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Elektroakustisches System für stereophone Wiedergabe über zwei Kanäle auf mehr als zwei Lautsprechern
Die Erfindung betrifft ein elektroakustisches System, bei welchem die über zwei Kanäle in Intensitätsstereophonie übertragenen oder aufgezeichneten Informationen auf der Wiedergabeseite derart auf
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-AufzeichnungFür die Aufzeichnung bzw. Übertragung stereophoner Informationen bei Schallplatte und Rundfunk bietet die Verwendung von Koinzidenzmikrophonen in X/Y-Technik bzw. in M/S-Technik aufnahmesei- tigdie übersichtlichsten Voraussetzungen, da sie unter Ausschaltung von Laufzeitdifferenzen auf der Aus- nutzung reiner Intensitätsunterschiede beruht. Es wird hiebei als bekannt vorausgesetzt, dass die jeweili- gen X/Y-Informationen in die entsprechenden M/S-Informationen umgewandelt werden können gemäss den Beziehungen M = X + Y und S = X-Y. Auf der Wiedergabeseite ergeben sich jedoch gewisse Unzu- länglichkeiten, wenn man die X/Y-Informationen, wie im allgemeinen üblich, über zwei in entspre- chendemAbstand voneinander arbeitende Lautsprecher, nachfolgend als System A bezeichnet, abstrahlt.
Zur Erklärung ist in Fig. la eine Übersicht zum System A gegeben.
Allgemein wird zum Verständnis der Figuren folgende Erläuterung gegeben. Die Fusspunkte der Pfeile bedeuten den Platz des Hörers im Wiedergaberaum, die Spitzen bedeuten die subjektiv geortete Richtung der Schallquelle. Der Stern bezeichnet den im Massstab der Zeichnungen vom Aufnahmeraum in den Wiedergaberaum relativ richtigen Platz der Schallquelle. Die unter den Lautsprechern eingetragenen Zahlen bedeuten den relativen auf den Gesamtwert 1 bezogenen abgestrahlten Pegel des jeweiligen Lautsprechers. In der Spalte 0 ist ausserdem das auf den Wert M = l bezogene S/M-Verhältnis angegeben.
Die wesentlichsten Mängel des Wiedergabeverfahrens nach System A sind :
1. Die Informationen eines vor dem Mikrophon in der Mittelachse desselben befindlichen Sprechers werden nicht von einem Lautsprecher in der Mitte der Lautsprecherbasis, sondern gleichartig von den beiden seitlichen Lautsprechern abgestrahlt. Nach der Theorie der Summenlokalisierung von Warncke wird zwar von Beobachtern auf der Mittelachse der Sprecher in der Mitte zwischen beiden Lautsprechern geortet (Fig. la, Spalte Ill, Z. c). Für Hörerplätze ausserhalb der Mittelachse, jedoch noch in der Nähe derselben, erscheint der Sprecher unnatürlich verbreitert (Fig. la, Spalte II/III bzw.
III/IV und Z. c). Für seitliche Hörerplätze springt sogar das Klangbild infolge der auf den Hörer einfallenden grösseren Schallenergie und mit Rücksicht auf das Gesetz der ersten Wellenfront auf den näheren Lautsprecher (Fig. la, Spalte I bzw. V und Z. c). Demgegenüber möchte sich jedoch in diesem Falle jeder Hörer an beliebigem Platz aus der Mitte angesprochen fuhlen, wie es bei der Einkanaltechnik unter Verwendung eines Einzellautsprechers mit geeigneter Richtcharakteristik der Fall ist bzw. wie es z. B. in der DreiKanaltechnik (Seite - Mitte - Seite) möglich wäre, wenn jedes Mikrophon auf je einen einzelnen Lautsprecher arbeitet.
2. Bei der Übertragung eines kontinuierlich verteilten Klangkörpers erscheint das mittlere Teilgebiet subjektiv benachteiligt, weil eben kein Lautsprecher in der Mitte vorhanden ist, der dieses Gebiet unmit-
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telbar abstrahlt, sondern der Hörer in der Mittelachse sich nach der Synthese der Summenlokalisation den Mitteneindruck zwar für die Teilschallquellen bilden kann, die sich genau in der Mitte befinden (Fig. la, Spalte in, Z. c), eine aus der Mitte verschobene Teilschallquelle jedoch in Richtung des entsprechenden Seitenlautsprechers ortet (Fig. la, Spalte TI, Z. b) bz\'1. (Spalte IV, Z. d). Man spricht in solchen Fällen von dem "Loch in der Mitte".
3. Bei der Übertragung von z. B. aus der linken Bühnenhälfte kommenden Informationen ist bei der Wiedergabe im allgemeinen der rechte Lautsprecher beteiligt, so dass dadurch fUr einen Beobachter ander rechten Seite die linken Informationen aus der rechten Hälfte der Aufnahmebuhne zu kommen scheinen (z. B. Fig. la, Spalte V, Z. b).
Bei diesem im allgemeinen üblichen Wiedergabesystem tritt also immer eine mehr oder weniger platzabhängige Verwischung der Ortung bzw. an den seitlichen Hörerplätzen sogar eine Fehlortung ein.
