Directional and Focused Sound
Wolfgang Reithmeier
1. Was ist Gerichteter Sound - Eine Einführung
Unter gerichtetem oder focusierten Ton, versteht man Verfahren die es ermöglicht Schallewellchen und damit Töne gezielt an einen bestimmten Bereich zu senden und die Umgebung vom Mithören auszuschleißen. Das entspricht dem Effekt eines Scheinwerfers in einem Theater, der nur einen bestimmten Bereich ausleuchtet und die Umgebung im Dunkeln lässt. Um diese Art der Ausbreitung von Schallwellen zu erreichen gibt es zurzeit verschiedene Verfahren, die im Folgenden näher erläutert werden sollen. Allen gemeinsam ist das Problem, dass sich Schallwellen, welche sich im Frequenzraum des menschlichen Hörens (20 bis 22kHz) befinden im Raum 3-dimensional zu ihrer Ursprungsquelle ausbreiten und damit nicht gebündelt werden können wie es bei Licht im extremsten fall mit einem Laser möglich ist. Das liegt daran, dass der Ausbreitungswinkel der Schallwellen abhängig von Verhältnis der Wellenlängen zum Durchmesser der Öffnung des Lautsprechers ist. Daher müsste ein Lautsprecher, der ein geradliniges Ausbreiten der Schallwellen ermöglicht, die Größe eines Hauses haben [1].
2. Methoden
Nun gibt es, wie bereits erwähnt mehrere Methoden um das Problem zu lösen, und dabei einen Lautsprecher zu benutzen der nicht all zuviel platz und Strom benötigt.
2.1 Ultraschall Sound
Ein sehr effektives, wenn auch nicht ganz ausgereiftes System, um den gewünschten Effekt hervorzurufen, ist das Erzeugen von so genannten "Sound Beams" mit Hilfe von hochfrequenten Ultraschallwellen [2]. Da aber die Ultraschallwellen so hohe Frequenzen, meist um die 60kHz [5] , kann man sie mit wesentlich kleineren Lautsprechern ausstrahlen, um einen gerichteten Sound zu erreichen. Natürlich können normale Lautsprecher so hohe Frequenzen nicht generieren, dafür sind spezielle Transducer, also Wandler die elektrische Signale in Schallwellen, sprich Luftvibrationen umwandeln, notwendig. [3]
2.1.1 Funktionsweise
Ultraschallwellen liegen zwar normaler Weise außerhalb des menschlichen Hörbereichs, es ist jedoch möglich durch das Phänomen der Intermodulation, mehrere Ultraschallwellen so zu kombinieren, dass man die eigentlich gewünschte längere und damit hörbare Schallwelle wiedergewinnt. Die Intermodulation bezeichnet, den Effekt, der auch bei normalen Lautsprechern zu beobachten ist, das Verzerren von Musik bei zu hoher Lautstärke. Dieser Effekt wird im Übrigen auch in Rockmusik für den "Overdrive" von Elektrogitarren benutzt. Das Prinzip der Intermodulation wurde bereits 1863 wissenschaftlich von Herman von Helmholtz, am Beispiel der Orgel untersucht. Dabei fand er heraus, dass wenn zwei Orgeltöne gleichzeitig und mit kräftigem Anschlag gespielt werden mehrere Töne entstehen. Dabei entstehen neben den natürlichen Obertönen, welche ja bei den meisten Instrumenten stehts vorhanden sind, so genannte "Combinationstöne". Diese zerteilte er in zwei Klassen. Die erste Klasse, die Differenzttöne, welche sich dadurch auszeichnen, "dass ihre Schwingungszahlen gleich sind den Differenzen zwischen den Schwingungszahlen der primären Töne", die vor ihm schon die Musiker Sorge und Tartini entdeckt hatten. Die zweite Klasse die von Hermholtz entdeckten "Summationstöne", deren " Schwingungszahlen sind gleich der Summe der Schwingungszahlen der primären