DE10140646C2 - Verfahren und Vorrichtung zur gerichteten Audio-Beschallung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen, mit denen akustische Signa­ le (wie z. B. Sprache, Musik) erzeugt werden können. Insbe­ sondere betrifft die Erfindung Vorrichtungen, bei denen die aku­ stischen Signale im wesentlichen in eine Richtung gebündelt abgestrahlt werden.

Herkömmliche Vorrichtungen sowie Systeme, bei denen im Hörbereich liegende Schallwellen als Luftschwingung direkt über Einzellaut­ sprecher oder auch einem Lautsprecherarray abgestrahlt werden, können nur eine relativ begrenzte Bündelung der Schallabstrahlung erreichen. Bei einem neuen Verfahren wer­ den demgegenüber im Hörbereich liegende Schallwellen nicht direkt abgegeben, sondern als Veränderung der Amlitude (Amplitudenmodulation, AM) einer Trägerschwingung sehr hoher Frequenz (Ultraschall). Das zugrundeliegende physika­ lische Phänomen der akustischen Wahrnehmung von Summen- und Differenztönen als Folge nichtlinearer Eigenschaften der Luft wurde bereits von dem Physiker Helmholtz im 19. Jahr­ hundert erkannt und untersucht. Die Anwendung der physika­ lischen Prinzipien zum Bau eines Ultraschall/Audio-Laut­ sprechers werden beschrieben von Yoneyama, Fujimoto, Kawamo und Sasabe in 'The audio spotlight: An application of non- linear interaction of sound waves to a new type of loud- speaker design', in Journal of the Acustic Society of America, 1983, Seite 1532-1536.

Ein Ultraschall/Audio-Lautprecher erzeugt zunächst ein Trä­ gersignal mit einer Frequenz, die über der oberen Hörgrenze des Menschen liegt, also im Ultraschallbereich. Zur Erzeu­ gung hörbarer Schallschwingungen wird das Trägersignal mit den zu übertragenden im Hörbereich liegenden Schallwellen amplitudenmoduliert. Da das Ultraschall-Trägersignal selbst nicht hörbar ist, kann es mit hohem Schalldruck abgestrahlt werden. Bei diesen hohen Schalldrucken verhält sich die Luft nichtlinear und wirkt daher wie ein Demodulator, der das AM-Signal demoduliert und somit im Hörbereich liegende Schallwellen als Luftschwingung im hörbaren Bereich wieder erzeugt. Da die im Hörbereich liegenden Schallwellen in dem Medium Luft selbst erst entstehen, nimmt deren Lautstärke mit dem Abstand vom Sender (Ultraschall-Lautsprecher) zunächst ständig zu und wird dann infolge der Absorption der Luft in größerer Entfernung wieder abnehmen. Dabei ist die zur Abstrahlungsrichtung seitliche räumliche Ausdehnung bzw. Bündelung der generierten im Hörbereich liegenden Schallwellen abhängig von der Bündelung des Ultraschall- Trägersignals (Öffnungswinkel des abgestrahlten Ultrachall- Kegels) und i. a. etwas größer als der Ultraschallbereich. Dies kann insbesondere bei beengten Raumverhältnissen (Fahrzeug-Innenraum) zu unerwünschten Reflexionen an Ge­ genständen führen. Auch die akustische Beschränkung auf nur einen spezifischen Hörer (z. B. Wahl individueller Hörpro­ gramme verschiedener Insassen im Fahrzeug) ist wegen der lateralen Verbreiterung der im Hörbereich liegenden Schall­ wellen kaum erreichbar.

Ein System zur gezielten Beschallung von Teilbereichen ei­ nes Raumes ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 42 30 362 A1 bekannt. Hierbei werden die Signale zweier Ultraschalllautsprecher mit im Hörbereich liegenden Schall­ wellen moduliert. Wird durch einen weiteren Lautsprecher ein unmoduliertes Ultraschall-Trägersignal ausgestrahlt. In denjenigen Teilbereichen des Raumes, in welchen die modu­ lierten Ultraschallsignale mit dem unmodulierten Ultra­ schall-Trägersignal zusammentreffen werden die im Hörbe­ reich liegenden Schallwellen durch Demodulation hörbar.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 196 28 849 A1 wer­ den Richtstrahler beschrieben, mittels welchen die im Hör­ bereich liegenden Schallwellen beschallt werden. Hierbei wird zur gerichteten, gebündelten Beschallung ein Ultra­ schall-Trägersignal durch die im Hörbereich liegenden Schallwellen moduliert. Dies kann beispielsweise durch Modulation der Amplitude des Ultraschall-Trägersignals erfolgen. Das Ultraschallsignal wird mittels eines Parabol- Reflektors gebündelt und auf den Hörer hin ausgerichtet.

