.
Auch kann ein Hohlraum, insbesondere das Volumen des Membrankegels, des gekoppelten Schallwandlers Teil der Luftkammer der akustischen Tiefpass- Filtervorrichtung sein und/oder ein Teil des Schallwandlers kann Teil der Begrenzung der Luftkammer sein. Insbesondere kann ein Konus des Schallwandlers Teil der Luftkammer sein oder diese ganz ausmachen. Der Konus kann aber auch mit einer weiteren Luftkammer zur Luftkammer der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung luftleitend in Verbindung stehen. Ein Konusvolumen des mindestens einen ersten Schallwandlers kann Teil des federnden Luftvolumens sein oder diesem entsprechen. Die akustische Tiefpass-Filtervorrichtung kann einen Hals oder eine vergleichbare Verengung des Luftaustrittes aufweisen, der eine schwingende Luftmasse umfasst.
Der Hals der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung muss dabei nicht als Rohr ausgebildet sein. Vielmehr kann er von einer geraden Linie abweichen und einen in etwa kreisförmigen oder auch polygonalen Querschnitt oder eine beliebige Form aufweisen. Auch kann ein gerades Rohr einen Querschnitt aufweisen, der von einem Kreisquerschnitt abweicht.
Die Öffnung des Halses in die Umgebung kann in einer Platte vor dem jeweiligen mindestens einem ersten Schallwandler integriert sein; auch kann eine Öffnung in solch einer Platte als Öffnung des Halses in die Umgebung ausgebildet sein oder als der Hals selbst ausgebildet sein.
Dabei ist zu beachten, dass ein Teil der vorgelagerten Luft relativ starr mit der Luft im Kanal verbunden ist und deshalb der schwingenden Masse zugerechnet werden muss. Die entsprechenden Berechnungsgrundlagen dafür sind von der Mündungsöffnungskorrektur bei Bassreflex Rohren bekannt.
Der mindestens eine erste Schallwandler kann als Mittelton-Schallwandler, als Tiefmittelton-Schallwandler und / oder Tiefton-Schallwandler ausgebildet sein. Er kann ein dynamischer Lautsprecher, insbesondere ein Konus-Schallwandler sein, kann aber auch durch ein anderes Wandlerprinzip realisiert werden.
Eine Mehrzahl erster Schallwandler kann in einer Ausführungsform in einem Muster angeordnet sein. Dieses Muster kann insbesondere ein ein-, zwei- oder dreidimensionales Gittermuster sein, in dem die ersten Schallwandler regelmäßig oder nahezu regelmäßig (z.B. ist ein leichter Versatz wegen Aliasing möglich) angeordnet sind. Das Gittermuster muss dabei nicht zwingend in einer Ebene angeordnet sein, so dass auch Gitteranordnungen in einer Fläche mit Krümmungen denkbar sind. Dabei können beispielsweise Schallwandler eines ähnlichen Bautyps oder eines ähnlichen Übertragungsbereichs (z.B. Mittelton, Tiefmittelton, -oder Tiefton-Schallwandler) eine analoge Position einnehmen.
Weitere Schallwandler der Schallwandler-Anordnung können in einem zweiten Muster, insbesondere einem Gittermuster, relativ zueinander angeordnet sein. Weitere Schallwandler können beispielsweise Hochton-Schallwandler, insbesondere Kalotten- Schallwandler sein. Auch diese weiteren Schallwandler müssen nicht zwingend in einem ebenen Muster angeordnet sein.
Das erste und zweite Muster können sich zu einem gemeinsamen Muster überlagern oder eine Überlagerung zweier Gittermuster darstellen. Die zweiten Schallwandler können in einer Ausführungsform dabei auch in der schwingenden Luftmasse montiert sein, wobei dann ihr Einfluss auf die Grenzfrequenz des akustischen Tiefpasses zu beachten ist.
Die mindestens eine akustische Tiefpass-Filtervorrichtung kann als Helmholtz- Resonator ausgebildet sein oder einen Helmholtz-Resonator aufweisen. Ein Helmholtz-Resonator weist dabei ein Luftvolumen beliebiger Form auf, das über einen vergleichsweise kleinvolumigen Hals mit der Umgebung verbunden ist. Die Luft im Hals kann dabei als träge Masse aufgefasst werden. Das gesamte Luftvolumen bildet ein elastisches Volumen, so dass ein Feder-Masse System vorliegt. Ein solches Feder-Masse System kann z.B. mit einem Schallwandler gekoppelt sein, indem es vor dem Schallwandler angeordnet ist. Damit dient der Helmholtz-Resonator als eine Tiefpass-Filtervorrichtung.
Die akustische Tiefpassvorrichtung kann in einer weiteren Ausführungsform so ausgebildet sein, dass der Zahlenwert des Verhältnisses der Fläche der Austrittsöffnung zum Produkt aus Volumen seiner Luftkammer und der Länge seines Halses^- zwischen 100 bis 5000 liegt, wobei die Fläche und das Volumen in Quadrat beziehungsweise Kubikmetern, und die Länge des Halses in Metern angegeben ist.
Sind eine Mehrzahl erster Schallwandler der Schallwandler-Anordnung mit akustischen Tiefpass-Filtervorrichtungen gekoppelt, können die akustischen Zentren der ersten Schallwandler mit gekoppelten Tiefpass-Filtervorrichtungen auf einer Fläche, insbesondere einer Ebene liegen.
Des Weiteren kann das akustische Zentrum der mindestens einen ersten Schallwandler mit gekoppelter Tiefpass-Filtervorrichtung und eines zweiten Schallwandlers der Schallwandler-Anordnung auf einer Fläche, insbesondere einer zwei-dimensionalen Ebene liegen. Die Fläche kann insbesondere durch die akustischen Zentren der ersten und zweiten Schallwandler - unter Verwendung der Tiefpass-Filtervorrichtung - aufgespannt werden. Dementsprechend können die akustischen Zentren der ersten Schallwandler und damit gekoppelten akustischen Tiefpass-Filtervorrichtungen und die akustischen Zentren von zweiten Schallwandlern der Schallwandler-Anordnung in einer Fläche, insbesondere einer Ebene angeordnet sein.
Das akustische Zentrum des mindestens einen ersten Schallwandlers kann mittels der gekoppelten akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung positionierbar, insbesondere entlang der Richtung der Schallausbreitung verlagerbar sein. Dies kann zur Einstellung der räumlichen Abstrahlcharakteristik der Schallwandler-Anordnung nutzbar sein, insbesondere für eine homogene Struktur der Elementarwellen der Wellenfeldsynthese oder eines verwandten Beamforming Verfahrens.
Die Richtung der Verlagerung des ersten akustischen Zentrums des mindestens einen ersten Schallwandlers kann kollinear zu der Ausbreitungsrichtung einer durch den mindestens einen ersten Schallwandler erzeugten Elementarwelle sein. Dabei ist die Ausbreitungsrichtung der Elementarwelle bestimmt durch den Vektor, der senkrecht auf der Ebene steht, die den Flalbraum begrenzt, in den der Schallwandler ausstrahlt.
Insbesondere kann das akustische Zentrum des mindestens einen ersten Schallwandlers mittels der gekoppelten akustischen Tiefpassfiltervorrichtung so verschoben werden, dass es auf der Ebene eines zweiten Schallwandlers, dass das verschobene akustischen Zentrum auf der Ebene der Flöhe des akustischen Zentrums eines zweiten Schallwandlers liegt, wobei die Ebene der Flöhe des akustischen Zentrums eines Schallwandlers beschrieben ist durch die Ebene, die durch das akustische Zentrum des Schallwandlers verläuft und senkrecht auf dem Vektor der Ausbreitungsrichtung der von dem Schallwandler erzeugten Elementarwellen steht.
Umgekehrt, kann das akustische Zentrum der ersten Schallwandler mittels der gekoppelten akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung auch so verschoben werden, dass das akustische Zentrum eines zweiten Schallwandlers auf der Ebene der Flöhe des verschobenen akustischen Zentrums liegt. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die zusätzliche Phasendrehung eines Signals des mindestens einen ersten Schallwandlers, die durch Kopplung mit einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung entsteht, durch Anpassung der Ansteuerung, insbesondere mittels Verzögerung der Ansteuerung des mindestens einen zweiten Schallwandlers ausgeglichen werden, damit sich die Elementarwellen der Schallwandler in der Schallwandler-Anordnung zu einer gemeinsamen Wellenfront überlagern.