Zur Verbesserung der Wiedergabeverhältnisse sind folgende Möglichkeiten bekannt und angewendet worden : a) Man verwendet zusätzlich zu den die Informationen X und Y führenden Seitenlautsprechern einen Mittenlautsprecher, der die Information M = X + Y mit einem geeigneten Pegelverhältnis zu X und Y abstrahlt, nachstehend als System B bezeichnet (Fig. Ib), wobei der Mittenlautsprecher mitunter auch nur einen Teil des zu übertragenden Frequenzbandes erhält. In diesem Fall kommt die Information eines vor dem Mikrophon in dessen Mittelachse stehenden Sprechers jedoch bei der Wiedergabe ausserdem noch von beiden Seiten, d. h. seine Fehllokalisierung ist für etwas seitliche Zuhörerplätze ausserhalb der Mittelachse nach wie vor vorhanden (Fig. Ib, Spalte 11/MI bzw. II. I/IV und Z. c), jedoch wesentlich geringer als beim System A.
Der Mangel 1. der unnatürlichen Verbreiterung einer vor dem Mikrophon bafindlichen punktförmigen Originalschallquelle ist also gemildert. Das mittlere Teilgebiet eines räumlich verteilten Schallereignisses wird besser nach der Mittelachse zu geortet (Fig. Ib, Spalte II, Z. b bzw. Spalte IV, Z. d) das"Loch in der Mitte" wird verringert, der Mangel 2. ist also ebenfalls gemildert. Die oben genannteMassnahme beseitigt jedoch nicht den Mangel, der auch dem System A anhaftet, dass ein
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fernung vom Lautsprecher abnimmt und dass ab einem bestimmten Abstandsverhältnis trotz schwächerer abgestrahlter Energie des näheren Lautsprechers von diesem beim Hörer eine grössere Energie eintrifft. Der Mangel 3., dass die Schallquelle auf der falschen Bühnenhälfte geortet wird, ist also nicht beseitigt.
Grundsätzlich treten bei diesem Verfahren zwei neue Mängel auf.
Schallereignisse, die extrem von den Seiten herrühren, werden sogar von einem in der Mitte befindlichen Beobachter falsch geortet. Sie erscheinen nämlich nach der Mitte hin verschoben (Fig. Ib, Spalte III, Z. a bzv-Z e), weil ein Teil des Schalles, der eigentlich nur von einem Seitenlautsprecher kommen sollte, auch vom Mittenlautsprecher abgestrahlt wird.
Bei der Wiedergabe zweier gleichzeitig wirkender Schallquellen mit Dauerton wird die Unterscheidbarkeit schlechter sein als beim üblichen Verfahren nach System A, weil der mittlere Lautsprecher so- wohl das X-wie das Y-Signal abstrahlt.
Das wesentliche Ergebnis eines solchen Wiedergabeverfahrens nach System B ist, dass in dem Masse, wie die Abstrahlung für Ereignisse aus der Mitte verbessert wird, die Abstrahlung für von den Seiten kommende Schallvorgänge verschlechtert wird. Diese Wirkung kommt etwa der Einengung der natürlichen Basisbreite gleich. b) Die Seitenlautsprecher werden mit gegenphasigen S-Signalen und der Mittenlautsprecher mit dem M-Signal gespeist, nachfolgend als System C bezeichnet. In diesem Fall wird ein Sprecher in der Mitte
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Mikrophon nur vom MittenlautsprecherDas "Loch in der Mitte" tritt nicht ein (Fig. Ic, Spalte III, Z. b und Spalte III, Z. d). Der Mangel 2. ist also ebenfalls beseitigt, jedoch ist damit zugleich für Beobachter in der Mittelachse eine Konzentration aller Schallereignisse in der Mitte verbunden.
Eine linke Schallquelle kann auch hier wieder auf der rechten Bühnenseite geortet werden und umgekehrt, wenn der Beobachter sich vor dem entgegengesetzten Lautsprecher befindet (Fig. Ic, Spalte V, Z. a und b bzw. Spalte I, Z. d und e). Die Ursache ist dabei die gleiche, die bereits bei System B erläutert wurde. Der Mangel 3. ist also nicht beseitigt.
Auch bei diesem System tritt der Mangel einer verschlechterten Unterscheidbarkeit zweier gleichzeitig mit Dauerton arbeitenden Schallquellen gegenüber dem System A auf, weil jeder Lautsprecher Signale abstrahlt, die sowohl X- als auch Y-Informationen enthalten.
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Ein wesentlicher Nachteil des Systems C ist, dass eine extrem seitliche Schallquelle von allen drei Lautsprechern wiedergegeben wird. Im günstigsten Fall können die akustischen Signale aller drei Lautsprecher im Schallfeld sich so Überlagern, dass die Schallquelle dem Beobachter auf der richtigen Seite erscheint. Das durfte praktisch jedoch fUr einfache Signale nur auf wenigen Zuhörerplätzen der Fall sein.
