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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von kopfbezogenen Übertragungsfunktionen, insbesondere in nicht-reflexionsarmen Räumen.
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Stand der Technik
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Die Wahrnehmung und subjektive Bewertung von Schallereignissen, wie beispielsweise von Wohlklang, dem Informationsgehalt oder Lärm ist bedeutend an die bewusste und unbewusste Wahrnehmung der Richtung bzw. Richtungsverteilung eintreffender Schallwellen geknüpft.
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Der räumliche Eindruck einer bestimmten akustisch relevanten Situation, wie beispielsweise eines Konzertbesuchs oder beim Autofahren, kann dabei prinzipiell im Labor oder im häuslichen Bereich über Kopfhörer oder Lautsprecheranordnungen reproduziert werden, wenn alle akustischen Übertragungsfunktionen der Original- und der Reproduktionssituation sowohl statisch als auch dynamisch bekannt sind. Dabei spielen besonders auch die sogenannten kopfbezogenen Übertragungsfunktionen (engl.: head related transfer functions HRTFs), d. h. Übertragungsfunktionen zwischen allen akustischen Teilquellen und einer geeigneten Stelle im Gehörgang des Hörers eine große Rolle. Die kopfbezogenen Übertragungsfunktionen beschreiben dabei die Übertragung von Schallwellen aus dem Freifeld in den Gehörgang. So sind die kopfbezogenen Übertragungsfunktionen für die Reproduktion akustischer Signale von erheblicher Bedeutung.
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Diese HRTFs müssen für beide Ohren und alle potenziellen Quellorte mit Winkelauflösungen von nur wenigen Grad vorhanden sein.
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Das bedeutet in der Regel einen sehr hohen Aufwand bei der Messung solcher Übertragungsfunktionen, da zum einen die Anzahl der Messungen sehr hoch ist und zum anderen für die Messung spezielle schallreflexionsarme Räume als Messräume erforderlich sind, die nur in wenigen Forschungsinstituten und großen Unternehmen existieren und deren Aufbau mit erheblichen Kosten verbunden ist und deren Verfügbarkeit daher erheblich beschränkt ist. Diese schallreflexionsarmen Räume sind daher bislang von hoher Bedeutung gewesen, weil Reflexionen jeglicher Art den Messfehler bei der Bestimmung der kopfbezogenen Übertragungsfunktionen erhöht haben.
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Ware es möglich, den diesbezüglichen Messaufwand deutlich zu reduzieren, könnte die realitätsgetreue räumliche Wiedergabe von Schallereignissen beispielsweise beim Konsum hochwertiger Musikaufnahmen starker als bisher Anwendung findet.
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Traditionell werden zur Berücksichtigung von Richtungsinformationen in der Akustik sogenannte Kunstköpfe, d. h. Nachbildungen des menschlichen Kopfes und der Außenohren, bei denen an der Stelle der Trommelfelle Mikrofone eingesetzt sind, benutzt. Kunstköpfe haben jedoch den Nachteil, dass sie inhärent nicht-individuell sind, was zu einer Reihe von Verfälschungen bei der Wiedergabe führt, wie beispielsweise die im-Kopf-Lokalisation, vorn-hinten-Vertauschungen und Klangverfärbungen.
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Die Bestimmung individueller kopfbezogener Übertragungsfunktionen kann durch Messung oder numerische Simulation erfolgen. Detailgetreue numerische Simulationen wurden mit der Randelement-Methode und der Finite-Differenzen-Methode realisiert. Diese Simulationen sind jedoch bereits bei der Erstellung des geometrischen Modells extrem aufwändig und können zudem in der Regel nicht exakt die akustischen Eigenschaften von Haut, Haaren und Bekleidung berücksichtigen.