Die Grenzfrequenz der mindestens einen akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung kann in einer Ausführungsform oberhalb, insbesondere ein bis zwei Oktaven oberhalb, einer Crossover Frequenz eines Übertragungsbereichs des jeweiligen mindestens einen ersten Schallwandlers abgestimmt sein. Dementsprechend muss der Übertragungsbereich des mindestens einen ersten Schallwandlers durch Kopplung mit einer der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung nicht wesentlich verändert werden.
Des Weiteren können zweite Schallwandler insbesondere für den Flochtonbereich, abweichend von der senkrecht zur zweidimensionalen Schallwandler Fläche stehenden Hauptachse der Schallwandler-Anordnung unterschiedlich ausgerichtet werden, mit dem Ziel, die Wiedergabe für entfernte Zuhörer, die sich weit abseits der Hauptachse in der Abstrahlrichtung der Schallwandler-Anordnung befinden, zu linearisieren. Die Hauptachse der Schallwandler-Anordnung kann sich bei gekrümmten Flächen auf einen lokalen Bereich beziehen.
Die beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auch auf ein modulares Schallwandlersystem, welches beispielsweise mindestens zwei Schallwandler- Anordnungen umfasst, die so angeordnet sind, dass die Abstrahlflächen der jeweiligen Schallwandler-Anordnungen in einer Ebene angeordnet sind, Teil einer gekrümmten Fläche sind oder eine gekrümmte Fläche approximieren. Die beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf ein Modul im modularen Schallwandlersystem oder auch auf das modulare Schallwandlersystem insgesamt.
Ein Modul in einem Schallwandlersystem kann insbesondere als Drei-Wege-Modul ausgeführt sein oder ein solches aufweisen. Dieses kann erste Schallwandler, die als Konus-Schallwandler ausgeführt sind und für die Übertragung des mittleren Frequenzspektrums nutzbar sind, aufweisen. Diese sind mit jeweils einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung gekoppelt.
Des Weiteren kann das Modul Kalotten-Schallwandler aufweisen, die zur Audioübertragung des oberen Frequenzspektrums nutzbar sind. Diese können in Gruppen auf Leiterplatten so montiert sein, dass ihr Abstand zueinander geringer ist als der Abstand der Mitteltonlautsprecher zueinander. Insbesondere so, dass ihr Abstand zueinander geringer ist als die kürzeste Wellenlänge des ohne wahrnehmbare Aliasing Effekte zu übertragenden Frequenzbereiches. An der Obergrenze des Übertragungsbereichs ergeben sich Wellenlängen von ca. 2,15 cm. In der in der Praxis reicht in der Regel ein Abstand von 4-12 cm, insbesondere 8 cm, zwischen Flochton-Schallwandlern aus, um eine Übertragung ohne wahrnehmbare Aliasing Effekte zu gewährleisten.
Ferner kann das Modul mindestens einen Bass-Schallwandler aufweisen, der hinter den Flochton-Schallwandlern und Mittelton-Schallwandlern angeordnet ist, und dessen erzeugter Schalldruck als doppelt ventilierter Bandpass ausführbar ist.
Im Folgenden werden die Zusammenhäng und Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Schallwandler-Anordnung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer Schallwandler-Anordnung, in der erste Schallwandler mit jeweils einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung gekoppelt sind;
Fig. 3 eine Schnittansicht einer Schallwandler-Anordnung in der erste Schallwandler mit jeweils einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung gekoppelt sind und sich die erzeugten Elementarwellen erster und zweiter Schallwandler zu einer gemeinsamen, homogenen Wellenfront überlagern; Fig. 4 einen ersten Schallwandler einer Schallwandler-Anordnung, der mit einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung gekoppelt ist;
Fig. 5 schematisch ein Gittermuster in dem erste und zweite Schallwandler einer Schallwandler-Anordnung relativ zueinander angeordnet sind;
Fig. 6 eine Schnittansicht einer Schallwandler-Anordnung in der erste Schallwandler mit jeweils einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung gekoppelt sind, wodurch sich eine homogene Wellenfront ergibt.
Fig. 7 eine Schnittansicht einer Schallwandler-Anordnung in der erste Schallwandler mit jeweils einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung gekoppelt sind und mit zweiten Schallwandlern mit angepasster Ausrichtung;
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften Ausführungsform eines Schallwandler Moduls;
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines modularen Schallwandlersystems;
Fig. 10 eine weitere Ausführungsform einer Schallwandler-Anordnung.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer Schallwandler-Anordnung 1 oder eines Schallwandler Moduls 7 (wie es beispielhaft in Figur 8 dargestellt ist). Diese, und alle folgenden Ausführungsformen zeigen Ausführungsformen für Schallwandler- Anordnungen und Verfahren zum Betreiben von Schallwandler-Anordnungen.
Dargestellt sind erste Schallwandler 11 mit denen jeweils eine akustische Tiefpass- Filtervorrichtung 5 gekoppelt ist. Der Ausschnitt zeigt vier erste Schallwandler 11 , die Anzahl ist aber lediglich beispielhaft zu verstehen.
Die akustische Tiefpass-Filtervorrichtung 5 ist hier jeweils direkt vor den ersten Schallwandlern 11 abgebildet, d.h. insbesondere in positiver Ausbreitungsrichtung 3111 der durch die jeweiligen ersten Schallwandler 11 erzeugten Elementarwelle 311 . Diese Positionierung ist nur beispielhaft zu verstehen, auch eine andere, z.B. versetzte oder seitlich Positionierung der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 mit Bezug auf den gekoppelten ersten Schallwandler 11 ist möglich.
Die in Fig. 2 dargestellten ersten Schallwandler 11 sind äquidistant auf einer Geraden angeordnet. In weiteren Ausführungsformen sind erste Schallwandler 11 eines Bereiches einer Schallwandler-Anordnung 1 , eines Schallwandler-Moduls 7 oder auch der gesamten Schallwandler-Anordnung 1 , in einem ersten Muster 611 , insbesondere einem Gittermuster, relativ zueinander angeordnet. Dieses Muster kann ein ein-, zwei- , oder dreidimensionales Muster, insbesondere auch ein solches Gittermuster, sein (siehe z.B. Fig. 5).
Des Weiteren zeigt Fig. 2 zweite Schallwandler 12, deren Positionen sich mit denen der ersten Schallwandlern 11 entlang der Geraden abwechseln. Auch diese spezielle Anordnung ist nur beispielhaft zu versehen. Die zweiten Schallwandler 12 könnten in einem zweiten Muster 612 insbesondere einem Gittermuster angeordnet sein. Auch könnten weitere Schallwandler der auszugsweise dargestellten Schallwandler- Anordnung in einem zweiten Muster angeordnet sein. In einer Ausführungsform können sich erste Muster 611 und zweite Muster 612 zu einem gemeinsamen Muster 6 überlagern, wie beispielhaft in Fig. 5 dargestellt ist.
Zweite Schallwandler 12, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, können zweite Schallwandler 12 der dargestellten Schnittansicht sein, aber auch zweite Schallwandler 12 auf einer anderen Position der in Fig. 2 ausschnittsweise dargestellten Schallwandler-Anordnung 1. Insbesondere müssen die zweiten Schallwandler 12 keine unmittelbare räumliche Nähe in der Schallwandler-Anordnung zu den ersten Schallwandlern 11 aufweisen.
Die durch die ersten Schallwandler 11 erzeugten Elementarwellen 311 haben ihren scheinbaren Ursprung in einem akustischen Zentrum 211 , welches in Fig. 2 beispielhaft als Punkt dargestellt ist. Das akustische Zentrum 211 eines ersten Schallwandlers 11 kann beispielsweise durch die Bauart des ersten Schallwandlers 11 bestimmt sein. So liegt das akustische Zentrum eines Konus-Schallwandlers beispielsweise im hinteren Teil des Konus, in etwa an der Front der Staubschutzkalotte.