Für Signale mit zusammengesetztem Frequenzinhalt ist die Wahrscheinlichkeit dafür jedoch sehr gering. c) Um bei Anwendung von zwei Lautsprechern eine ausgedehntere Zone verbesserter Lokalisierung, besonders Mittenlokalisierung, d. h., dass eine auf der Symmetrieachse der Mikrophonanordnung befindliche Schallquelle ebenfalls in der Mitte der Lautsprecherbasis empfunden wird, zu erhalten, sind Anordnungen bekannt, bei denen Lautsprechersysteme mit geringer Richtwirkung, möglichst mit Kugelcharakteristik, verwendet werden. Voraussetzung für die hiebei angestrebte Wirkung ist allerdings, dass ein Teil der auf die Raumbegrenzungen auftretenden Schallenergie geometrisch oder diffus reflektiert wird. In stärker gedämpften Räumen sowie im Freien wird daher die Wirkung kaum oder gar nicht vorhanden sein.
Die Ausnutzung von Wandreflexionen führt aber zur Lokalisierungsunschärfe besonders für Schallquellen, die zwischen den Seiten und der Mitte liegen, da eine korrekte Ortung durch die Wellenfront des direkten Schalles gegeben ist und diese durch die Wandreflexionen gestört wird.
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stimmten Pegelverhältnissen und Richteigenschaften verwendet werden, wobei zum Teil auch Wandreflexionen ausgenutzt werden. Die erwünschten Wirkungen sind jedoch ebenfalls mit der Herabsetzung der Ortungsschärfe verbunden.
Bekannt sind weiterhin Verfahren der sogenannten Trickstereophonie, die in erster Linie den Zweck haben, bei der Übertragung oder Speicherung mit einem einzigen Kanal auszukommen, und die auf der Aufnahmeseite mit Hilfe der von zwei Mikrophonen gelieferten Spannungen Steuersignale erzeugen, die bei der Wiedergabe die Verteilung des übertragenen Signals auf zwei oder mehr Lautsprecher steuern. Ist nur eine Schallquelle vorhanden, dann kann hiemit die Wiedergabe einer Übertragung von n-Kanälen gut angenähert werden, wenn die Steuersignale in geeigneter Weise erzeugt werden.
Mehrere gleichzeitig arbeitende Schallquellen können jedoch mit diesem Verfahren nicht getrennt werden, weilnureinSignal, nämlich für den Fall der Intensitätsstereophonie dasmonophone Signal X + Y, übertragen wird, das lediglich mit entsprechendem Pegelverhältnis auf die Lautsprecher verteilt wird.
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Vorhandensein mehrerer Schallquellen den subjektiven Eindruck einer gewissenNach andern Verfahren werden die hohen Frequenzen oder kurze Impulse bevorzugt zur Steuerung des
Gesamtsignals verwendet.
Die Steuertonverfahren haben jedoch ausserdem folgende Nachteile :
Es wird eine komplizierte Apparatur zur Steuerung der Informationen benötigt, u. zw. Geräte, die
Steuertöne erzeugen, deren Amplitude mit ausreichender Genauigkeit im Pegelverhältnis der Signale ent- spricht. Ausserdem sind stetig geregelte Verstärker erforderlich, deren Verstärkungsfaktor mit ausreichen- der Genauigkeit der Amplitude der Steuertöne entspricht. Die Übertragung der Steuersignale erfordert Bandbreite, die dem Nutzsignal verlorengeht. Durch die Eigenschaften der erforderlichen Filter sind für die RegelgeschwindigkeitGrenzen gegeben. Weiterhin können bereits in X/if-Technik bzw.
M/S-Technik vorhandene Zweikanalaufzeichnungen nicht mit der Wiedergabeapparatur derartiger Steuertonverfahren wiedergegeben werden, weil die Steuerung bei diesem Verfahren bereits auf der Aufnahmeseite erfolgt und die Steuertöne daher schon auf der Aufzeichnung vorhanden sein müssen. Die Unterscheidbarkeit zweier gleichzeitiger Schallquellen ist in jedem Fall schlechter als beim System A, weil alle Lautsprecher das gleiche Signal und nur mit unterschiedlichem Pegel abstrahlen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wiedergabeverfahren zu schaffen, das die genannten Mängel bekannter Verfahren weitgehend beseitigt und das fUr den Fall, dass in jedem Zeitpunkt nur eine Schallquelle bzw. Teilschallquelle arbeitet, aus einer Zweikanalübertragung bzw. -aufzeichnung eine vollkommen richtige n-Kanalwiedergabe liefert und bei mehreren gleichzeitig arbeitenden Schallquellen diese wenigstens annähert. Dabei ist n eine beliebige Zahl grösser als 2.
Diese Aufgabe wird bei einem System zur Wiedergabe zweikanaliger, in Form von X- oder Y- oder M- und S-Signalen übertragene oder aufgezeichneter stereophoner Schallinformationen über mehr als zwei Lautsprecher mittelssteuersignalen, die aus dem Pegelunterschied der beiden übertragenen oder aufgezeichneten Primärsignale gewonnen sind, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Steuersignale je nach Richtung der Abweichung von der Gleichheit der Amplituden der Signale X und Y oder der Polarität
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des Momentanwertes des S-Signales in bezug auf den Momentanwert des M-Signales Schalter steuern, welche die Signale und Kombinationen der Signale, die durch ein-oder mehrfache Summen- und Diffe- renzbildung gewonnen sind, auf die einzelnen Lautsprecherkanäle schalten.