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Bei der Messung individueller HRTFs sind in den letzten Jahren Fortschritte erzielt worden, insbesondere hinsichtlich der Parallelisierung der Messungen durch Aufbauten mit Lautsprecher-Arrays und entsprechender Signalverarbeitung. Dennoch ist bislang stets ein reflexionsarmer Raum notwendig gewesen, in welchem die Messungen durchgeführt wurden.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche bzw. welches eine Bestimmung von kopfbezogenen Übertragungsfunktionen auch in nicht-reflexionsarmen Räumen erlaubt.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von kopfbezogenen Übertragungsfunktionen am menschlichen Kopf oder Ohr, insbesondere in nicht-reflexionsarmen Räumen, mit mindestens einem Lautsprecher und mindestens zwei Mikrofonen, wobei der Lautsprecher ist in einer vordefinierten Entfernung von der Kopfmitte einer Versuchsperson positioniert ist, wobei jeweils eines der Mikrofone im Wesentlichen am Eingang des Gehörganges oder im Gehörgang des jeweiligen Ohrs angeordnet ist, mit einer Drehanordnung zur Drehung des Kopfs, mit einer Wiedergabe- und/oder Aufnahmevorrichtung, welche mit dem zumindest einen Lautsprecher und den zumindest zwei Mikrofonen in Verbindung steht zur Bestimmung der Übertragungsfunktion zwischen dem zumindest einen Lautsprecher und den zumindest zwei Mikrofonen. Damit kann eine Übertragungsfunktion ermittelt werden, welche auch winkelabhängig bestimmbar ist.
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Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn die Drehanordnung ein Drehstuhl ist, auf welchem eine Versuchsperson platzierbar ist, welcher manuell oder motorisch angetrieben verdrehbar und/oder in verschiedenen Winkelpositionen einstellbar ist. Dadurch kann manuell oder gesteuert eine Verdrehung nach jeder Messung durchgeführt werden.
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Zweckmäßig ist es, wenn eine Mehrzahl von Lautsprechern vorgesehen ist, wobei zumindest einige der Lautsprecher in einem Bogen angeordnet sind. So kann eine vorteilhafte Verteilung der von den Lautsprechern ausgehenden Signale erfolgen.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die Lautsprecher in einem Bogen, insbesondere in einem Kreisabschnitt oder Halbkreis, angeordnet, wie insbesondere um den Kopf angeordnet sind. Dabei ist der Kopf vorteilhafter Weise etwa der Mittelpunkt des Kreisabschnitts.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die Lautsprecher in einer vertikalen Ebene angeordnet sind, welche auch dem Kopf der Versuchsperson schneidet. So kann die Versuchsperson relativ zu der Ebene verdreht werden. Dabei liegt die Drehachse vorteilhaft in der Ebene.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die Anzahl der Lautsprechern (LS1, ..., LSN) in Abhängigkeit der Winkelauflösung in der vertikalen variierbar ist. So kann eine größere oder kleinere Anzahl von Lautsprechern vorgesehen sein, wie etwa 2 bis 4 oder 5 bis 10 Lautsprecher.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die Lautsprecher mittels einer Haltevorrichtung angeordnet sind, welche an die Lage des Kopfs anpassbar anordenbar ist.
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Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung in einem Raum angeordnet ist, wobei die Mikrofone mindestens 1 m über dem Boden des Raums angeordnet sind und/oder die Mikrofone mindestens 1 m von der Raumdecke beabstandet angeordnet sind. Dadurch können Reflexionen von Boden und/oder Decke definiert berücksichtigt werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Wiedergabe- und/oder Aufnahmevorrichtung Signale erzeugt, mittels welchen von dem Lautsprecher oder von den Lautsprechern ausgegebene Töne/Signale erzeugbar sind, wobei die Mikrofone die von ihnen aufgenommenen Signale an die Wiedergabe- und/oder Aufnahmevorrichtung zur Bestimmung der Übertragungsfunktion zwischen dem Lautsprecher oder den Lautsprechern und den Mikrofonen weiterleiten. Dadurch kann die Art und der Umfang der Signale gesteuert werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn Absorber und/oder Isolationsmaterial vorgesehen sind, welche eine rückwärtige und/oder seitliche Abstrahlung des Lautsprecherschalls reduzieren oder unterdrücken. Dadurch können gewisse Reflexionen durch mechanische bzw. akustische Maßnahmen reduziert oder vermieden werden. Dadurch werden Reflexionen reduziert, die von nicht so weit entfernten Begrenzungen, wie von Boden oder Decke resultieren.