Die akustischen Zentren 211 der ersten Schallwandler 11 können mittels der gekoppelten akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 positionierbar sein, insbesondere entlang einer Achse. Dies wird mit Bezug auf Fig. 3 und 4 beispielhaft erläutert. Der Ort des verschobenen akustischen Zentrums 211 ist beispielsweise durch die Art oder Bauweise der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 und/oder durch die Platzierung der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 in Bezug auf den gekoppelten ersten Schallwandler 11 regulierbar und bestimmbar.
Insbesondere kann das akustische Zentrum 211 eines ersten Schallwandlers 11 mittels der gekoppelten akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 kollinear zu der Ausbreitungsrichtung 3111 der durch den ersten Schallwandler 11 erzeugten Elementarwelle 311 verschoben werden.
Durch Kopplung mit der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 kann das akustische Zentrum 211 der ersten Schallwandler 11 so positioniert werden, dass die Krümmungsradien der von gekoppelten ersten Schallwandlern 11 und von zweiten Schallwandlern 12 erzeugten Elementarwellen 312, 311 angepasst sind oder sich entsprechen und somit die Erzeugung einer homogenen Wellenfront 4 durch die Schallwandler-Anordnung 1 oder des Schallwandler Moduls 7 ermöglicht wird.
Beispielsweise können die akustischen Zentren 212 von zweiten Schallwandlern 12 und die akustischen Zentren 211 von ersten Schallwandlern 11 mit gekoppelter akustischer Tiefpass-Filtervorrichtung 5 auf eine gemeinsame Fläche, insbesondere auf eine konvexe oder konkave Ebene positioniert werden.
Das akustische Zentrum 211 eines ersten Schallwandlers 11 kann mittels der gekoppelten akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 so verschoben werden, dass das verschobene akustischen Zentrum 211 auf der Ebene der Flöhe des akustischen Zentrums 212 eines zweiten Schallwandlers 12 liegt, wobei die Ebene der Flöhe des akustischen Zentrums eines Schallwandlers beschrieben ist durch die Ebene, die durch das akustische Zentrum des Schallwandlers verläuft und senkrecht auf dem Vektor der Ausbreitungsrichtung der von dem Schallwandler erzeugten Elementarwellen steht.
Die Grenzfrequenz einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 bestimmt den Frequenzbereich, der von der Filtervorrichtung gedämpft wird, speziell wird der Schall oberhalb der Grenzfrequenz gedämpft und unterhalb der Grenzfrequenz nahezu ungehindert durchgelassen.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Grenzfrequenz der akustischen Tiefpass- Filtervorrichtung 5 oberhalb des Arbeitsbereiches oder oberhalb, insbesondere ein bis zwei Oktaven oberhalb, der Crossover Frequenz eines Übertragungsbereiches des mit der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 gekoppelten ersten Schallwandlers 11 abgestimmt.
Die Grenzfrequenz kann insbesondere so abgestimmt werden, dass der Wiedergabefrequenzbereich des ersten Schallwandlers 11 durch Ankopplung mit einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 nicht wesentlich verändert wird, insbesondere hat die akustische Tiefpass-Filtervorrichtung 5 keine unerwünschte hörbare Auswirkung auf den Übertragungsbereich des gekoppelten ersten Schallwandlers 11 .
Ist die Grenzfrequenz des akustischen Tiefpasses 5 nahe der oberen Grenze des Übertragungsbereiches des jeweiligen ersten Schallwandlers 11 für den tieferen Übertragungsbereich, können zudem Oberwellen des ersten Schallwandlers 11 die Zuhörer nicht erreichen, wodurch der Klirrfaktor des ersten Schallwandlers 11 gemindert werden kann.
Die ersten Schallwandler 11 können beispielsweise Mittelton-Schallwandler, Tiefmittelton-Schallwandler und/oder Tiefton-Schallwandler sein. Diese können beispielsweise als dynamische Lautsprecher, insbesondere als Konus-Schallwandler realisiert sein, wie in Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Die zweiten Schallwandler 12 können Flochton- Schallwandler sein, die als Kalotten-Schallwandler realisiert sind (Fig. 3). Die akustischen Tiefpass-Filtervorrichtungen 5 können insbesondere Resonatoren aufweisen (d.h. ein Luftsystem aus einer Masse und einem federnden Luftvolumen), so wie es in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist. Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht einer Schallwandler-Anordnung 1 oder eines Schallwandler-Moduls 7, das als spezielle Ausführungsform des Gegenstands der Fig.
2 zu verstehen ist. Insbesondere lassen sich Beschreibungen der Fig. 2 auch auf Fig.
3 übertragen. Fig. 3 ist auch als Ausführungsform angewendet auf den Gegenstand der Fig. 1 zu verstehen.
Die ersten Schallwandler 11 sind in Fig. 3 beispielhaft als Konus-Lautsprecher dargestellt, die üblicherweise für den Mittelton- bis Tiefton-Frequenzbereich verwendet werden.
Mit den ersten Schallwandlern 11 ist jeweils eine akustische Tiefpass-Filtervorrichtung 5 gekoppelt. Diese ist in Fig. 3 jeweils unmittelbar vor den ersten Schallwandlern 11 platziert und als mechanische Vorrichtung, die mit Bezug auf Fig. 4 genauer beschrieben wird, dargestellt.
Die dargestellten mechanischen akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 weisen jeweils ein federndes Luftvolumen 53 in einer Luftkammer 51 auf. In der in Fig. 3 beispielhaft abgebildeten Ausführungsform besteht die Luftkammer 51 jeweils aus dem Konus 511 des Konus-Schallwandlers 11 und einer weiteren Luftkammer 512. Daher besteht das federnde Luftvolumen 53 jeweils aus dem Konusvolumen 531 und ggf. einem weiteren Luftvolumen 532. Die Luftkammer 51 könnte aber auch dem Konus 511 entsprechen oder eine andere Luftkammer des ersten Schallwandlers 11 umfassen oder beinhalten. Ein Teil, insbesondere eine Wand, des ersten Schallwandlers 11 könnte Teil der Begrenzung der Luftkammer 51 sein. Die Luftkammer 51 könnte aber auch unabhängig von dem ersten Schallwandler 11 gebaut sein, insbesondere könnte die Luftkammer 51 keine gemeinsamen Begrenzungen mit dem ersten Schallwandler 11 aufweisen.
In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform werden die Luftkammern 51 der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtungen 5 teils durch eine Platte 55 begrenzt, die vor den ersten Schallwandlern 11 angebracht ist.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung weist des Weiteren einen Hals 52 auf, der ein schwingendes Luftvolumen 54 umfasst. In Fig. 3 sind die Hälse 52 der drei akustischen Tiefpass-Filtervorrichtungen 5 so ausgerichtet, dass ihre Öffnungen 521 in die Umgebung in einer Ebene liegen. In der dargestellten Form sind Öffnungen 551 in der Platte 55, die die Luftkammern 51 teilweise begrenzt, Teil der Begrenzung der Hälse 52. Diese Bauweise ist lediglich beispielhaft zu verstehen.
Durch Kopplung mit den akustischen Tiefpass-Filtervorrichtungen 5 wird das akustische Zentrum der ersten Schallwandler 11 in etwa auf der Höhe der Öffnungen der Hälse 52 verschoben. Ein Vergleich der akustischen Zentren 211 der ersten Schallwandler 11 in Fig. 1 mit den akustischen Zentren 211 der ersten Schallwandler
11 mit den gekoppelten akustischer Tiefpass-Filtervorrichtung 5 in Fig. 3 zeigt, dass durch die Kopplung mit den akustischen Tiefpass-Filtervorrichtungen 5 die akustischen Zentren der ersten Schallwandler 11 verschoben wurden. Insbesondere wurden die akustischen Zentren entlang der Ausbreitungsrichtungen der durch die jeweiligen ersten Schallwandler 11 erzeugten Elementarwellen 311 verschoben. Die verschobenen akustischen Zentren 211 der ersten Schallwandler 11 liegen auf einer Fläche.