Im einfachsten Fall werden die in zwei Kanälen vorhandenen Informationen X und Y bzw. M und S auf der Wiedergabeseite auf drei Lautsprecher, nachfolgend als System D bezeichnet, so aufgesch1 ! lsselt, dass die Schallquelle nur durch denjenigen Lautsprecher wiedergegeben wird, der dem relativ richtigen
Ort der Originalschallquelle in dem entsprechend gewählten Abbildungsmassstab entspricht. Fällt der relativ richtige Ort der Schallquelle nicht mit dem Platz eines Lautsprechers zusammen, so wird diese nur durch die beiden benachbarten Lautsprecher mit dem richtigen Pegelverhältnis wiedergegeben, indem an den benachbarten Lautsprechern ein Energieverhältnis herrscht, das dem Verhältnis der Abstände der
Schallquelle von den Lautsprecherorten umgekehrt proportional ist.
Hiedurch erscheint die Schallquelle für jeden Hörerplatz stets angenähert am relativ richtigen Ort.
Die Wirkung des erfindungsgemässen Systems D ist für den einfachsten Fall von drei Lautsprechern in Fig. Id dargestellt. Sie ist dann erreicht, wenn bei den in den Zeilen a)-d) angegebenen S/M-Ver- hältnissen die in den Spalten I, Ill und V der Fig. Id angegebenen Pegel abgestrahlt werden. Eine solche
Aufteilung kann durch unveränderliche lineare Kombination der beiden ilbertragenen oder aufgezeichne- ten Signale (X und Y bzw. M und S), wobei diese mit festen Koeffizienten multipliziert und dann zuein- ander addiert oder voneinander subtrahiert werden, nicht erreicht werden. Es sind dazu Kombinationen mit veränderbaren Koeffizienten erforderlich, wobei die Änderung durch das Pegelverhältnis der Primär- signale erfolgt.
Für den genannten einfachen Fall werden folgende drei Signale elektrisch gebildet und den Lautsprechern zugeführt :
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Da für den Fall, dass zu jedem Zeitpunkt nur eine Schallquelle arbeitet, die beiden Übertragungskanäle die erforderlichen Informationen für beliebig viele Wiedergabekanäle enthalten, ist nach dem beschriebenen System auch eine Wiedergabe auf mehr als drei Kanälen möglich.
Bei Verwendung von fünf Lautsprechern werden die oben angegebenen drei Informationen in folgender Weise weiter unterteilt. Die mittlere Information wird derjenigen Seite, auf der im gegebenen Zeitpunkt die Information nicht 0 ist, zugeordnet. Man erhält dadurch auf dieser Seite zwei Informationen, während die andere Seite die Information 0 hat. Diese beiden Informationen werden nach dem bei drei Lautsprechern angewendeten Verfahren unter Bildung eines neuen Mittenkanals auf drei Kanäle verteilt, d. h. den drei Lautsprechern der einen Seite (einschliesslich des Mittenlautsprechers) zugeführt. Es entstehen dabei fünf neue Informationen, die in M/S-Darstellung in der Reihenfolge von links nach rechts folgende Werte haben :
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.-.-MFormel einheitlich geschieht.
Im Ubrigen bedeuten Absolutstriche immer Gleichphasigkeit mit M.
IngleicherWeiselässt sich dasWiedergabesystem erfindungsgemäss auf n-Kanäle anwenden, wenn die Informationen für die einzelnen Kanäle wie oben angegeben ermittelt werden.
Für den in erster Linie interessierenden praktischen Fall der Verwendung von drei Lautsprechern ist eine elektrische Steuerschaltung erforderlich, welche die Information 1 S 1 herstellt, indem sie je nach der Phasenlage von S zu M die Information S umpolt. Hiezu kann man z. B. die Eingänge von zwei Verstärkerstufen parallel und ihre Ausgänge gegenphasig in Reihe schalten oder auch umgekehrt ihre Eingänge gegenphasig in Reihe und ihre Ausgänge parallel. Den Eingängen wird die Information S zugeführt.
Das an die Gitter der Verstärkerstufen gelegte Steuersignal sorgt dafür, dass, je nachdem, ob es positiv oder negativ ist, die eine Verstärkerstufe geöffnet und die andere gesperrt wird, so dass am Ausgang entweder S oder-S entsteht. Zur Herstellung des Steuersignals werden die Primärsignale X und Y einzeln gleichgerichtet. Die Differenz der beiden gleichgerichteten Spannungen kann entweder selbst als Steuer-
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tragung oder durch geeignete Spannungsteilerschaltungen mit den Informationen S und M entsprechend den oben für drei Lautsprecher angegebenen Formeln kombiniert werden.
Statt gesteuerter Verstärkerstufen können auch Schaltungen verwendet werden, bei denen Diodenstufen mittels geeigneter Vorspannungen gesperrt oder geöffnet werden, wobei dasSteuersignal in gleicher Weise wie oben beschrieben gewonnen wird.