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn der oder die Absorber und/oder das Isolationsmaterial hinter und/oder seitlich eines oder mehrerer oder aller Lautsprecher vorgesehen ist bzw. sind. Dies verbessert die Reduktion unerwünschter Reflexionen.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn Absorber oder Isolationsmaterial am Boden angeordnet ist/sind, um die Bodenreflektion zu dämpfen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn eine Haltevorrichtung zur Stabilisierung der Kopfposition vorgesehen ist. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Kopfposition während der Versuchsdurchführung nicht verändert wird, was anderenfalls einen nachteiligen Einfluss auf die Ergebnisse hätte, weil die Verlagerung des Kopfes Einfluss auf die Übertragungsfunktion hätte.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen von Anspruch 14 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von kopfbezogenen Übertragungsfunktionen am menschlichen Kopf oder Ohr, insbesondere in nicht-reflexionsarmen Räumen, insbesondere unter Nutzung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Lautsprecher und mindestens zwei Mikrofone verwendet werden, wobei der Lautsprecher in einer vordefinierten Entfernung von der Kopfmitte einer Versuchsperson positioniert ist, wobei jeweils eines der Mikrofone im Wesentlichen am Eingang des Gehörganges oder im Gehörgang des jeweiligen Ohrs der Versuchsperson angeordnet ist, wobei die Versuchsperson auf einer Drehanordnung zur Drehung des Kopfs angeordnet ist, wobei eine Wiedergabe- und/oder Aufnahmevorrichtung vorgesehen ist, welche mit dem zumindest einen Lautsprecher und den zumindest zwei Mikrofonen in Verbindung steht zur Bestimmung der Übertragungsfunktion zwischen dem zumindest einen Lautsprecher und den zumindest zwei Mikrofonen, wobei die Übertragungsfunktion mittels Schallsignalen für den zumindest einen Lautsprecher bestimmt wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn nacheinander eine Mehrzahl von Messungen durchgeführt wird, wobei die Drehanordnung für jede Messung um einen definierten Winkelverdreht wird. Dadurch kann eine Aufnahme durchgeführt werden, um eine Winkel- oder Raumabhängigkeit der Übertragungsfunktion bestimmen zu können.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die Messungen derart durchgeführt werden, dass für jeden horizontalen Einfallswinkel eine Messung vorliegt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn aus den Übertragungsfunktionen Impulsantworten bestimmt, wie insbesondere errechnet, werden, deren Länge auf eine vorgegebene Länge geschnitten wird, um die Reflexionen aus dem Raum auszublenden. Dadurch werden Reflexionen reduziert, die nicht durch die Absorber reduziert werden. Dies betrifft insbesondere Reflexionen von weiter entfernten Begrenzungen, wie von Seitenwänden.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die vorgegebene Länge 3 ms oder weniger beträgt. So können Reflexionen vorteilhaft ausgeblendet werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Bestimmung der Impulsantworten unmittelbar oder zeitverzögert erfolgt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine Ansicht einer Drehanordnung, und
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3 eine Ansicht eines Lautsprechers mit Absorbern.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung von kopfbezogenen Übertragungsfunktionen am menschlichen Kopf oder Ohr, insbesondere in nicht-reflexionsarmen Räumen. Dazu wird eine Testperson 2 mit ihrem Kopf 3 auf eine Drehanordnung 4 platziert, welche bevorzugt ein Drehstuhl ist.