Fig. 3 zeigt des Weiteren zweite Schallwandler 12, die beispielhaft als Kalotten- Schallwandler dargestellt sind, welche üblicherweise für den Hochton- Frequenzbereich verwendet werden. Die Kalotten-Schallwandler sind hier beispielhaft auf der Platte 55, die die Begrenzung der Luftkammern 51 der akustischen Tiefpass- Filtervorrichtung 5 darstellt, angebracht. Die Platte kann auch die Trägerplatine der zweiten Schallwandler sein.
Die ersten Schallwandler 11 und zweiten Schallwandler 12 sind in einem gemeinsamen Gittermuster 6 angeordnet, insbesondere folgen in der in Fig. 3 dargestellten Anordnung auf einen ersten Schallwandler 11 drei zweite Schallwandler
12 in sich wiederholender Weise. Diese Anordnung ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Die zweiten Schallwandler 12 können auch im Bereich der Öffnung des Luftkanals montiert sein, wenn ihr Einfluss auf die schwingende Luftmasse bei der Dimensionierung des akustischen Tiefpasses entsprechend berücksichtigt wird. In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform liegen die Öffnungen 521 der Hälse 52 der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtungen 5 und die Dome 721 der Kalotten- Schallwandler in etwa auf einer Fläche. Da die verschobenen akustischen Zentren (verschoben durch die akustischen Tiefpass-Filtervorrichtungen 5) in etwa auf der Höhe der Öffnung der Hälse 52 liegen und die akustischen Zentren 212 der Kalotten- Schallwandler auf ihren Domen 721 , liegen die akustischen Zentren 211 der ersten Schallwandler 11 mit gekoppelten Tiefpass-Filtervorrichtungen 5 und die akustischen Zentren 212 der zweiten Schallwandler 12 in etwa auf einer Fläche.
Insbesondere wurden durch Kopplung mit den akustischen Tiefpass- Filtervorrichtungen 5 die akustischen Zentren 211 der ersten Schallwandler 11 , auf die Ebene verschoben, in der die zweiten Schallwandler 12 ihre akustischen Zentren 212 haben.
Die Krümmungsradien der Elementarwellen 311 , 312 der ersten Schallwandler 11 und der zweiten Schallwandler 12 sind durch die Verschiebung der akustischen Zentren zueinander angeglichen, was ein Vergleich mit den Krümmungsradien der Elementarwellen 311 , 312 in Fig. 1 zeigt.
Im Rahmen einer Kopplung mit einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 wird eine Phasenverschiebung der Signale der ersten Schallwandler 11 bewirkt. Diese zusätzliche Phasendrehung des Signals der ersten Schallwandler 11 kann durch eine angepasste Ansteuerung von zweiten Schallwandlern 12, insbesondere durch eine Verzögerung der Ansteuerung der zweiten Schallwandler 12 ausgeglichen werden, sodass sich die Elementarwellen 311 , 312 zu einer gemeinsamen, homogenen synthetisierten Wellenfront 4 überlagern. Dies wird durch einen Vergleich der Wellenfront in Fig. 3 mit der Wellenfront in Fig. 1 verdeutlicht.
Fig. 4 zeigt einen einzelnen ersten Schallwandler 11 aus einer Schallwandler- Anordnung 1 , der mit einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 gekoppelt ist. Der erste Schallwandler 11 ist hier beispielhaft als Konus-Schallwandler dargestellt.
Mit dem ersten Schallwandler 11 ist eine akustische Tiefpass-Filtervorrichtung 5 gekoppelt. Diese ist hier in der mechanischen Ausführungsform einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung dargestellt, die unmittelbar vor der dem ersten Schallwandler 11 platziert ist.
In der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 ist ein federndes Luftvolumen 53 mit einem schwingenden Luftvolumen 54 gekoppelt; ersteres entspricht einer Feder. Das federnde 53 und das schwingende Luftvolumen 54 bilden ein Masse-Feder System. Das federnde Luftvolumen 53 wird von einer Luftkammer 51 umfasst und das schwingende Luftvolumen 52 wird von einen kurzen Hals 52 umfasst. Dies entspricht einem Helmholtz-Resonator.
In Fig. 4 ist die Luftkammer 51 , die das federnde Luftvolumen 53 umfasst, bestehend aus dem Konus 511 des Konus-Schallwandlers 11 und einer weiteren Luftkammer 512. Damit besteht das federnde Luftvolumen 53 aus dem Konusvolumen 531 und einem weiteren Luftvolumen 532.
Ein Teil der Begrenzung des Halses 52 der in Fig. 4 dargestellten akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 ist eine Öffnung 551 in einer Platte 55 vor dem ersten Schallwandler 11 , d.h. die Öffnung 551 in einer Platte 55 ist in den Hals 52 integriert. Die Öffnung 551 in der Platte 55 könnte auch der Öffnung 521 des Halses 52 in die Umgebung entsprechen. Die Öffnung in der Platte 551 könnte aber auch ganz dem Hals 52 entsprechen. Der Hals 52 könnte aber auch auf eine andere Art gebildet worden sein.
Sind mehrere, z.B. alle Mittelton-Schallwandler, alle Tiefmittelton-Schallwandler und/oder alle Tiefton-Schallwandler, in einer Schallwandler-Anordnung 1 mit einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 gekoppelt, kann eine Platte 55 vor der Schallwandler-Anordnung 1 mehrere Öffnungen 551 aufweisen, die jeweils als Öffnungen 521 der Hälse 52 der verschiedenen akustischen Tiefpass- Filtervorrichtungen 5 dienen oder in die Hälse 52 der akustischen Tiefpass- Filtervorrichtungen 5 integriert sind.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Hals 52 als Rohr ausgebildet, insbesondere hat der Hals 52 einen kreisförmigen Querschnitt. Er könnte aber auch einen anderen, z.B. einen polygonalen Querschnitt aufweisen. Die Öffnung des Halses kann aber auch eine andere Form aufweisen, die insbesondere durch die Bauart der Schallwandler-Anordnung insgesamt bestimmt sein kann oder sich aus der Bauart ergibt.
Das akustische Zentrum des ersten Schallwandlers 11 wandert durch Kopplung mit der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 zum Ende des Flalses 52 der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5, in dem das schwingende Luftvolumen 54 die obere Grenzfrequenz der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 bestimmt.
In dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel wird das akustische Zentrum des ersten Schallwandlers 11 mittels der gekoppelten akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 5 in Ausbreitungsrichtung 3111 oder durch den ersten Schallwandler 11 erzeugten Elementarwelle 311 verschoben.
Die Berechnung der Grenzfrequenz des akustischen Tiefpasses kann analog zur Berechnung der Resonanzfrequenz eines Flelmholz-Resonators erfolgen. Der Wert der Grenzfrequenz der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung soll wenigstens eine Terz bis eine Oktave höher liegen als die elektrische Trennfrequenz einer elektronischen Weiche des entsprechenden Schallwandlers.
Die Resonanzfrequenz berechnet sich nach folgender Formel / = wobei c die
Figure imgf000022_0001
Schallgeschwindigkeit, S den Querschnitts der Öffnung des Flalses, L die Länge des Halses und V das durch das Volumen der federnden Luftmasse darstellen. Zusätzlich ist die Mündungsöffnungskorrektur zu beachten, weil ein Teil der vorgelagerten Luft zur schwingenden Masse gerechnet werden muss.
Die Berechnung der Grenzfrequenz dieser akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung kann analog zur Berechnung der Resonanzfrequenz eines Helmholtz Resonators erfolgen. Diese berechnet sich nach der Formel wobei c die
Figure imgf000022_0002
Schallgeschwindigkeit in m/s, S die Fläche der Austrittsöffnung des Halses in m2, L die Länge des Halses in m und V das Volumen der federnden Luftmasse in m3 darstellen. Zusätzlich ist die Mündungsöffnungskorrektur zu beachten, weil ein Teil der vorgelagerten Luft zur schwingenden Masse gerechnet werden muss. Die Formel ändert sich dann in doppelte Durchmesser der Öffnung des Halses multipliziert
Figure imgf000023_0001
mit der Länge des Halses der bewegten Luftmasse zugerechnet wird. Dadurch ergeben sich etwas tiefere Werte für die Grenzfrequenz.