Dieselben für die drei Lautsprecher erforderlichen Informationen können auch dadurch erhalten werden, dass durch die elektrische Steuerschaltung die vorhandenen Primärinformationen entsprechend nachfolgendem Schema auf die drei Lautsprecher verteilt werden :
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<tb>
<tb> links <SEP> Mitte <SEP> rechts
<tb> fürX/Y <SEP> > 1 <SEP> X-Y <SEP> 2Y <SEP> 0 <SEP>
<tb> fürX/Y= <SEP> l <SEP> 0 <SEP> X+Y <SEP> 0
<tb> fur <SEP> X/Y <SEP> < <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 2 <SEP> X <SEP> Y-X <SEP>
<tb>
Auch hiebei wird der elektrischen Steuerschaltung die Differenz der gleichgerichteten Primärinformationen X und Y zugeführt und durch gesteuerte Dioden- oder Verstärkerstufen eine Öffnung bzw.
Sperrung der Wege für die primären Informationen zu den Lautsprechern bewirkt.
Bei Verwendung von mehr als drei Lautsprechern sind entsprechend mehr Steuerschaltungen notwendig, z. B. muss bei fünf Lautsprechern ausser S auch M durch das aus X und Y gebildete Steuersignal umgeschaltet werden.
Bei allen vorangegangenen Betrachtungen über die Wirkungsweise des Wiedergabesystems nach der Erfindung wurde vorausgesetzt, dass zu jedem Zeitpunkt nur eine Schallquelle arbeitet. Arbeiten gleichzeitig zwei räumlich getrennte zeitlich konstante Schallquellen, tritt also keine Umschaltung ein, so kann dieses Verfahren schon deshalb keine vollwertige Drei-Kanalwiedergabe liefern, weil die in zwei Kanälen vorhandenen Informationen nicht in allen Fällen für eine Drei-Kanalwiedergabe ausreichen.
Eine gewisse räumliche Unterscheidbarkeit von gleichzeitig mit Dauerton arbeitenden Schallquellen ist aber vorhanden, weil in den meisten Fällen zwei Lautsprecher gleichzeitig arbeiten. Der weiter links liegende Lautsprecher gibt hiebei den grösseren Teil vom X-Signal und der weiter rechts liegende den grösseren Teil vom Y-Signal wieder. Die räumliche Unterscheidbarkeit zweier gleichzeitiger Schallquellen mit Dauerton ist nach diesen Überlegungen also besser als beim Steuertonverfahren und beim System C.
In manchen Fällen werden zwei gleichzeitige Schallquellen beim System D vollkommen richtig getrennt. Befi1J. detsichz. B. die eine Schallquelle so weit links, dass sie im wesentlichen nur ein X-Signal
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undkeinY-Signalliefertundbefindetsichdie andere Schallquelle genau in der Mitte, so dass ihr X-Signal dieselbe Amplitude hat wie ihr Y-Signal, so hat im ganzen das X-Signal eine grössere Amplitude als das Y-Signal. Von den drei Lautsprechern werden also folgende drei Signale abgestrahlt : links : X - Y, Mitte : 2 Y, rechts : 0.
Beim Signal X-Y heben sich die Anteile der mittleren Schallquelle auf. Der linke Lautsprecher strahlt also nur das Signal der linken Schallquelle ab. Ebenso strahlt der mittlere Lautsprecher nur das Signal der mittleren Schallquelle ab, weil die linke Schallquelle zum Y-Signal keinen Beitrag liefert.
Um einen optimalen Kompromiss zwischen der richtigen Ortung einzelner und mehrerer Schallquellen zu erhalten, empfiehlt es sich, das Wiedergabesystem nach der Erfindung mit den bekannten Wiedergabesystemen im geeigneten Verhältnis zu kombinieren, besonders mit dem System A.
Impulsartige Schallvorgänge werden mit dem Wiedergabesystem nach der Erfindung am besten wiedergegeben, wenn kurze Umschaltzeiten verwendet werden. Um alle Vorgänge, auch die quasistationären, befriedigend wiederzugeben, ist es zweckmässig, die Umschaltzeit nach subjektiven Erfordernissen zu wählen, wobei der Trägheit des menschlichen Gehörs Rechnung getragen werden muss.
In gleicher Weise wie bei den bekannten Steuertonverfahren können auch bei dem Wiedergabesystem nach der Erfindung (System D) die Primärsignale in mehrere Frequenzbänder zerlegt und diese einzeln nach dem beschriebenen Verfahren gesteuert werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. System zur Wiedergabe zweikanalig in Form von X und Y-oder M und S-Signalen Ubertragener oder aufgezeichneter stereophoner Schallinformationen über mehr als zwei Lautsprecher mittels Steuersignalen, die aus dem Pegelunterschied der beiden übertragenen oder aufgezeichneten Primärsignale ge- wonnen sind, dadurch gekennzeichnet, dass dieSteuersignale je nach Richtung der Abweichung
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binationen der Signale, die durch ein-oder mehrfache Summen- und Differenzbildung gewonnen sind, auf die einzelnen Lautsprecherkanäle schalten.