Töne" [6]. Präziser gesagt: Werden zwei Schallwellen mit sehr hohem Schalldruck abgestrahlt, so kommt es zum Auftreten der oben erwähnten Intermodulation und den damit erwähnten zusätzlichen neu hinzukommenden Schallwellen, der Differenz und der Summe aus den beiden ursprünglichen Schallwellen. Eben diese Eigenschaft wird auch bei der Generierung von gerichtetem Sound mit Hilfe von Ultraschallwellen benutzt. Dabei werden Ultraschallfrequenzen mit einem Schalldruck von ca. 120Db benutzt, die frequenzmäßig nahe bei einander liegen. [2]. Scheint diese Lautstärke auch recht hoch, ist dass im ersten Augenblick vernachlässigbar, da sie außerhalb des menschlichen Hörbereichs befindet. Nahe bei einander liegen müssen die Ultraschallwellen, damit die Differenzfrequenz sehr niedrig ausfällt und somit hörbar wird (unter 20.000Hz). Hierzu werden die Frequenzen so gewählt, dass die Differenzfrequenz beider Wellen die gewünschte niederfrequente Schallwelle ergibt. Anschaulich und vereinfachend gesagt, will man z.B. ein mittleres C, welches bei einer Frequenz von 263Hz liegt, senden, so strahlt man eine Ultraschallfrequenz mit 200.263 Hz und eine mit 200.000 Hz aus, mit oben erwähnten Schalldruck. Während die Kombinationsfrequenz beider Wellen bei 400.263 Hz liegt, ist die Differenz beider 263Hz, also wieder das gewünschte mittlere C. [3] So ist es möglich alle beliebigen Töne, in Form von Ultraschallwellen zu codieren mit Hilfe vieler kleiner Transducer, welche nebeneinander bzw. übereinander in ein so genanntes "Parametric Array" [2] zusammengeschlossen werden, um komplexe Wellenformen bilden [2]. Wählt man nun die Phasen der einzelnen Wellen geschickt [2], so erreicht man eine Auflösen der Wellen zur Seite hin, durch destruktive Interferenz und ein Erhalten bzw. Verstärken des Schallwellen nach vorne hin. [2] Damit nimmt die Lautstärke bis zu einem Gewissen grad mit dem Abstand zum Sender zu [7] und nicht ab, wie es bei herkömmlichen Lautsprechern der Fall ist.
2.1.2 Probleme und Vorteile
Ein schwerwiegendes Problem ist es jedoch, dass nicht bekannt ist wie sich Ultraschallwellen bei so hoher Dynamik auf den Menschen auswirken, vor allem ob sie Schaden auf das menschliche Hörvermögen nimmt. (4,7) Auch ist ein bestimmter Mindestabstand von Transducer notwendig, der zwischen 20cm und 1m liegt, je nach System. [7] Ebenso haben die oben erwähnten Systeme Probleme bei der Wiedergabe sehr langer Schallwellen, wie Basstönen, was hauptsächlich an den verwendeten Transducern liegt, deren Frequenzumfang nicht groß genug ist. [1]. Dadurch klingt der Ton meist recht blechern. Entscheidender Vorteil der Ultraschallmethode ist jedoch die sehr hohe Präzision des Sound Strahls, und die extrem hohe Reichweite von mehreren 100 Metern.
2.1.2 Konkrete Implementierungen
Um mit dieser Methode komplexe Schallwellengebilde zu erzeugen, wie sie etwa Musik beinhaltet sind Algorithmen notwendig, welche die Normalen Frequenzen in passenden Ultraschallfrquenzen codieren. Dies ist auch der gößte Unterschied beider sich auf dem Markt befindlichen Produkte. Zu erwähnen wären hier, das von dem Physiker Joseph Pompei, bereits als Student am MIT begonnene, später bei Bose weiterentwicklete und das zum jetztigen Zeitpunkt in seiner eigenen Firma vertriebenen AudioSpotLight(R), sowie das von Wood? Entwickelte HSS (Holosonic Sound System.