Wesentlich ist bei solchen Systemen mit moduliertem Ultra­ schallsignal, dass ein gewisser Abstand zum Sender erfor­ derlich ist, um hörbare Signale zu erzeugen. Der Abstand kann bei praktischen Systemen bei ca. 20 cm bis ca. 1 m liegen, so dass bei Einsatz unter beengten Raumverhältnis­ sen (z. B. in Fahrzeugen) besondere technische Probleme (Einhaltung des Mindestabstands zwischen Ultraschall-Laut­ sprecher und Hörer, gute Justierung des Audio-Schalls auf den jeweiligen Hörer usw.) auftreten können.

Aus der Schrift DE 196 28 849 A1 ist ein Richtstrahler bekannt, der mit einem Parabolreflektor versehen ist, um einen Hörer gerichtet und gebündelt zu beschallen. Der Strahler wird hierzu direkt auf den Hörer hin ausgerichtet.

Ein System zur gezielten Beschallung von Teilbereichen innerhalb eines Gesamtbereichs wird in DE 42 30 362 A1 beschrieben. Hierbei werden über eine Gruppe von Lautspre­ chern mit im Hörbereich liegenden Schallwellen modulierte Ultraschall-Trägersignale auf einen Hörer hin ausgesandt.

Ein weiterer Nachteil besteht in der Notwendigkeit, das Ultraschall-Trägersignal mit hoher Intensität abzustrahlen, da erst bei entsprechend hohem Schalldruck nichtlineare Eigenschaften der Luft auftreten, die für die Demodulation der im Hörbereich liegenden Schallwellen erforderlich sind. Bei praktischen Systemen ist zur Erzeugung von Audio-Schall geringer bis mittlerer Lautstärke bereits ein Ultraschall­ pegel von ca. 130 dB(A) erforderlich. Der übliche Pegel für hörbaren Schall (Musik, Sprache) liegt demgegenüber im Be­ reich von ca. 30 bis 90 dB(A). Gesundheitliche Auswirkungen durch sehr hohe Ultraschallpegel auf den Menschen sind noch nicht abschließend erforscht. Gerade bei Einsatz in Fahr­ zeugen (wo u. U. auch mehrere Ultraschallsender gleichzeitig aktiv sein können um für verschiedene Insassen verschiedene im Hörbereich liegende Schallwellen zu erzeugen) könnten die hohen Ultraschallpegel evtl. zu unerwünschten Neben­ effekten führen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur gerichteten Abstrahlung von Audio- Schall auf der Basis modulierten Ultraschalls zu ent­ wickeln, das die genannten Nachteile bezüglich Audio- Schallbündelung, notwendigem Abstand zwischen Sender und Hörer und hohem Ultraschallpegel weitgehend überwindet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Die Merkmale einer entsprechenden Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren sind in Anspruch 7 aufgeführt. Weitere Einzelheiten der Erfindung und Vorzüge verschiedener Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vor­ richtung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Aus­ führungsform beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die Abbildungen und darin aufgeführten Bezugsziffern.

Es zeigt:

Abb. 1 Ein übliches System zur gerichteten Audio- Beschallung durch Modulation von Ultraschall mit hohem Pegel.

Abb. 2 Ein Diagramm zur Darstellung der Bündelung der Schallabstrahlung in Abhängigkeit von der Frequenz.

Abb. 3 Eine Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren mit einem Reflektor zwischen Schall­ quelle und Hörer.