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Electroacoustic system for stereophonic reproduction over two channels on more than two speakers
The invention relates to an electroacoustic system in which the information transmitted or recorded via two channels in intensity stereophony is displayed on the playback side in this way
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-RecordingFor the recording or transmission of stereophonic information on records and radio, the use of coincidence microphones in X / Y technology or in M / S technology offers the clearest prerequisites on the recording side, as they are purer to use by eliminating runtime differences Intensity differences based. It is assumed that the respective X / Y information can be converted into the corresponding M / S information according to the relationships M = X + Y and S = X-Y. On the playback side, however, there are certain inadequacies if the X / Y information is emitted, as is generally the case, via two loudspeakers working at a corresponding distance from one another, hereinafter referred to as system A.
An overview of system A is given in FIG.
In general, the following explanation is given for understanding the figures. The base points of the arrows indicate the listener's position in the playback room, the tips indicate the subjectively located direction of the sound source. The star denotes the relatively correct place of the sound source in the scale of the drawings from the recording room to the playback room. The numbers entered under the loudspeakers mean the relative emitted level of the respective loudspeaker based on the total value 1. In column 0, the S / M ratio related to the value M = 1 is also given.
The most important deficiencies in the reproduction process according to system A are:
1. The information of a speaker located in front of the microphone in the central axis of the same is not emitted by a loudspeaker in the middle of the loudspeaker base, but in the same way by the two side loudspeakers. According to Warncke's theory of cumulative localization, observers locate the speaker in the middle between the two loudspeakers on the central axis (Fig. La, column III, line c). For listener positions outside the central axis, but still close to it, the speaker appears unnaturally widened (Fig. La, column II / III or
III / IV and Z. c). For listener positions at the side, the sound image even jumps to the closer loudspeaker due to the greater sound energy incident on the listener and with regard to the law of the first wave front (Fig. La, columns I or V and Z. c). In contrast, however, in this case each listener would like to feel addressed at any place from the middle, as is the case with single-channel technology using a single speaker with a suitable directional characteristic, or as is the case with B. in the three-channel technology (side - middle - side) would be possible if each microphone works on a single loudspeaker.
2. When transmitting a continuously distributed body of sound, the middle sub-area appears subjectively disadvantaged because there is no loudspeaker in the middle to directly address this area.
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radiates directly, but the listener can form the middle impression after the synthesis of the sum localization for the partial sound sources that are exactly in the middle (Fig. la, column in, line c), a partial sound source shifted from the center but located in the direction of the corresponding side speaker (Fig. la, column TI, line b) bz \ '1. (Column IV, line d). In such cases one speaks of the "hole in the middle".
3. When transferring z. For example, information coming from the left half of the stage is generally involved in the reproduction of the right loudspeaker, so that for an observer on the right the left information appears to come from the right half of the recording stage (e.g. Fig. La, column V, Z. b).
In this generally customary playback system, there is always a more or less space-dependent blurring of the location or even incorrect location at the side listener positions.
The following possibilities are known and used to improve the reproduction ratios: a) In addition to the side speakers carrying the information X and Y, a center speaker is used which emits the information M = X + Y with a suitable level ratio to X and Y, hereinafter referred to as a system B (Fig. Ib), the center loudspeaker sometimes receiving only part of the frequency band to be transmitted. In this case, however, the information of a speaker standing in front of the microphone in its central axis also comes from both sides during playback, i.e. H. its mislocation is still present for somewhat lateral audience positions outside the central axis (Fig. Ib, column 11 / MI or II. I / IV and Z. c), but much less than in system A.
The deficiency 1. of the unnatural widening of a point-like original sound source located in front of the microphone is thus alleviated. The middle sub-area of a spatially distributed sound event is better located according to the central axis (Fig. Ib, column II, line b or column IV, line d) the "hole in the middle" is reduced, the deficiency 2 is therefore also mitigated. However, the above-mentioned measure does not eliminate the defect that is also inherent in the system A, that a
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distance from the loudspeaker decreases and that from a certain distance ratio, despite the weaker radiated energy of the closer loudspeaker, a greater amount of energy arrives at the listener. The 3. deficiency that the sound source is located on the wrong half of the stage is not eliminated.
Basically, there are two new shortcomings in this process.
Sound events that originate extremely from the sides are even wrongly located by an observer in the middle. They appear to be shifted towards the center (Fig. Ib, Column III, Z. a or Z e), because part of the sound that should only come from one side speaker is also emitted by the center speaker.
When reproducing two simultaneously acting sound sources with continuous tone, the differentiation will be worse than with the usual method according to system A, because the middle loudspeaker emits both the X and the Y signal.
The essential result of such a reproduction method according to system B is that to the extent that the radiation for events from the center is improved, the radiation for sound processes coming from the sides is worsened. This effect is roughly equivalent to the narrowing of the natural base width. b) The side speakers are fed with anti-phase S signals and the center speaker with the M signal, hereinafter referred to as system C. In this case there will be a speaker in the middle
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Microphone only from the center loudspeaker The "hole in the middle" does not enter (Fig. Ic, column III, line b and column III, line d). Deficiency 2. has also been eliminated, but at the same time it is associated with a concentration of all sound events in the center for observers in the central axis.
