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Wellenfeldsynthese für
           einen großen Hörsaal
                 Prolight+Sound
           Media Systems Congress 2007

       Anselm Goertz, Michael Makarski, Stefan Feistel
    Christoph Moldrzyk, Stefan Weinzierl, Wolfgang Ahnert

A.Goertz             Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   1
Übersicht zum Vortrag
       •   Rahmenbedingungen
       •   Ausführende Personen
       •   Der Hörsaal
       •   Anforderungen an die Lautsprecher
       •   Lautsprecherkonzept
       •   Messwerte
       •   Inbetriebnahme
       •   Vernetzung
       •   Signalverteilung
       •   Simulationen
       •   Fazit
A.Goertz               Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   2
Rahmenbedingungen

   • Umbau und Neugestaltung des
     Hörsaals H104 der TU Berlin
   • Raumvolumen: ca. 3.000 m³
   • Sitzplätze: ca. 600
   • Boden, Decke und Bestuhlung bleiben erhalten
   • Alle Wandflächen wurden neu gestaltet
   • Integration einer Wellenfeldsyntheseanlage
   • Demo- und Versuchsraum des
     FG Audiokommunikation der TU Berlin

A.Goertz           Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   3
Ausführende Personen und Firmen
  • Wissenschaftliche Begleitung und WFS-Software:
    Stefan Weinzierl und Mitarbeiter
    (TU Berlin Fachgebiet Audiokommunikation)
  • Technische Planung: Christoph Moldrzyk (Visaural)
  • Raumakustische Planung: Tobias Behrens/Wolfgang Ahnert (ADA)
  • Baumaßnahmen: Jürgen Fissler (Fissler und Ernst Architekten)
  • WFS Planung und Umsetzung: Anselm Goertz (AAC)
  • WFS Ausführung: Peter Michner (Assemtec)
  • Lautsprecher Konzept: K.-H. Kuntze (FÖÖN)
  • Lautsprecher Gehäuse: HK-Audio
  • Lautsprecherchassis: VISATON
  • Controller: HD2 System von FOUR AUDIO
  • Simulationen: EASE (Stefan Feistel, Wolfgang Ahnert / AFMG)


A.Goertz              Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   4
Der Hörsaal


                            Süd-oben
                                                                       Rückseite
                              15m
                                                                         20m
           Süd-unten
             10m



                                                                    Nord-oben
           Front                                                      15m
           16m
                             Nord-unten
                                10m

Umlaufende Länge der WFS-Linie: ca. 86m                      Insgesamt 832 Kanäle
A.Goertz               Prolight+Sound Media Systems Congress 2007                  5
Der Hörsaal in der Bauphase




A.Goertz        Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   6
Anforderungen an die Lautsprecher

   • Abstand benachbarter Kanäle möglichst gering
     (10 cm)
   • Umlaufend soweit wie möglich eine geschlossene
     Linie knapp über Kopfhöhe der Zuhörer
   • Breites horizontales Abstrahlverhalten
   • Enges vertikales Abstrahlverhalten
   • Ausreichende Pegelfestigkeit auch im Bassbereich
   • Alltagstauglichkeit
   • Einfache Signalverteilung und Vernetzung
   • Finanzierbarkeit pro Meter

A.Goertz           Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   7
Der Lautsprecher aus akustischer Sicht




                              40cm
                                                        40cm
      nur bis
      5,5 kHz
      nur bis                                                          Trennfrequenz:
      10 kHz
                                                                           200 Hz
        bis
      17 kHz




                                                 10cm
                                                      10cm

A.Goertz                  Prolight+Sound Media Systems Congress 2007                    8
Vernetzung der Lautsprecher


           8 Ch ADAT Input




                 Ethernet




A.Goertz         Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   9
Elektronikmodul




                        2x5 Endstufen ADAT-IF
    Trafo   Netzteil                                            DSP-System
A.Goertz           Prolight+Sound Media Systems Congress 2007           10
DSP System HD2