Abb. 4 Ein Beispiel für einen Einsatz des erfin­ dungsgemäßen Systems in einem PKW.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst mit einem üblichen System ein amplitudenmoduliertes Ultraschall-Si­ gnal von einem Utraschallsender abgestrahlt, wobei sich der Ultraschall in Form eines gebündelten Schallkegels ausbrei­ tet. Abb. 1 zeigt schematisch eine derartige Anord­ nung. Der Ultraschallsender (1) erzeugt das amplitudenmodu­ lierte Trägersignal, das sich in Form eines gebündelten Ultraschallkegels (2) ausbreitet. Durch den hohen Schalldruck innerhalb des Ultraschallkegels wird der Audio-Schall erzeugt (3), ebenfalls in einem kegelförmigen Bereich. Beide Schall-Kegel erreichen den Hörer (4), der sich in einem Abstand zum Sender befindet, der für die Demodulation des Audiosignals erforderlich ist.

In der Regel ist das Trägersignal stärker gebündelt, d. h. der Ultraschall-Kegel hat, wie in Abb. 2 dargestellt, einen kleineren Öffnungswinkel gegenüber dem Bereich des Audio-Schalls. Dabei sind verschiedene Frequenzen des hör­ baren Audio-Schalls im allgemeinen räumlich unterschiedlich stark gebündelt. Abb. 2 zeigt diese räumliche Vertei­ lung der Schallabstrahlung in Abhängigkeit von der Schall­ frequenz. Dargestellt sind Messergebnisse an einem Ultra­ schallsender mit einer Frequenz des Trägersignals von 127 kHz und zwei verschiedenen Frequenzen der in der Luft demodulierten im Hörbereich liegenden Schallwellen. In Y- Richtung ist der gemessene dB-Wert der Leistung und in X- Richtung der Abstrahlwinkel in Grad angegeben. Der Winkel von 90 Grad entspricht in dieser Darstellung der Hauptrich­ tung der Schallabstrahlung (Achse des Schallkegels).

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun verhindert, dass das intensive Ultraschall-Trägersignal das Ohr des Hörers direkt erreicht. Hierzu wird ein Reflektor (5) in einem Abstand vom Ultraschallsender (1) in den Ultraschall- Kegel (2) so eingebracht, dass der Schall in eine neue Richtung umlenkt wird. Abb. 3 zeigt eine entsprechende Anordnung, wobei der Schallkegel des Ultraschall-Trägersignals (2) und der Schallkegel der im Hörbereich liegenden Schallwellen (3) dargestellt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass das vom Reflektor (5) weitergeleitete Audiosignal (3) auf den Hörer (4) gebündelt werden kann. Dies geschieht vorzugswei­ se durch entsprechende Formgebung des Reflektors (5), der beispielsweise als konkave Fläche (Kalotte) ausgebildet ist. Damit kann auch bei beengten Raumverhältnissen (Fahr­ zeug) eine gute Bündelung des reflektierten Schalls (3) auf ein eng begrenztes Raumgebiet (Kopfbereich eines einzelnen Hörers) erreicht werden. Im Idealfall wird nur das Ohr des jeweiligen Hörers erreicht, um weitere Reflexionen am Kopf des Hörers möglichst zu vermeiden.

Durch die Reflexion ist zusätzlich der erforderliche Mini­ malabstand zur Erzeugung des demoduliertenim Hörbereich liegende Schallwellens (3) nicht als direkte, linear freie Distanz zwischen Ultraschallsender (1) und Hörer (4) not­ wendig, sondern kann durch entsprechende Schrägstellung des Reflektors (5) auch so abgewinkelt werden, dass ein evtl. nur geringer verfügbarer Einbauplatz ausreicht. In einer anderen Ausführungsform können auch mehrere Reflektoren (5) nacheinander gestellt sein und aufeinanderfolgend den Schall weiterleiten, so dass die erforderliche Wegstrecke durch Mehrfachreflexion erreicht wird (nicht abgebildet).

Ein besonderer Vorteil besteht in der Möglichkeit, im Hörbereich liegende Schallwellen (3) vom Ultraschall-Trä­ gersignal (2) zu separieren.

Ist der Weg vom Ultraschallsender (1) zum Reflektor (5) ge­ nügend lang, um in der Luft im Hörbereich liegende Schall­ wellen (3) zu erzeugen, so wird das Ultraschall-Träger­ signal (2) nicht mehr benötigt. Damit kann das (intensive) Ultraschall-Trägersignal abgeschwächt werden, so dass den Hörer (4) der Ultraschall nur noch stark reduziert oder überhaupt nicht mehr erreicht. Hierzu kann ein Mittel in den Schallkegel eingebracht werden, das das Ultraschall- Trägersignal (2) selektiv ausblendet bzw. abschwächt.