Das obere Ende des Arbeitsbereiches eines Mittelton-Schallwandlers liegt typischerweise zwischen 1 und 4 kHz. Mit der Grenzfrequenz des angekoppelten akustischen Tiefpasses oberhalb des Übertragungsbereiches des Mitteltonlautsprechers ergibt sich z.B. ein Verhältnis der Fläche der Austrittsöffnung
Figure imgf000023_0002
zum Produkt aus Volumen und Läng ae des Halses — zwischen 100 und 5000. V-L
Fig. 5 zeigt schematisch ein Muster 6 in dem Schallwandler einer Schallwandler- Anordnung angeordnet sind. Dargestellt ist eine Mehrzahl erster Schallwandler 11 , die in einem ersten Gittermuster 611 angeordnet sind, sowie weitere Schallwandler, die in einem zweiten Gittermuster 612 angeordnet sind.
In der dargestellten Form überlagen sich das erste Gittermuster 611 und das zweite Gittermuster 612 sich zu einem gemeinsamen Gittermuster 6.
Die ersten Schallwandler 11 können beispielsweise Mittelton-Schallwandler, Tiefmittelton-Schallwandler und/oder Tiefton-Schallwandler sein. Diese könnten beispielsweise als Konus-Schallwandler realisiert worden sein. Das erste Muster kann, wie in Fig. 5 dargestellt, ein Gittermuster sein, aber auch andere regelmäßige Anordnungen der Schallwandler sind möglich. Auch kann das Muster ein ein-, zwei- oder dreidimensionales Muster sein. Die Tiefpass-Filtervorrichtungen 5, die mit den ersten Schallwandlern 11 gekoppelt sind, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nur mit ihrer Mündungsöffnung dargestellt. Innerhalb der Mündungsöffnung kann auch ein zweiter Schallwandler 12 montiert sein, wenn sein Einfluss in die Berechnung des Tiefpasses einbezogen wird. In dem ersten Muster 611 können beispielsweise Schallwandler eines ähnlichen Bautyps oder eines ähnlichen Arbeitsbereiches analoge Positionen einnehmen.
Die weiteren Schallwandler können beispielsweise Hochton-Schallwandler, Tiefton- Schallwandler und/oder Mittelton-Schallwandler sein. Beispielsweise können weitere Schallwandler als Kalotten-Schallwandler realisiert worden sein.
In dem zweiten Muster 612 können weitere Schallwandler eines ähnlichen Bautyps oder eines ähnlichen Arbeitsbereiches ähnliche oder sich wiederholende Position einnehmen. Ihre Position kann aber auch von dem regelmäßigen Raster abweichen, wenn Laufzeiten und Pegel für Ihre Ansteuerung entsprechend auf die Koordinaten des regelmäßigen Rasters interpoliert werden. Wie in DE 10 2009 006 762 A2 beschrieben, können Aliasing Effekte im oberen Wiedergabefrequenzbereich auf diese Weise reduziert werden.
Das erste und das zweite Muster können eine Überlagerung zweier Gittermuster darstellen oder sich zu einem gemeinsamen Gittermuster vereinen. In diesem Gittermuster können Schallwandler eines ähnlichen Typs (z.B. Konus- bzw. Kalotten- Lautsprecher) oder eines ähnlichen designierten Übertragungsbereichs (z.B Hochton- Mittelton- und/oder Tieftonschallwandler) analoge Positionen einnehmen.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels erläutert werden. Andere Ausführungen, auch mit einer anderen Aufteilung der Frequenzbereiche, sind möglich.
Fig. 6 zeigt ähnlich zur Ausführungsform gemäß Fig. 3 eine Schnittansicht einer Schallwandler-Anordnung 1 oder eines Schallwandler-Moduls 7. Die Beschreibungen aus Fig. 3 lassen sich auf die hier gezeigte Darstellung übertragen.
Zusätzlich sind in Fig. 6 die Richtcharakteristiken 3121 der zweiten Schallwandler, die hier wie in Fig. 3 als Kalotten-Schallwandler dargestellt sind, eingezeichnet. Die Ausbreitungsrichtungen der durch die ersten und zweiten Schallwandler erzeugten Elementarwellen verlaufen parallel zueinander. Hochton-Schallwandler können nur dann in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlen, wenn ihr Membrandurchmesser kleiner als die Wellenlänge des zu erzeugenden Schalls ist. Bei 16 kHz sind das nur 2,15 cm. Mit einer so geringen Membranfläche lässt sich aber am unteren Ende ihres Wiedergabebereiches nur wenig Schalldruck erzeugen. Hier muss immer ein Kompromiss zwischen gleichmäßiger räumlicher Abstrahlung, maximalem Schalldruck und unterer Grenzfrequenz des Übertragungsbereiches gefunden werden. Eine möglichst tiefe Crossover Frequenz zu den Mittelton-Schallwandlern ermöglicht wiederum einen größeren Abstand zwischen den einzelnen Mittelton-Schallwandlern, weil hier Aliasing Effekte im Crossover Bereich vermieden werden müssen. Dieser größere Abstand ermöglicht dann auch größere Membrandurchmesser, was dann eine effizientere Wiedergabe am unteren Ende des Wiedergabefrequenzbereiches der Mittelton-Schallwandler ermöglicht.
Die Abstrahlcharakteristik von Hochton-Schallwandlern ist nicht in alle Richtungen konstant, bei bestimmten Frequenzen sind richtungsabhängig deutliche Einbrüche in der Abstrahlung unvermeidlich. Dies ist in Fig. 6 durch die unregelmäßige Form der Richtcharakteristiken 3121 dargestellt. Diese Probleme nehmen mit dem Membrandurchmesser prinzipbedingt zu. Für weit von der Schallwandler-Anordnung entfernte Zuhörer ist der Raumwinkel benachbarter Schallwandler nahezu gleich. Das führt bei den betreffenden Frequenzen zu einer, von der jeweiligen Position des Zuhörers im Wiedergabebereich abhängigen Nichtlinearität im Frequenzgang der Wiedergabe.
Diese Nichtlinearität kann nicht durch Entzerrung des Gesamtsignals ausgeglichen werden, weil dies mit einer Überbetonung der betreffenden Frequenz auf anderen Plätzen verbunden wäre. Mit Bezug auf Fig. 7 wird erläutert, wie der beschriebene Effekt reduziert werden kann.
Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht eines zu Fig. 6 vergleichbaren Aufbaus. Im Gegensatz zu dem Aufbau in Fig. 6 sind die Montagerichtungen der zweiten Schallwandler 12 verändert. Insbesondere sind zweite Schallwandler 12, die im beispielhaften Aufbau für den Hochtonbereich genutzt werden können, abweichend von der Hauptachse 81 des Systems unterschiedlich ausgerichtet. Dies hat zum Ziel, die Wiedergabe für entfernte Zuhörer, die sich weit abseits der Hauptachse in der Abstrahlrichtung des Schallwandler-Anordnung 1 befinden, zu linearisieren.
In der beispielhaft gezeigten Ausführungsform sind die Hochton-Schallwandler 12 nicht parallel auf einer Platte sondern leicht geneigt aufgebracht, dadurch sind die Neigungswinkel der Hochton-Schallwandler leicht unterschiedlich und weichen insbesondere von der Hauptachse 81 des Systems ab.
Diese zufällig verteilte, leichte Abweichung der Montagerichtung der Hochton schallwandler 12 kann den mit Bezug auf Fig. 6 beschriebenen Effekt reduzieren. Obwohl wie in dem durch Fig. 6 dargestelltem Szenario die Abstrahlcharakteristik von Hochton-Schallwandlern 12 nicht in alle Richtungen konstant ist, wie durch die unregelmäßige Form der Richtcharakteristiken 3121 dargestellt, sind nun von einem bestimmten Zuhörerplatz aus gesehen nicht mehr alle Hochtonlautsprecher gleich ausgerichtet. So kann vermieden werden, dass ein ausgedehnter Bereich der Schallwandler-Anordnung mechanisch genau in der Richtung zum Zuhörer steht, in der die Abstrahlung einer bestimmten Frequenz deutlich reduziert ist.