2.2 Andere Methoden
Neben der oben erwähnten Methode, gibt es auch andere Methoden um gerichteten Sound zu realisieren. Diese arbeiten alle mit Schallwellen im Hörbaren Bereich. Jedoch sind diese mehr im Bereich der Forschung angesiedelt.
2.2.1 Lautsprecher Array
Eines dieser alternativen Verfahren ist das so genannte "Lautsprecher Array" [3]. Dabei werden mehrere Lautsprecher nebeneinander in einer Reihe (array) angeordnet.
2.2.1.1 Funktionsweise
Um damit focusierte Töne, welche nur an einem Punkt im Raum zu Hören sind zu erzeugen, benutzt es einen ähnlichen Ansatz wie die Ultraschallsysteme. Beide nutzen die Eigenschaft von Schallwellen aus, dass sich jene gegenseitig beinflussen. Im Gegesatz zu Ultraschall wir hier jedoch nicht mit Intermodulation gearbeitet, sondern mit der Interferenz mehrere Signale. Die Interferenz, welche das Überlagern von zwei oder mehr Wellen bedeutet, tritt bekanntlich in zwei Formen auf der konstruktiven und der destruktiven. [4] Die konstruktive bezeichnet das Summieren mehrere Wellen, wie es ja z.B. zur Klangsynthese schon lange benutz wird. Die destruktive Interferenz hingegen bezeichnet das sich gegenseitige Aufheben von Schwingungen. Dies ist z.B. zu beobachten beim Absetzten zweier identischen Schwingung, wobei die zweite einer halben Wellenlänge später gesendet wird [8]. Genau dies wird versucht beim "Lautsprecher Array" auszunutzen. Mit Hilfe eines Digital Sound Prozessor (DSP) werden das zu sendende Signal in die einzelnen Teilfrequenzsignale aufgetrennt und dann jeweils von einem einzelnen Lautsprecher ausgestrahlt. [4] Dabei wird die jeweilige Verzögerung des Signals so berechnet, dass sich die Signale genau an der gewünschten Stelle im Raum wieder zum ursprünglichen Gesammtsignal ergänzen [4] und sich im übrigen Raum durch destruktive Interferenzen gegenseitig aufheben. So ist theorethisch nur im gewünschten Bereich das Signal zu hören. Durch ändern der Verzögerungszeiten, kann der Sound beliebig im Raum positioniert werden [3], zumindest solange sich der Punkt vor der Lautsprecherreihe befindet.
2.2.1.2 Probleme und Vorteile
Natürlich gibt es auch bei dieser Technik des "Sound Beams" [4], einige Problme. Eines davon ist, dass im Gegensatz zu der Ultraschalltechnik der Ausschluss des Mithörens nicht vollständig gewährleistet ist, da sich die Nebenwellen [4], meist nicht ganz aufheben. Ein weiteres Hindernis ist die Reflexion von Schallwellen an den "harten Oberflächen" [4] von Objekten die sich im Raum befinden. [4] Das von innen abgestrahlte Echo kann den Effekt des Sound Beams erheblich stören. Ein erheblicher Vorteil dieses Systems ist jedoch, dass es im Gegensatz zu den Anderen Systemen mit ganz normalem Equipment auskommt. Lediglich ein entsprechender DSP muss entwickelt bzw. bereitgestellt werden. Auch ist es möglich die Position an die der Sound geschickt wird, in gegebenen Rahmen, zu verändern, ohne mechanisch tätig zu werden. [4]
2.2.1.3 Kommerzielle Implementierung
Kommerziell wird das System von Dakota Audio vertrieben, welche es ebenfalls wie z.B. HSS für Austellungen und Änliches beworben wird. Eingesetzt wird es z.B im Luft- und Raumfahrtmuseum von San Diego. [11]
2.2.2 Der "Sound Dome"
Eine weitere Technik sind die Sound Domes oder Parabol-Schüsseln. [4,3] Bei diesem Ansatz werden zwei normale Lautsprecher im Brennpunkt der Schüssel angebracht und zwar so, dass die Lausprecher Öffnung der Schüssel zugewandt ist [4].