In der bevorzugten Ausführungsform ist der Reflektor (5) entsprechend so ausgestaltet, dass er selektive Reflexions­ eigenschaften aufweist: der Ultraschall (2) wird am Reflek­ tor (5) aufgrund seiner hohen Frequenz durch Absorption deutlich in seiner Leistung reduziert, während der nieder­ frequente Audio-Schall (3) dagegen nahezu ungeschwächt re­ flektiert wird. Eine solche selektive Dämpfung am Reflektor (5) kann beispielsweise erreicht werden durch eine ultra­ schall absorbierende Beschichtung des Reflektors. Hierfür eignet sich z. B. feinporiges Material. Im einfachsten Fall kann dafür ein dünner Bespannstoff verwendet werden. Die Ultraschall-absorbierende Schicht kann dabei eine kleinere Fläche haben als die gesamte Reflektorfläche, falls der Ultraschall entsprechend eng gebündelt ist und somit nur einen Teil der Reflektorfläche trifft, während der Audio- Schallkegel u. U. etwas ausgedehnter ist.

Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für den Einsatz in kleinen Räumen, z. B. Fahrzeugen. Abb. 4 zeigt schematisch den Einbau des entsprechenden Reflektor- Systems in ein Fahrzeug. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ultraschallsender (1) in das Armaturenbrett (6) einge­ baut. Damit ergeben sich gute Gestaltungsmöglichkeiten bzgl. der notwendigen Einbautiefe, die u. U. auch erforder­ liche Kühlungsvorrichtungen aufnehmen kann. Das in diesem Beispiel schräg nach oben abgestrahlte Ultraschall-Träger­ signal (2) trifft auf den Reflektor (5), der hier im oberen Bereich der Windschutzscheibe (9) angebracht ist, bei­ spielsweise im Übergangsbereich zwischen Windschutzscheibe und Dachhimmel (8) des Fahrzeugs oder als integrierter Teil des Dachhimmels (8). Durch die ultraschallabsorbierende Beschichtung des Reflektors (5) wird das Ultraschall-Trä­ gersignal stark gedämpft, so dass praktisch nur der hörbare Audio-Schall (3) reflektiert wird. Die Oberflächenkrümmung des Reflektors (5) bewirkt zusätzlich eine Fokussierung des Audio-Schalls (3). Die Hauptrichtung der Reflexion ist so eingestellt, dass die reflektierten im Hörbereich liegenden Schallwellen (3) das Ohr des Hörers (4) erreichen. Eine entsprechende Justierung (z. B. zur individuellen Anpassung an die Körpergröße des Hörers oder bei Verstellen der Sitz­ höhe) kann über Stellvorrichtungen am Reflektor (5) und/ oder durch Veränderung der Abstrahlrichtung am Ultraschall­ sender (1) - hier im Armaturenbrett - erfolgen.

Grundsätzlich bietet das erfindungsgemäße Reflektor-System den Vorteil, dass alle Komponenten des Systems, die ein größeres Gewicht und ein entsprechendes Volumen aufweisen, in Bereichen des Fahrraums untergebracht werden können, die größeren Platz bieten. Der Reflektor selbst kann relativ dünn und aus einem leichten Material (z. B. Aluminium, Kunststoff usw.) gefertigt sein. Dies ist auch unter Si­ cherheitsaspekten ein Vorteil, da alle schwereren Komponen­ ten (Ultraschallsender) durch entsprechende Integration in stabile und auch tiefer liegende Bereiche des Fahrzeugs im Falle eines Unfalls entsprechend abgeschirmt sind (Verrin­ gerung der Gefahr von Verletzungen im Kopfbereich).

In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt)kann das Reflektor-System durch eine Sicherheitsvorrichtung derart erweitert werden, dass für den Fall einer Annäherung eines Gegenstands oder einer Person an den Bereich hoher Ultraschallintensität (Ultraschall-Kegel zwischen Ultra­ schallsender und Reflektor) eine automatische Abschaltung bzw. Abschwächung des Ultraschallsignals erfolgt. Die Er­ kennung des Eindringens in den Ultraschall-Kegel kann in üblicher Weise durch Näherungsdetektoren nach dem Stand der Technik erfolgen, z. B. durch Infrarot- oder Ultraschallde­ tektoren.