           4x ADC                                                  2x ADC
           entfällt                                                entfällt




                            DSP                     DSP




A.Goertz              Prolight+Sound Media Systems Congress 2007              11
DSP System HD2

      • Umsetzung von ADAT auf 8 analoge Wege
      • Amplituden- und Phasenentzerrung mit FIR-Filtern
      • Präzise Limiter pro Weg für die Peak- und RMS-
        Leistung der Endstufen und für die Peak- und
        thermische Dauerbelastbarkeit der Lautsprecher
      • Individuelle Ortsanpassung über
        FIR- und/oder IIR-Filter
      • Komplette Fernabfrage und Fernsteuerung via
        Ethernet einschließlich DHCP Fähigkeit
      • Weitere 96 frei konfigurierbare IIR-Filter


A.Goertz              Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   12
Messung der WFS Module unter Freifeldbedingungen




                                                             Microphon



A.Goertz        Prolight+Sound Media Systems Congress 2007               13
Messung der hor. Polardaten auf einer Grenzfläche
                     Microphon




A.Goertz            Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   14
Messung der ver. Polardaten auf einer Grenzfläche


           Microphon




A.Goertz               Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   15
Frequenzgang auf der Grenzfläche gemessen




A.Goertz               Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   16
Phasengang auf der Grenzfläche gemessen




A.Goertz              Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   17
Sens. und erreichbarer Maximalpegel für einen Kanal


                                                               102 dB




                                                               88 dB




A.Goertz          Prolight+Sound Media Systems Congress 2007      18
Horizontales Abstrahlverhalten




A.Goertz         Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   19
Vertikales Abstrahlverhalten




A.Goertz        Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   20
Balloon Daten für die Simulation




A.Goertz          Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   21
Messung im Saal (Linie Vorne)




A.Goertz         Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   22
Ortsabhängige Entzerrungen




A.Goertz        Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   23
Ausführung im Saal




A.Goertz    Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   24
Ausführung im Saal




A.Goertz    Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   25
Ausführung im Saal




A.Goertz    Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   26
Signalverteilung
                                                              LS
           PCs




                                                Madi - ADAT
A.Goertz   Prolight+Sound Media Systems Congress 2007              27
Signalverteilung
   •   15 Rechner mit MADI Interfaces und je 64 Audio Kanälen
   •   Das MADI Signal wird via LWL im Hörsaal verteilt (20-80m)
   •   15 MADI nach ADAT Konverter im Saal
   •   Pro ADAT Konverter 8 LWL Signale mit je 8 Audiokanälen zu den
       Lautsprechern (5m)




A.Goertz                 Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   28
Simulationen für einen Lautsprecher als Primärquelle

                          0m




                                                               Ref.-Punkt
           Primärquelle

            8     4   2   1




A.Goertz                      Prolight+Sound Media Systems Congress 2007    29
Delays der WFS Kanäle für 1, 2, 4 und 8m




A.Goertz               Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   30
Pegelverteilung der WFS Kanäle für 1m



                                                      102 dB




A.Goertz             Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   31
Pegelverteilung der WFS Kanäle für 2m



                                                      102 dB




A.Goertz             Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   32
Pegelverteilung der WFS Kanäle für 4m



                                                      102 dB




A.Goertz             Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   33
Pegelverteilung der WFS Kanäle für 8m



                                                      102 dB




A.Goertz             Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   34
Frequenzgänge und Pegelverteilung für 1m




                     Primärquelle




                     WFS


A.Goertz               Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   35
Frequenzgänge und Pegelverteilung für 2m




                     Primärquelle




                     WFS


A.Goertz               Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   36
Frequenzgänge und Pegelverteilung für 4m




                     Primärquelle




                     WFS


A.Goertz               Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   37
Frequenzgänge und Pegelverteilung für 8m




                     Primärquelle




                     WFS


A.Goertz               Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   38
Primärquelle in 4m Entfernung bei 125 Hz




A.Goertz               Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   39
WFS in 4m Entfernung bei 125 Hz