A left sound source can also be located on the right side of the stage and vice versa if the observer is in front of the opposite loudspeaker (Fig. Ic, column V, lines a and b or column I, lines d and e). The cause is the same as that already explained for system B. Deficiency 3. has not been eliminated.
In this system, too, there is a lack of impaired distinguishability between two sound sources operating simultaneously with continuous tone compared to system A, because each loudspeaker emits signals which contain both X and Y information.
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A major disadvantage of System C is that an extremely lateral sound source is reproduced by all three loudspeakers. In the best case, the acoustic signals from all three loudspeakers in the sound field can overlap in such a way that the sound source appears to the observer on the correct side. In practice, however, this was only allowed to be the case for simple signals at a few audience positions.
For signals with a composite frequency content, however, the probability of this is very low. c) In order to achieve a more extensive zone of improved localization, especially center localization, when using two loudspeakers, i. This means that a sound source located on the axis of symmetry of the microphone arrangement is also felt in the middle of the loudspeaker base, arrangements are known in which loudspeaker systems with low directivity, if possible with an omnidirectional characteristic, are used. The prerequisite for the desired effect is, however, that part of the sound energy occurring on the room boundaries is reflected geometrically or diffusely. In more dampened rooms as well as outdoors, the effect will therefore hardly be present or not at all.
However, the use of wall reflections leads to localization blurring, especially for sound sources that are between the sides and the middle, since correct localization is given by the wave front of the direct sound and this is disturbed by the wall reflections.
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Correct level ratios and directional properties can be used, with some wall reflections also being used. However, the desired effects are also associated with the reduction in the localization sharpness.
Also known are methods of so-called trick stereophony, which primarily have the purpose of getting by with a single channel for transmission or storage, and which generate control signals on the recording side with the help of the voltages supplied by two microphones, which during playback the distribution of the Control the transmitted signal on two or more speakers. If there is only one sound source, then the reproduction of a transmission of n-channels can be approximated well if the control signals are generated in a suitable manner.
However, several simultaneously operating sound sources cannot be separated with this method because only one signal, namely the monophonic signal X + Y in the case of intensity stereophony, is transmitted, which is only distributed to the loudspeakers with a corresponding level ratio.
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The presence of several sound sources gives the subjective impression of a certain. According to other methods, the high frequencies or short pulses are preferred for controlling the
Total signal used.
However, the control tone procedures also have the following disadvantages:
Complicated apparatus for controlling the information is required, e.g. between devices that
Generate control tones, the amplitude of which corresponds with sufficient accuracy in the level ratio of the signals. In addition, continuously regulated amplifiers are required whose amplification factor corresponds to the amplitude of the control tones with sufficient accuracy. The transmission of the control signals requires bandwidth, which is lost to the useful signal. Due to the properties of the filters required, there are limits to the control speed. Furthermore, you can already use the X / if technique or
M / S technology existing two-channel recordings cannot be played back with the playback equipment of such control tone methods, because the control with this method already takes place on the recording side and the control tones must therefore already be present on the recording. The differentiation between two simultaneous sound sources is in any case worse than with system A because all loudspeakers emit the same signal and only at different levels.
The object of the invention is to create a reproduction method which largely eliminates the mentioned shortcomings of known methods and, in the event that only one sound source or partial sound source is operating at any point in time, a completely correct n-channel reproduction from a two-channel transmission or recording supplies and at least approximates these when several sound sources are working simultaneously. N is any number greater than 2.
In a system for reproducing two-channel stereophonic sound information transmitted or recorded in the form of X or Y or M and S signals via more than two loudspeakers by means of control signals obtained from the level difference between the two transmitted or recorded primary signals, solved according to the invention in that the control signals depending on the direction of the deviation from the equality of the amplitudes of the signals X and Y or the polarity
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of the instantaneous value of the S signal in relation to the instantaneous value of the M signal control switches which switch the signals and combinations of the signals, which are obtained by forming one or more sums and differences, to the individual loudspeaker channels.
In the simplest case, the information X and Y or M and S present in two channels is displayed on the playback side on three loudspeakers, hereinafter referred to as system D! Ensures that the sound source is only reproduced through the loudspeaker that is relatively correct
Corresponds to the location of the original sound source in the correspondingly selected image scale. If the relatively correct location of the sound source does not coincide with the location of a loudspeaker, this is only reproduced by the two neighboring loudspeakers with the correct level ratio, in that the energy ratio at the neighboring loudspeakers is that of the ratio of the distances between the
Sound source from speaker locations is inversely proportional.
As a result, the sound source always appears approximately at the relatively correct location for each listener position.
The effect of the system D according to the invention is shown in FIG. Id for the simplest case of three loudspeakers. It is reached when, with the S / M ratios specified in lines a) -d), the levels specified in columns I, III and V of FIG. Id are emitted. Such
Splitting cannot be achieved by an unchangeable linear combination of the two transmitted or recorded signals (X and Y or M and S), whereby these are multiplied by fixed coefficients and then added to one another or subtracted from one another. Combinations with changeable coefficients are required for this, the change being made by the level ratio of the primary signals.