Das beschriebene Verfahren zur gerichteten Audio-Abstrah­ lung basierend auf einem modulierten Ultraschall-Träger­ signal zeichnet sich aus durch geringen Platzbedarf, hohe Bündelung des Audio-Schalls und Verringerung der Ultra­ schalleinstrahlung auf den Hörer. Es ist insbesondere ge­ eignet für den Einsatz in kleinen Räumen, wie z. B. in Fahrzeugen, wobei bei entsprechender Ausgestaltung auf den einzelnen Plätzen unterschiedliche im Hörbereich liegende Schallwellen angeboten werden können, ohne dass sich akustische Überlagerungen ergeben.

Claims (16)

1. Verfahren zur gerichteten Beschallung eines Hörers (4) mit im Hörbereich liegenden Schallwellen (3) durch Modula­ tion der Amplitude eines Ultraschall-Trägersignals (2) großer Amplitude mit den Schallwellen, das von einem Ultra­ schallsender (1) gebündelt abgestrahlt wird,
wobei die im Hörbereich liegenden Schallwellen (3) mittels eines Reflektors (5) auf den Hörer (4) gerichtet werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ultraschall-Trägersignal (2) vor Erreichen des Hörers (4) durch ein auf dem Weg zwischen Ultraschall- Sender (1) und Hörer (4) eingebrachtes Mittel gedämpft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Dämpfung der Reflektor (5) herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die Dämpfung des Ultraschall-Trägersignals (2) durch Absorption erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die im Hörbereich liegenden Schallwellen (3) durch die Reflexion fokussiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Haupt-Abstrahlrichtung der reflek­ tierten im Hörbereich liegenden Schallwellen (3) verändert werden kann, durch Verstellen oder Schwenken des Reflektors (5) und/oder des Ultraschallsenders (1).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Annäherung/Eindringen eines Gegen­ stands oder einer Person in den Bereich zwischen Ultra­ schallsender (1) und Reflektor (5) das Ultraschall-Träger­ signal (2) in der Intensität verringert oder abgeschaltet wird.

7. Vorrichtung zur gerichteten Beschallung eines Hörers (4) mit im Hörbereich liegenden Schallwellen (3), wobei ein Ultraschallsender (1) ein mit diesen Schallwellen amplitu­ denmoduliertes Ultraschall-Trägersignal (2) großer Ampli­ tude gebündelt abstrahlt,
und ein Reflektor (5) vorhanden ist, der die im Hörbereich liegende Schallwellen (3) in Richtung auf den Hörer (4) reflektiert,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf dem Weg zwischen Ultraschall-Sender (1) und Hörer (4) ein Mittel eingebracht ist, das die Intensität des Ultraschall-Trägersignals (2) vor Erreichen des Hörers (4) stark verringert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Verringerung der Intensität des Ultra­ schall-Trägersignals (2) durch den Reflektor (5) gebildet wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Reflektors (5) eine Krümmung aufweist, dergestalt, dass die im Hörbereich liegenden Schallwellen (3) in Richtung auf den Hörer (4) fokussiert werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, dass das Mittel die Intensität des Ultraschall-Träger­ signals durch Absorption verringert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel als Schicht auf die reflektierende Ober­ fläche des Reflektors (5) aufgebracht ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht nur auf einem Teil der reflektierenden Oberfläche des Reflektors (5) angebracht ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel aus einem feinporigen Material, z. B. Stoff, besteht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Stell- bzw. Schwenkvorrichtungen vor­ handen sind, mit denen der Ultraschallsender (1) und/oder der Reflektor (5) mechanisch verstellt werden kann, so dass sich die Richtung der im Hörbereich liegenden Schallwellen (3) verändert.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Detektoren vorhanden sind, die ein Eindringen eines Gegenstands oder einer Person in den Be­ reich zwischen Ultraschallsender (1) und Reflektor (5) erfassen und eine Verringerung der Intensität bzw. ein Abschalten des Ultraschall-Trägersignals (2) bewirken.

16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, zur gerichteten Beschallung von Insassen eines Fahrzeugs mit im Hörbereich liegenden Schallwellen.