A.Goertz          Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   40
Primärquelle in 4m Entfernung bei 250 Hz




A.Goertz               Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   41
WFS in 4m Entfernung bei 250 Hz




A.Goertz          Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   42
Primärquelle in 4m Entfernung bei 500 Hz




A.Goertz               Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   43
WFS in 4m Entfernung bei 500 Hz




A.Goertz          Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   44
Primärquelle in 4m Entfernung bei 1 kHz




A.Goertz              Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   45
WFS in 4m Entfernung bei 1 kHz




A.Goertz          Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   46
Primärquelle in 4m Entfernung bei 2 kHz




A.Goertz              Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   47
WFS in 4m Entfernung bei 2 kHz




A.Goertz          Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   48
Primärquelle in 4m Entfernung bei 4 kHz




A.Goertz              Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   49
WFS in 4m Entfernung bei 4 kHz




A.Goertz          Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   50
Primärquelle in 4m Entfernung bei 8 kHz




A.Goertz              Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   51
WFS in 4m Entfernung bei 8 kHz




A.Goertz          Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   52
Probleme der Wellenfeldsynthese


     • Quellenabstand von 10 cm für Frequenzen
       oberhalb von 1,7 kHz zu groß
     • Einschnürung im horizontalen
       Abstrahlverhalten der WFS Quellen oberhalb
       von 4 kHz
     • Keine ebene Hörerfläche
     • Daher wirkt sich das vertikale
       Abstrahlverhalten der WFS Quellen aus


A.Goertz            Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   53
Der fertige Hörsaal




A.Goertz    Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   54
Anwendungen des Systems

   • als Werkzeug der akustischen Forschung
           – Weiterentwicklung Wellenfeldsynthese
           – WFS als akustisches Instrument

   • für öffentliche Veranstaltungen Audiovisuelle Präsentationen
           – 3D A/V-Demonstrationen
           – Emulation verschiedener Wiedergabeformate

   • für die Aufführung von Medienkunst
           – Elektroakustische Musik
           – Live-interaktive Musik
           – Klanginstallationen



A.Goertz                           Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   55
Fazit

     • Hohe Aliasing-Frequenz erfordert eine hohe
       Anzahl von Kanälen (in H104: 832 Kanäle)
     • Lautsprecher mit breitem horizontalen und
       engem vertikalen Abstrahlverhalten
     • Die Möglichkeit der Ortsanpassung sollte
       gegeben sein
     • Sichere Limiter erforderlich zum Schutz vor
       Überlastung
     • Fernüberwachung und Fernsteuerung ist bei
       großen Systemen wünschenswert
A.Goertz            Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   56
Paper Download


                    www.anselmgoertz.de

           Manuskript zu diesem Vortrag mit Text und
           Grafiken als PDF File ab dem 26.März 2007




A.Goertz              Prolight+Sound Media Systems Congress 2007   57

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Wellenfeldsynthese für einen großen Hörsaal