Fig. 8 zeigt beispielhaft den Aufbau Schallwandler-Moduls, das hier als drei Wege Modul dargestellt ist, nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese
Das obere Frequenzspektrum des Audioübertragungsbereiches wird im beispielhaften Aufbau mit Kalotten-Schallwandlern 72 realisiert. Für das mittlere Frequenzspektrum werden Konus-Schallwandler 71 verwendet und der Bassbereich wird als doppelt ventilierter Bandpass 731 , 732 ausgeführt.
Die in Fig. 8 gezeigten Kalotten-Schallwandler haben eine sehr geringe Gesamttiefe. Sie sind in Gruppen auf Leiterplatten montiert, die sie über Steckverbinder mit den Verstärkern an der Rückseite der Module verbinden. Ihr Abstand zueinander ist so gewählt, dass bis in den Forman Bereich der Vokale eine von Aliasingeffekten weitgehend freie Wiedergabe gewährleistet ist. Sie gewährleisten in ihrem Arbeitsbereich eine Halbraumabstrahlung ohne tiefe Einbrüche in der direktionalen Richtcharakteristik. Prinzipiell ist die Erfindungsgemäße Lösung aber nicht auf die Verwendung dynamischer Schallwandler begrenzt.
An der oberen Frequenzgrenze ihres Arbeitsbereiches liegt der Membrandurchmesser der Membrandurchmesser von Hochton-Schallwandlern im Bereich der abgestrahlten Wellenlänge. Hier sind sie deshalb relativ gut an den Arbeitswiderstand der Luft angepasst und die Phasenlage des Signals kann sich zwischen benachbarten Schallwandlern deutlich unterscheiden. Deshalb ist hier nicht mit einer Verbesserung des Wirkungsgrades aufgrund verbesserter Anpassung im Vergleich zu jedem einzelnen Schallwandlern zu rechnen.
Dagegen sind die Phasenunterschiede zwischen benachbarten Schallwandlern an der unteren Frequenzgrenze ihres Arbeitsbereiches gering. Die Wellenlänge des Signals ist um ein Mehrfaches größer als ihr Membrandurchmesser. Hier kommt deshalb der Vorteil der besseren Anpassung der Gruppe an den Lastwiderstand des Übertragungsmediums im Vergleich zum einzelnen Schallwandler zum Tragen. Der Wirkungsgrad steigt deutlich gegenüber dem eines gleichen Einzelstrahlers und das Gewicht der nun auf der Kalotte lastenden Luftsäule verschiebt ihre Eigenresonanz deutlich nach unten. Die sonst notwendige Ankoppelung des Schallwandlers etwa eine Oktave oberhalb seiner Eigenresonanz kann in den Bereich nahe seiner Freiluftresonanz nach unten verschoben werden.
Der verbesserte Wirkungsgrad trägt dann dazu bei, dass die Schallwandler-Anordnung 1 höhere maximale Schalldruckpegel erzeugen kann, als dies bei konventionellen PA Lautsprechern möglich ist. Wegen der verteilten Anordnung der Schallwandler entsteht nicht das Problem, dass die Luft vor der kleinen Membranfläche eines Hochton- Schallwandlers bis in den Bereich der Nichtlinearität komprimiert werden muss, um auch in einem großen Publikumsbereich noch den bei Live Events oft üblichen hohen Schalldruck zu erzeugen. Das begrenzt den theoretisch möglichen maximalen Schalldruckpegel konventioneller Lautsprecheranlagen.
Vor der größeren Gesamtfläche der erzeugenden Treiber in der flächigen Schallwandler-Anordnung 1 nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese bleibt der Schalldruck vor jedem einzelnen Schallwandler viel geringer, so dass bei entsprechender Auslegung der Verstärker und Treiber im Publikumsbereich ein deutlich höherer Schalldruck erzeugt werden kann, ohne das die Nichtlinearität der Kompressionskurve der Luft zu Nichtlinearitäten im wahrgenommenen Audiosignal führt.
Zudem erleichtert der verbesserte Wirkungsgrad in der flächigen Schallwandler- Anordnung 1 die Auswahl der Schallwandler für den angrenzenden Frequenzbereich deutlich. Ihr Abstand zueinander soll wiederum geringer sein, als die Wellenlänge an der Obergrenze ihres Übertragungsbereiches. Das lässt sich wegen der relativ tiefen Ankoppelung der Hochton-Schallwandler 72 auch praktisch realisieren.
Dabei bleibt der Membrandurchmesser der verwendeten Konus-Lautsprecher in ihrem gesamten Frequenzbereich unterhalb der abgestrahlten Wellenlänge. Am unteren Bandende ist die Wellenlänge des Signals um mehr als eine Zehnerpotenz größer als jede einzelne Membran, so dass sie hier völlig fehlangepasst wäre, wenn sie nicht in der Gruppe mit den benachbarten Schallwandlernarbeiten würde. Im Bassbereich hat die verbesserte Anpassung der Gruppe deshalb eine sehr deutliche Steigerung des Wirkungsgrades, vergleichbar mit der besseren Anpassung der Treiber in Hornlautsprechern, zur Folge.
Jedoch reichen Treiber mit dem Membrandurchmesser, der sich aus ihrem relativ geringen Abstand zueinander ergibt, nicht aus, um im Tiefbassbereich den extremen Schalldruck zu erzeugen, wie er heute im PA Bereich als unverzichtbar betrachtet wird. Die Eigenresonanz dynamischer Lautsprecher mit entsprechendem Durchmesser liegt meist deutlich über 100 Hz, wenn sie die im PA Bereich geforderte hohe Kennempfindlichkeit haben. Unterhalb der Eigenresonanz fällt die Schalldruckkurve deutlich steiler, als es der Anstieg durch den Wirkungsgrad der Gruppe kompensieren kann.
Die zwei-Wege Module könnten zwar wie üblich externe Subwoofer ergänzt werden. Jedoch hat eine Integration des Subbassbereiches in eine Wellefeldsynthese- Schallwandler Fläche signifikante Vorteile, wenn eine größere Anzahl von Modulen zu einer Schallwandler Fläche kombiniert werden. Neben der besseren Anpassung lässt sich mit einer ausreichend großen Wandfläche auch eine deutliche Richtwirkung bis in den Tiefbassbereiches erzielen.
Die Wellenlängen des Signals sind im tiefen Bass Bereich so groß, das die Membranauslenkungen bei der Wellenfeldsynthese selbst über mehrere Module weitgehend synchron erfolgen. Trotz ihres großen Durchmessers ist jede einzelne Membran in ihrem gesamten Arbeitsbereich viel kleiner als die Wellenlänge des erzeugten Signals. Deshalb profitiert auch der Wirkungsgrad im Bassbereich von der Anordnung der einzelnen Schallwandler im Modulverband einer zweidimensionalen Strahler Fläche.
Deshalb ist der beispielhafte Aufbau als drei-Wege Modul 7 ausgeführt. Das für den Bass-Schallwandler 73 notwendige Volumen kann dabei nur hinter den Schallwandlern für den Mittel- und Hochtonbereich 71 , 72 angeordnet werden. Dabei entsteht das Problem, das der erzeugte Schalldruck seinen Weg zur Front der flächigen Schallwandler-Anordnung 1 finden muss. Die Kontinuität der vorgelagerten Strahler Fläche darf dabei nur so gering wie möglich gestört werden, weil dadurch Beugungseffekte mit entsprechenden Nebenkeulen in der Richtcharakteristik entstehen.
Wie in der Fig. 8 ersichtlich wird, ist die beispielhafte Lösung deshalb als doppelt ventilierte akustische Bandpass-Filtervorrichtung 731 , 732 ausgeführt. Die beiden nach vorn geführten Kanäle unterbrechen die Struktur der Hochton-Schallwandler 72 und Mittelton-Schallwandler 71 dabei nur in einem noch tolerierbaren Ausmaß, das Funktionsprinzip der doppelt ventilierten ermöglicht aber einen Wirkungsgrad, mit dem der Bassbereich nicht gegen den hohen Schalldruck der vorgelagerten Schallwandler- Anordnung 1 für den Mittel- und Hochtonbereich abfällt. Prinzipiell wäre es auch möglich, Hochtonlautsprecher im Bereich der Öffnungen des doppelt ventilierten Bandpass Systems anzuordnen, wenn sie in die Berechnung des Systems eingehen. Jedoch ist die Luftbewegung in den Kanälen des skizzierten Beispiels so stark, dass dann mit hörbaren Verwirbelungsgeräuschen zu rechnen ist. Der hohe Wirkungsgrad des doppelt ventilierten Bandpass 731 , 732 Bass- Schallwandlers ist prinzipbedingt mit der eingeschränkten Bandbreite und einer Nichtlinearität des Phasenganges verbunden.