For the simple case mentioned, the following three signals are generated electrically and fed to the loudspeakers:
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Since the two transmission channels contain the necessary information for any number of playback channels in the event that only one sound source is working at any given time, playback on more than three channels is also possible according to the system described.
When using five speakers, the above three pieces of information are further broken down as follows. The middle information is assigned to the page on which the information is not 0 at the given point in time. This gives you two pieces of information on this side, while the other side has information 0. These two pieces of information are distributed to three channels using the method used with three loudspeakers to form a new center channel. H. the three speakers on one side (including the center speaker). This creates five new pieces of information, which in the M / S representation have the following values in the order from left to right:
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.-.- M formula happens uniformly.
Incidentally, absolute lines always mean in-phase with M.
In the same way, the reproduction system according to the invention can be applied to n-channels if the information for the individual channels is determined as stated above.
For the practical case of using three loudspeakers, which is primarily of interest, an electrical control circuit is required which produces the information 1 S 1 by reversing the polarity of the information S depending on the phase position from S to M. For this you can z. B. the inputs of two amplifier stages in parallel and their outputs in antiphase in series or vice versa, their inputs in antiphase in series and their outputs in parallel. The information S is fed to the inputs.
The control signal applied to the grid of the amplifier stages ensures that, depending on whether it is positive or negative, one amplifier stage is opened and the other blocked, so that either S or -S is produced at the output. The primary signals X and Y are individually rectified to produce the control signal. The difference between the two rectified voltages can either be used as a control
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transmission or by suitable voltage divider circuits with the information S and M according to the formulas given above for three loudspeakers.
Instead of controlled amplifier stages, circuits can also be used in which diode stages are blocked or opened by means of suitable bias voltages, with the control signal being obtained in the same way as described above.
The same information required for the three loudspeakers can also be obtained by distributing the existing primary information to the three loudspeakers according to the following scheme by the electrical control circuit:
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<tb>
<tb> left <SEP> middle <SEP> right
<tb> for X / Y <SEP>> 1 <SEP> X-Y <SEP> 2Y <SEP> 0 <SEP>
<tb> for X / Y = <SEP> l <SEP> 0 <SEP> X + Y <SEP> 0
<tb> for <SEP> X / Y <SEP> <<SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 2 <SEP> X <SEP> Y-X <SEP>
<tb>
The electrical control circuit is also supplied with the difference between the rectified primary information X and Y and controlled diode or amplifier stages are used to open or
Blocking the paths for the primary information to the speakers causes.
If more than three speakers are used, more control circuits are necessary, e.g. B. with five loudspeakers besides S also M must be switched by the control signal formed from X and Y.
In all of the previous considerations about the mode of operation of the playback system according to the invention, it was assumed that only one sound source is operating at any point in time. If two spatially separated, temporally constant sound sources are working at the same time, i.e. if there is no switchover, this method cannot deliver a full three-channel reproduction because the information available in two channels is not always sufficient for three-channel reproduction.
There is, however, a certain spatial differentiation between sound sources that work simultaneously with continuous tone, because in most cases two loudspeakers work at the same time. The loudspeaker further to the left reproduces the greater part of the X signal and the loudspeaker further to the right reproduces the greater part of the Y signal. According to these considerations, the spatial differentiation between two simultaneous sound sources with continuous tone is better than with the control tone method and with System C.
In some cases, system D separates two simultaneous sound sources perfectly. Befi1J. detsichz. B. the one sound source so far to the left that it essentially only has an X signal
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and no Y signal is delivering and the other sound source is exactly in the middle, so that its X signal has the same amplitude as its Y signal, so on the whole the X signal has a greater amplitude than the Y signal. The three loudspeakers emit the following three signals: left: X - Y, middle: 2 Y, right: 0.
In the case of the X-Y signal, the components of the middle sound source cancel each other out. The left loudspeaker only emits the signal from the left sound source. Likewise, the middle loudspeaker only emits the signal from the middle sound source because the left sound source does not make any contribution to the Y signal.
In order to achieve an optimal compromise between the correct location of individual and multiple sound sources, it is advisable to combine the playback system according to the invention with the known playback systems in a suitable ratio, especially with system A.
Impulse-like sound processes are best reproduced with the reproduction system according to the invention if short switching times are used. In order to reproduce all processes satisfactorily, including the quasi-stationary ones, it is advisable to select the switching time according to subjective requirements, taking into account the inertia of human hearing.
In the same way as with the known control tone method, the playback system according to the invention (system D) can split the primary signals into several frequency bands and control them individually according to the method described.
PATENT CLAIMS:
1. System for two-channel playback in the form of X and Y or M and S signals of transmitted or recorded stereophonic sound information via more than two loudspeakers by means of control signals that are obtained from the level difference between the two transmitted or recorded primary signals, characterized in that, that the control signals depending on the direction of the deviation
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Bination of the signals, which are obtained by forming one or more sums and differences, switch to the individual loudspeaker channels.
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