  • 1. Wellenfeldsynthese für einen großen Hörsaal Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 Anselm Goertz, Michael Makarski, Stefan Feistel Christoph Moldrzyk, Stefan Weinzierl, Wolfgang Ahnert A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 1
  • 2. Übersicht zum Vortrag • Rahmenbedingungen • Ausführende Personen • Der Hörsaal • Anforderungen an die Lautsprecher • Lautsprecherkonzept • Messwerte • Inbetriebnahme • Vernetzung • Signalverteilung • Simulationen • Fazit A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 2
  • 3. Rahmenbedingungen • Umbau und Neugestaltung des Hörsaals H104 der TU Berlin • Raumvolumen: ca. 3.000 m³ • Sitzplätze: ca. 600 • Boden, Decke und Bestuhlung bleiben erhalten • Alle Wandflächen wurden neu gestaltet • Integration einer Wellenfeldsyntheseanlage • Demo- und Versuchsraum des FG Audiokommunikation der TU Berlin A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 3
  • 4. Ausführende Personen und Firmen • Wissenschaftliche Begleitung und WFS-Software: Stefan Weinzierl und Mitarbeiter (TU Berlin Fachgebiet Audiokommunikation) • Technische Planung: Christoph Moldrzyk (Visaural) • Raumakustische Planung: Tobias Behrens/Wolfgang Ahnert (ADA) • Baumaßnahmen: Jürgen Fissler (Fissler und Ernst Architekten) • WFS Planung und Umsetzung: Anselm Goertz (AAC) • WFS Ausführung: Peter Michner (Assemtec) • Lautsprecher Konzept: K.-H. Kuntze (FÖÖN) • Lautsprecher Gehäuse: HK-Audio • Lautsprecherchassis: VISATON • Controller: HD2 System von FOUR AUDIO • Simulationen: EASE (Stefan Feistel, Wolfgang Ahnert / AFMG) A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 4
  • 5. Der Hörsaal Süd-oben Rückseite 15m 20m Süd-unten 10m Nord-oben Front 15m 16m Nord-unten 10m Umlaufende Länge der WFS-Linie: ca. 86m Insgesamt 832 Kanäle A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 5
  • 6. Der Hörsaal in der Bauphase A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 6
  • 7. Anforderungen an die Lautsprecher • Abstand benachbarter Kanäle möglichst gering (10 cm) • Umlaufend soweit wie möglich eine geschlossene Linie knapp über Kopfhöhe der Zuhörer • Breites horizontales Abstrahlverhalten • Enges vertikales Abstrahlverhalten • Ausreichende Pegelfestigkeit auch im Bassbereich • Alltagstauglichkeit • Einfache Signalverteilung und Vernetzung • Finanzierbarkeit pro Meter A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 7
  • 8. Der Lautsprecher aus akustischer Sicht 40cm 40cm nur bis 5,5 kHz nur bis Trennfrequenz: 10 kHz 200 Hz bis 17 kHz 10cm 10cm A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 8
  • 9. Vernetzung der Lautsprecher 8 Ch ADAT Input Ethernet A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 9
  • 10. Elektronikmodul 2x5 Endstufen ADAT-IF Trafo Netzteil DSP-System A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 10
  • 11. DSP System HD2 4x ADC 2x ADC entfällt entfällt DSP DSP A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 11
  • 12. DSP System HD2 • Umsetzung von ADAT auf 8 analoge Wege • Amplituden- und Phasenentzerrung mit FIR-Filtern • Präzise Limiter pro Weg für die Peak- und RMS- Leistung der Endstufen und für die Peak- und thermische Dauerbelastbarkeit der Lautsprecher • Individuelle Ortsanpassung über FIR- und/oder IIR-Filter • Komplette Fernabfrage und Fernsteuerung via Ethernet einschließlich DHCP Fähigkeit • Weitere 96 frei konfigurierbare IIR-Filter A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 12
  • 13. Messung der WFS Module unter Freifeldbedingungen Microphon A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 13
  • 14. Messung der hor. Polardaten auf einer Grenzfläche Microphon A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 14
  • 15. Messung der ver. Polardaten auf einer Grenzfläche Microphon A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 15
  • 16. Frequenzgang auf der Grenzfläche gemessen A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 16
  • 17. Phasengang auf der Grenzfläche gemessen A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 17
  • 18. Sens. und erreichbarer Maximalpegel für einen Kanal 102 dB 88 dB A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 18
  • 19. Horizontales Abstrahlverhalten A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 19
  • 20. Vertikales Abstrahlverhalten A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 20
  • 21. Balloon Daten für die Simulation A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 21
  • 22. Messung im Saal (Linie Vorne) A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 22
  • 23. Ortsabhängige Entzerrungen A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 23
  • 24. Ausführung im Saal A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 24