2.2.2.1 Funktionsweise des Sound Domes
Gerichteter Sound wird bei dieser Methode damit erzeugt, dass die Schallwellen, welche in die Schüssel hineingestrahlt werden, von dieser reflektiert werden. Die Wellen werden dabei durch die natürliche sphärische Beschaffenheit der Schüssel so reflektiert, dass ein gerichteter "Beam of Sound" [4] entsteht, der je nach Ausrichtung der Schüssel an die gewünschte Position geschickt werden kann. Dabei kann man sich die Wirkung der Reflektionen ähnlich vorstellen wie die, welche bei einer Taschenlampe auftreten, welche ja auch eine meist sphärische Reflektionskuppel um die Birne herum besitzt.
2.2.2.2 Probleme und Vorteile
Das Hauptproblem bei Sound Domes ist ihre Größe. Denn damit auch tiefere Töne, sprich längere Schallwellen korrekt reflektieren werden können, und eine angemessenen räumlichen Bereich, in dem der Sound hörbar ist, geboten werden muss die Schüssel recht groß sein. [4] Dies bezieht sich durch ihre sphärische Struktur natürlich auch auf die Tiefe. Des Weiteren ist wie beim Lautsprecher Array kein 100% Ausschluss des Mithörens außerhalb des bestimmten Bereichs gewährleistet. Laut Angaben von Herstellern liegt die Lautstärke außerhalb bei ca. 20 % der ursprünglichen Lautstärke. [3]
2.2.2.3 Kommerzielle Implementierung
Der so genannte Sound Dome wurde von der Firma Brown Innovations erfunden und patentiert. Es wird für Musen, Messen, usw. beworben.[9]. Im Gegensatz zu den Systemen mit anderen Techniken wird er oberhalb der zu erreichenden Person, also z.B. der Decke befestigt.
3. Anwendungsbereiche
Natürlich gibt es für die oben dargestellten Systeme zur Erzeugung von gerichtetem Sound ein weites Spektrum an Anwendungsfällen. Daher soll im Folgenden nur ein kleiner Ausschnitt dargestellt werden, um die Vielseitigkeit solcher Systeme an korrekten Beispielen darstellen zu können.
3.1 Unterhaltungselektronik
Im Bereich der Unterhaltungselektronik findet z.B. die Ultraschalltechnik im Auto ihren Einsatz, um allen Insassen unterschiedliche Musik hören zu lassen, ohne dass sich einer vom anderen gestört fühlt. Auf diesem Gebiet ist z.B. der Daimler-Chrysler Konzern tätig, der auch bereits ein Patent für ein Autosystem angemeldet hat [7]. Aber auch im Kino können gerichtete Sound Systeme für einen realistischeren Gesamteindruck des Films sorgen, so dass sich z.B. die Sprache eines Leihnwandaktuers, wenn er an der Leinwand entlang geht mitbewegt. [1] Aber auch in großen Diskotheken würden solche fokussierten Soundsysteme Vorteile bringen, da die Einzelnen Hallen, mit unterschiedlicher Musik besser voneinander abgetrennt werden könnten und somit weniger Platz notwendig wäre.[1] Eine Dimension größer wäre das ganze auch für Konzerte vorstellbar um den Lärmpegel einzudämmen [5]. Natürlich wäre es auch eine gute Alternative zum Kopfhörer um fernzusehen, während ein kleines Kind im selben Zimmer schläft.