Bei der abgestrahlten Wellenlänge von mehreren Metern können beide Öffnungen in der Front aber nahezu als gemeinsames akustisches Zentrum betrachtet werden. Damit ist eine zeitliche Korrektur möglich, ohne dass im Übergangsbereich ein inhomogenes Feld entsteht. Jedoch erhöht eine zeitliche Korrektur bei den großen Wellenlängen in dem Bereich die Latenz des Systems deutlich. Das wird bei jeder Live Performance zum Problem. Hier muss abgewogen werden, ob eine geringe Latenz des Systems oder ein linearer Phasengang Vorrang hat. Hier sind Kompromisse oder verschiedene Setups möglich.
Die Wellenlängen des Signals sind im tiefen Bass Bereich so groß, das die Membranauslenkungen bei der Wellenfeldsynthese selbst über mehrere Module weitgehend synchron erfolgen. Trotz ihres großen Durchmessers ist jede einzelne Membran in ihrem gesamten Arbeitsbereich viel kleiner als die Wellenlänge des erzeugten Signals. Deshalb profitiert auch der Wirkungsgrad im Bassbereich von der Anordnung der einzelnen Schallwandler im Modulverband einer zweidimensionalen Strahlerfläche.
Grundsätzlich kann man von einer zweidimensionalen Schallwandler-Anordnung sprechen, wenn die einzelnen Schallwandler nicht nur in einer Reihe (linear) angeordnet sind. Dabei kann z.B. ein leichter Versatz einzelner Schallwandler senkrecht zur linearen Erstreckung in der Regel vernachlässigt werden.
Wenn von einer dreidimensionalen Schallwandler-Anordnung gesprochen wird, kommt es neben der flächigen Anordnung auch auf die Anordnung einzelner Schallwandler senkrecht zu der Fläche an. Auch kann die gesamte Fläche gebogen oder gekrümmt sein.
In diesem Sinne können die oben beschriebenen Ausführungsformen z.B. gemäß Fig. 8 als dreidimensionale Schallwandler-Anordnungen bezeichnet werden. Bei diesen Ausführungsformen kommt es auf den relativen Abstand der einzelnen Schallwandler zueinander durchaus an.
In Fig. 9 ist beispielhaft ein modulares Schallwandlersystem dargestellt, bei dem eine Vielzahl von Schallwandler-Anordnungen - wie oben beschrieben - als Module verwendet werden. Grundsätzlich kann das Schallwandlersystem mehr Spalten und / oder mehr Zeile haben.
In der Fig. 10 ist eine Anordnung von mehreren zweiten Schallwandlern 12 dargestellt, die auch im Luftkanal der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung des ersten Schallwandlers 11 montiert sind. Dadurch wird der Luftkanal mit der schwingenden Luftmasse 54 in mehrere Teilbereiche zergliedert. Die gesamte Luftmasse im Luftkanal bleibt dabei unverändert. Jedoch entsteht nicht mehr ein einziges akustisches Zentrum der akustischen Tiefpassfilter-Vorrichtung, sondern mehrere Luftaustritte 56. Jeder dieser Luftaustritte 56 bildet nach Huygens Prinzip den Ausgangspunkt einer Elementarwelle 57.
Diese Elementarwellen 57 weisen in der schematischen Darstellung jeweils den gleichen Radius auf, haben also die gleiche zeitliche Verzögerung wie die Elementarwelle, die vom akustischen Zentrum des ersten Schallwandlers 58 ausgeht. Es wird deutlich sichtbar, dass diese Elementarwellen 57 mit wachsender Abweichung von der Mittellinie deutlich von der Elementarwelle 59 eines der zweiten Schallwandler 12 im akustischen Zentrum des ersten Schallwandlers 11 divergieren. Jedoch bleiben sie symmetrisch um diese Elementarwelle 59 verteilt. Dies bedeutet, dass das Druckmaximum der Wellenfront der von den mehreren akustischen Zentren (d.h. akustische Zentren an den Luftaustritten der verteilten Kanäle der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung) ausgehenden Elementarwellen 57 in Phase mit der einen Elementarwelle 59 ist. Damit bleibt die gemeinsam gebildete Wellenfront homogen. Es entsteht eine gemeinsame synthetisierte Wellenfront 4. Bezugszeichenliste
I Schallwandler - Anordnung
I I erster Schallwandler 12 zweiter Schallwandler
211 akustisches Zentrum des ersten Schallwandlers
212 akustisches Zentrum des zweiten Schallwandlers
311 Elementarwelle des ersten Schallwandlers
312 Elementarwelle des zweiten Schallwandlers
3111 Ausbreitungsrichtung der Elementarwelle des ersten Schallwandlers 3121 Richtcharakteristik des zweiten Schallwandlers
4 synthetisierte Wellenfront
5 akustische Tiefpass-Filtervorrichtung
51 Luftkammer der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung
52 Hals / Verengung des akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung 521 Öffnung des Flalses
53 federndes Luftvolumen
54 schwingende Luftmasse
511 Konus
512 weitere Luftkammer
531 Konusvolumen
532 weiteres Luftvolumen
55 Platte
551 Öffnung in der Platte
56 Luftaustritte
57 Elementarwelle der akustischen Zentren an den Luftaustritten der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung
58 gemeinsames akustisches Zentrum des ersten und zweiten Schallwandlers
BO 59 Elementarwelle des zweiten Schallwandlers im akustischen Zentrum des akustischen Tiefpasses des ersten Schallwandlers
6 Muster
611 erstes Muster
612 zweites Muster
7 Drei Wege Modul
71 Mittelton-Schallwandler
711 Kammervolumen des Mittelton-Schallwandlers
72 Kalotten-Schallwandler
721 Dom des Kalotten-Schallwandlers
73 Bass-Schallwandler
731 vorderer Kanal des Bandpasses 7311 vorderes Volumen des Bandpasses
732 hinterer Kanal des Bandpasses 7321 hinteres Volumen des Bandpasses
8 Richtung zu einem weit entfernten Zuhörer 81 Hauptachse der Schallwandler-Anordnung
9 Elementarwellen der zweiten Schallwandler
Bl

Claims

Patentansprüche
1. Schallwandler-Anordnung nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese oder einem Beamforming Verfahren, insbesondere zur Ausrichtung mindestens einer Schallwellenfront, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Schallwandler (11) mit jeweils einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung (5) gekoppelt ist.
2. Schallwandler-Anordnung (1) nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine akustische Tiefpass-
Filtervorrichtung (5) eine mechanische Vorrichtung aufweist.
3. Schallwandler-Anordnung (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine akustische Tiefpass-
Filtervorrichtung (5), ein federndes Luftvolumen (52) in einer Luftkammer (51) vor dem jeweiligen ersten Schallwandler (11) aufweist.
4. Schallwandler-Anordnung (1) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Konusvolumen (511) des mindestens einen ersten Schallwandlers (11 ) Teil der Luftkammer (51 ) ist oder dieser entspricht.
5. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine akustische Tiefpass-Filtervorrichtung (5), eine schwingende Luftmasse (54) in einem Hals oder einer vergleichbaren Verengung des Luftaustrittes (52) aufweist.
6. Schallwandler-Anordnung (1) nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung (551) in einer Platte (55) vor dem jeweiligen mindestens einem ersten Schallwandler (11) als Öffnung (54) des Halses (52) der mindestens einen akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung (5) oder als der Hals (52) selbst ausgebildet ist.
7. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der Patentansprüche 5 bis 6, dadurch kennzeichnet, dass der Hals (53) der mindestens einen akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung (5) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
8. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der Patentansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hals (53) der mindestens einen akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung (5) einen polygonalen Querschnitt aufweist oder einer Öffnung in der Schallwandler-Anordnung (1 ) entspricht, die vor dem mindestens einem ersten Schallwandler (11) angeordnet ist.
9. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Schallwandler (11) als Mittelton-Schallwandler, als Tiefmittelton-Schallwandler und / oder Tiefton-Schallwandler ausgebildet ist.
10. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von ersten Schallwandlern (11) gleicher oder unterschiedlicher Bauart in einem ersten Muster (611) relativ zueinander, insbesondere in einem Gittermuster angeordnet sind.
11.Schallwandler-Anordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Schallwandler (12), insbesondere Hochton-Schallwandler in einem zweiten Muster (612) relativ zueinander, insbesondere in einem Gittermuster angeordnet sind.
12. Schallwandler-Anordnung (1) nach Anspruch 10 und 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Muster (611) und das zweite Muster (612) eine Überlagerung zweier Gittermuster (6) darstellt.
BB
13. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine akustische Tiefpass-Filtervorrichtung (5) einen Helmholtz-Resonator (5) aufweist.
14. Schallwandler-Anordnung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Helmholtz-Resonator (5) die Eigenschaft hat, dass der Zahlenwert des Verhältnisses der Fläche der Austrittsöffnung (54) zum Produkt aus Volumen seiner Luftkammer (51) und der Länge seines Halses
Figure imgf000036_0001
(53) zwischen 100 bis 5000 liegt, wobei die Fläche und das Volumen in
Quadrat- beziehungsweise Kubikmetern, und die Länge des Halses in Metern angegeben ist.
15. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen
Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die akustischen Zentren (211) der ersten Schallwandler (11) und der jeweils damit gekoppelten akustischen Tiefpass-Filtervorrichtungen (5) und die akustischen Zentren (212) von zweiten Schallwandlern (12) der Schallwandler-Anordnung (1) in einer Fläche, insbesondere einer Ebene angeordnet sind.
16. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen
Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die mindestens eine akustische Tiefpass-Filtervorrichtung (5) das erste akustische Zentrum (211) des jeweiligen ersten Schallwandlers (11) verlagerbar ist, insbesondere zur Einstellung der räumliche Abstrahlcharakteristik der Schallwandler-Anordnung (1) für eine homogene Struktur der Elementarwellen (312, 311) der Schallwandleranordnung.
17. Schallwandler-Anordnung (1) nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Verlagerung des ersten akustischen
Zentrums (211) des mindestens einen ersten Schallwandlers (11) kollinear ist zu der Ausbreitungsrichtung einer durch die mindestens einen ersten Schallwandler (11) erzeugten Elementarwelle (311).
18. Schallwandler-Anordnung (1) nach Patentanspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die das verlagerte akustische Zentrum (211) des mindestens einen ersten Schallwandlers (11) auf der Ebene der Höhe eines zweiten Schallwandlers (12) der Schallwandler-Anordnung (1) liegt und/oder dass das akustische Zentrum (212) eines zweiten Schallwandlers (12) der Schallwandler-Anordnung (1) auf der Ebene der Höhe des verlagerten akustischen Zentrums (211) liegt.
19. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerung mindestens eines zweiten Schallwandlers (12), insbesondere eines Hochton- Schallwandlers der Schallwandler-Anordnung (1) eingerichtet ist, um eine zusätzliche Phasendrehung eines Signals des mindestens einen ersten Schallwandlers (11) ,(5) und (211), die durch Koppelung mit der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung (5) entsteht, auszugleichen, damit sich die Elementarwellen (311 , 312) zu einer gemeinsamen Wellenfront (4) überlagern.
20. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen
Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz der mindestens einen akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung (5) oberhalb einer Crossover Frequenz eines Übertragungsbereichs des jeweiligen mindestens einen ersten Schallwandlers (11) abstimmbar ist.
21.Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen
Patentansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang eines Luftkanals mit seiner schwingenden Luftmasse, der als akustisches Zentrum Ausgangspunkt der Elementarwelle des mindestens einen ersten Schallwandlers zusammen mit einem Lautsprecherchassis und dem akustischem Tiefpass ist in der Ebene der akustischen Zentren von zweiten Schallwandlern, insbesondere von Hochton-Schallwandlern endet.
22. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Tiefpass- Filtervorrichtung (5) in Abhängigkeit davon ausgebildet ist, dass mindestens ein zweiter Schallwandler die Grenzfrequenz des mindestens einen ersten Schallwandlers (11) und die der vorgelagertem akustischen Tiefpass- Filtervorrichtung (5) beeinflusst, wenn er ganz oder teilweise im Bereich des Luftaustrittes der akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung (5) montiert ist.
23. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Schallwandler (12), insbesondere für den Hochtonbereich, abweichend von der Hauptachse des Systems unterschiedlich ausgerichtet werden können, mit dem Ziel, die Wiedergabe für entfernte Zuhörer (8), die sich weit abseits der Hauptachse (81) in der Abstrahlrichtung des Arrays befinden, zu linearisieren.
24. Schallwandler-Anordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandler- Anordnung (1) mindestens ein Drei-Wege Modul (7) aufweist, welches Kalotten Hochton-Schallwandler (72) aufweist, die zur Audioübertragung des oberen Frequenzspektrum nutzbar sind, und die in Gruppen auf Leiterplatten so montiert sind, dass ihr Abstand zueinander geringer ist als der Abstand der Mitteltonlautsprecher zueinander, um eine von Aliassing Effekten weitgehend freie Widergabe zu gewährleisteten und - welches mindestens einen Bass-Schallwandler (73) aufweist, der hinter den Hochton-Schallwandlern (72) und Mittelton-Schallwandlern (71) angeordnet ist, und dessen erzeugter Schalldruck als doppelt ventilierter Bandpass (731 , 732) ausführbar ist.
25. Modulares Schallwandlersystem, gekennzeichnet durch mindestens zwei Schallwandler-Anordnungen (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 25 als Module.
26. Modulares Schallwandlersystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schallwandler-Anordnungen (1 ) so angeordnet sind, dass die Abstrahlflächen der jeweiligen Schallwandler- Anordnungen in einer Ebene angeordnet sind, Teil einer gekrümmten Fläche sind oder eine gekrümmte Fläche approximieren.
27. Verfahren zum Betreiben einer Schallwandler-Anordnung (1 ) nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des mindestens einen ersten Schallwandler Systems (11 ), (5) und (211 ), der Schallwandler-Anordnung (1 ) mit jeweils einer akustischen Tiefpass-Filtervorrichtung (5) gefiltert wird.
28. Verfahren nach Patentanspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine akustische Tiefpass-Filtervorrichtung (5) das akustische Zentrum (211 ) des jeweiligen mindestens einen ersten Schallwandlers (11 ) verlagert.
29. Verfahren nach einem der Patentansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung mindestens einen zweiten Schallwandlers (12), insbesondere Flochton-Schallwandlers, der Schallwandler-Anordnung (1 ) angepasst, insbesondere verzögert wird, um eine zusätzliche Phasendrehung eines Signals des mindestens einen ersten Schallwandlers (11 ) die durch Koppelung des mindestens einen ersten Schallwandlers (11 ) mit der mindestens einen akustischen Tiefpass- Filtervorrichtung (5) entsteht, auszugleichen, damit sich die Elementarwellen (311 , 312) zu einer gemeinsamen Wellenfront (4) überlagern.
30. Verfahren nach mindestens einem der Patentansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Schallwandler (12), insbesondere Flochton-Schallwandler, der Schallwandler-Anordnung (1 ) im Bereich seiner Freiluftresonanz angekoppelt wird, und nicht wie üblich eine Oktave über seiner Eigenresonanz, wobei die verbesserte Anpassung der Schallwandler in der Schallwandler-Anordnung (1) an den Lastwiderstand der Luft in einer Schallwandler-Anordnung (1) nach dem Prinzip der Wellenfeldsynthese genutzt wird.
31. Verfahren nach mindestens einem der Patentansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass im Tiefbassbereich eine zeitliche Korrektur zwischen Tiefton-Bereich zum Tiefmittelton-Bereich vorgenommen wird, um den Phasengang zu verbessern, wobei verschiedene Setups entweder den einen möglichst linearen Phasengang oder eine möglichst geringe Latenz des Systems oder einen Kompromiss zwischen beiden bevorzugen können.
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