  • 25. Ausführung im Saal A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 25
  • 26. Ausführung im Saal A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 26
  • 27. Signalverteilung LS PCs Madi - ADAT A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 27
  • 28. Signalverteilung • 15 Rechner mit MADI Interfaces und je 64 Audio Kanälen • Das MADI Signal wird via LWL im Hörsaal verteilt (20-80m) • 15 MADI nach ADAT Konverter im Saal • Pro ADAT Konverter 8 LWL Signale mit je 8 Audiokanälen zu den Lautsprechern (5m) A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 28
  • 29. Simulationen für einen Lautsprecher als Primärquelle 0m Ref.-Punkt Primärquelle 8 4 2 1 A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 29
  • 30. Delays der WFS Kanäle für 1, 2, 4 und 8m A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 30
  • 31. Pegelverteilung der WFS Kanäle für 1m 102 dB A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 31
  • 32. Pegelverteilung der WFS Kanäle für 2m 102 dB A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 32
  • 33. Pegelverteilung der WFS Kanäle für 4m 102 dB A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 33
  • 34. Pegelverteilung der WFS Kanäle für 8m 102 dB A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 34
  • 35. Frequenzgänge und Pegelverteilung für 1m Primärquelle WFS A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 35
  • 36. Frequenzgänge und Pegelverteilung für 2m Primärquelle WFS A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 36
  • 37. Frequenzgänge und Pegelverteilung für 4m Primärquelle WFS A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 37
  • 38. Frequenzgänge und Pegelverteilung für 8m Primärquelle WFS A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 38
  • 39. Primärquelle in 4m Entfernung bei 125 Hz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 39
  • 40. WFS in 4m Entfernung bei 125 Hz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 40
  • 41. Primärquelle in 4m Entfernung bei 250 Hz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 41
  • 42. WFS in 4m Entfernung bei 250 Hz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 42
  • 43. Primärquelle in 4m Entfernung bei 500 Hz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 43
  • 44. WFS in 4m Entfernung bei 500 Hz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 44
  • 45. Primärquelle in 4m Entfernung bei 1 kHz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 45
  • 46. WFS in 4m Entfernung bei 1 kHz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 46
  • 47. Primärquelle in 4m Entfernung bei 2 kHz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 47
  • 48. WFS in 4m Entfernung bei 2 kHz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 48
  • 49. Primärquelle in 4m Entfernung bei 4 kHz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 49
  • 50. WFS in 4m Entfernung bei 4 kHz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 50
  • 51. Primärquelle in 4m Entfernung bei 8 kHz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 51
  • 52. WFS in 4m Entfernung bei 8 kHz A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 52
  • 53. Probleme der Wellenfeldsynthese • Quellenabstand von 10 cm für Frequenzen oberhalb von 1,7 kHz zu groß • Einschnürung im horizontalen Abstrahlverhalten der WFS Quellen oberhalb von 4 kHz • Keine ebene Hörerfläche • Daher wirkt sich das vertikale Abstrahlverhalten der WFS Quellen aus A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 53
  • 54. Der fertige Hörsaal A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 54
  • 55. Anwendungen des Systems • als Werkzeug der akustischen Forschung – Weiterentwicklung Wellenfeldsynthese – WFS als akustisches Instrument • für öffentliche Veranstaltungen Audiovisuelle Präsentationen – 3D A/V-Demonstrationen – Emulation verschiedener Wiedergabeformate • für die Aufführung von Medienkunst – Elektroakustische Musik – Live-interaktive Musik – Klanginstallationen A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 55
  • 56. Fazit • Hohe Aliasing-Frequenz erfordert eine hohe Anzahl von Kanälen (in H104: 832 Kanäle) • Lautsprecher mit breitem horizontalen und engem vertikalen Abstrahlverhalten • Die Möglichkeit der Ortsanpassung sollte gegeben sein • Sichere Limiter erforderlich zum Schutz vor Überlastung • Fernüberwachung und Fernsteuerung ist bei großen Systemen wünschenswert A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 56
  • 57. Paper Download www.anselmgoertz.de Manuskript zu diesem Vortrag mit Text und Grafiken als PDF File ab dem 26.März 2007 A.Goertz Prolight+Sound Media Systems Congress 2007 57