3.2 Militärische Anwendungen
Das Militär, allen voran die US Army, hat auch Interesse an der neuen Technologie, vor allem der Ultraschall-basierten [5]. Dabei reicht das Spektrum der Anwendungen von der einfachen Verbesserung des Megaphons bis zu so genannten "Sonic Wapons" [11], Ultraschallwaffen die den Gegner untauglich machen sollen. Möglich ist dies durch die sehr hohe Lautstärke die sich mit den Ultraschall-basierten Systemen erzeugen lässt. Diese kann durch den oben bereits genannten Effekt der Lautstärken Erhöhung mit Zunahme der Entfernung, realisiert werden. So sind bis zu 150 Dezibel möglich [10], was mehr als 3 mal so laut wie das starten einen Flugzeugs und 50 mal höher als die menschliche Schmerzgrenze ist. [1] Damit wäre es ein leichtes einen Gegner gezielt außer Gefecht zu setzten.
3.3 Werbung
Im Breich der Werbung könnten die vorgestellten Systeme helfen den Kunden geziehlter anzusprechen. Denn es wäre möglich, dass nur die Person die im Supermarkt oder Baumarkt vor einem TV-Gerät stehen bleiben, welches einen Produkt-Clip zeigt, diesen hören, ohne dass die anderen Kunden gestört werden. Eben selbes wäre auch auf lauten Messeveranstaltungen und ähnlichen öffentlichen Austellungen sehr sinnvoll. [3]
4. Schluss
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Technik des gerichteten Sounds noch bei weitem nicht ausgereift ist, auch wenn schon einzelne kommerzielle Produkte dafür existieren. Besonders problematisch ist dabei, dass bei dem Ultraschall-basierten Verfahren die Auswirkungen auf die menschliche Wahrnehmung und Spyche noch unzureichend erforscht sind. Ebenso bedenklich ist das Phänomen der Nicht-Ortbarkeit der Schallwellen bei den oben dargestellten Systemen, da der Zuhörer stets dass Gefühl hat der Sound würde in seinem Ohr entstehen. Dies würde einen Missbrauch durch Werbetreibende oder das geziehlte belästigen von Personen nicht ausschließbar machen. [3]
Quellangaben
1) Philip Hirz. Directional Audio. In: illium. 3:7, 2002. <http://illumin.usc.edu/article.php?articleID=80>
2) Sunny Brains. Audio spotlight exploits nonlinearity in air, 4.2.2006. <http://www.spie.org/web/oer/october/oct00/indfocus.html>
3) Computer Power User. Focused Audio - Brings Sound To You & Only You. 5:9, 2005, 40-43, <http://www.computerpoweruser.com/articles/archive/c0509/27c09/27c09.pdf?guid=>
4) P.Hong. IMTC. Georgia Institute of Technology. The Audio Spotlight: An Alternative Approach, 2.2.2006, <http://www.imtc.gatech.edu/projects/archives/multimedia/AudioSpotlight.pdf>
5) John Gartner. Point-'n'-Shoot Sound Makes Waves. 4.2.2006, <http://www.wired.com/news/technology/0,50483-1.html>
6) Hermann von Helmholzt. Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik. Heinrich Vieweg und Shohn, Braunschweig, 1863.
7) Guido Kolano, Dr. Klaus Linhard. Method and System for directional sound generation, 19.02.2003 <http://www.freepatentsonline.com/EP1284586.html>
8) de.wikipedia.org. Intergerenz (Physik). 4.2.2006, <http://de.wikipedia.org/wiki/Interferenz_%28Physik%29>
9) www.browninnovations.com. Sound Domes. <http://www.browninnovations.com/sound_domes.html>
10) Newsweek. Hearing Is Believing. 5.2005, <http://www.woodynorris.com/Articles/Newsweek3.htm>
11) www.dakotaaudio.com. How Does It Work?. 4.2.2006, <http://www.dakotaaudio.com/howItWorks.shtml>