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Weiterhin ist mindestens ein Lautsprecher 5 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind fünf Lautsprecher 5 vorgesehen, die in einem Bogen 6 angeordnet sind. Dazu ist eine Haltevorrichtung 7 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist also zumindest ein Lautsprecher 5 oder eine Mehrzahl von Lautsprechern 5 vorgesehen. Dabei können zumindest einige der Lautsprecher 5 in einem Bogen 6 angeordnet sein. Dabei sind die Lautsprecher 5 in einem Bogen, insbesondere in einem Kreisabschnitt oder Halbkreis, angeordnet, wobei die Lautsprecher 5 bevorzugt um den Kopf 3 insbesondere als Mittelpunkt der Lautsprecheranordnung angeordnet sind. Die Lautsprecher 5 sind dabei in einer vertikalen Ebene angeordnet, welche auch dem Kopf 3 der Versuchsperson 2 schneidet. Dabei kann die Anzahl der Lautsprecher 5 (LS1, ..., LSN) in Abhängigkeit der Winkelauflösung in der vertikalen variierbar sein. In 1 sind fünf Lautsprecher 5 angeordnet, wobei auch mehr oder weniger Lautsprecher 5, wie 1, 2, 3, 4 oder 6, 7 oder 8 oder mehr Lautsprecher vorgesehen sein können. Der Lautsprecher 5 oder die Lautsprecher 5 sind in einer vordefinierten Entfernung von der Kopfmitte der Versuchsperson 2 positioniert. Die Lautsprecher 5 sind mittels einer Haltevorrichtung 7 angeordnet, welche an die Lage des Kopfs 3 anpassbar ist.
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Weiterhin sind mindestens zwei Mikrofone 8 vorgesehen, wobei jeweils eines der Mikrofone 8 im Wesentlichen am Eingang des Gehörganges oder im Gehörgang des jeweiligen Ohrs 3 der Versuchsperson angeordnet sind.
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Weiterhin ist eine Wiedergabe- und/oder Aufnahmevorrichtung 9 vorgesehen, welche mit dem zumindest einen Lautsprecher 5 und den zumindest zwei Mikrofonen 8 in Verbindung steht, zur Bestimmung der Übertragungsfunktion zwischen dem zumindest einen Lautsprecher 5 und den zumindest zwei Mikrofonen 8. Die Wiedergabe- und/oder Aufnahmevorrichtung 9 erzeugt Signale, mittels welchen von dem Lautsprecher 5 oder von den Lautsprechern 5 ausgegebene Töne erzeugbar sind, wobei die Mikrofone 8 die von ihnen aufgenommenen Signale an die Wiedergabe- und/oder Aufnahmevorrichtung 9 zur Bestimmung der Übertragungsfunktion zwischen dem Lautsprecher 5 oder den Lautsprechern 5 und den Mikrofonen 8 weiterleiten.
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Die Drehanordnung 4, wie der Drehstuhl, kann manuell oder motorisch angetrieben verdrehbar ausgebildet sein, so dass sie es zur Durchführung der Messungen erlaubt, die Versuchsperson 2 bzw. den Kopf 3 der Versuchsperson 2 in verschiedenen Winkelpositionen relativ zu dem Lautsprecher 5 oder zu den Lautsprechern 5 einstellen zu können.
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Die Vorrichtung in bevorzugt in einem Raum 10 angeordnet, wobei die Mikrofone 8 in Höhe h mindestens 1 m über dem Boden 11 des Raums 10 angeordnet sind und/oder die Mikrofone mindestens 1 m von der Raumdecke 12 beabstandet angeordnet sind.
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Weiterhin sind Absorber 13 und/oder Isolationsmaterial vorgesehen, welche eine rückwärtige und/oder seitliche Abstrahlung des Lautsprecherschalls reduzieren oder unterdrücken. Diese Absorber 13 sind hinter und/oder seitlich eines oder mehrerer oder aller Lautsprecher 5 vorgesehen. In 3 ist beispielhaft ein Lautsprecher 5 mit drei Absorbern 13 gezeigt. Ein Absorber ist hinter dem Lautsprecher 5 und senkrecht zur Hauptabstrahlungsrichtung 15 des Lautsprechers 5 angeordnet. Auch sind zwei weitere Absorber 13 vorgesehen, die im Wesentlichen seitlich des Lautsprechers 5 und in einem spitzen Winkel zur Hauptabstrahlungsrichtung 15 ausgerichtet sind. Dabei sind die weiteren beiden Absorber in einer sich öffnenden Konfiguration angeordnet, so dass sie sich in Richtung der Hauptabstrahlungsrichtung öffnen.
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In 1 sind weiterhin Absorber 14 oder Isolationsmaterial vorgesehen, die am Boden angeordnet sind, um die Bodenreflektion zu dämpfen.
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Die 2 zeigt eine Drehanordnung 4 als Drehstuhl, auf welchem die Versuchsperson 2 mit Kopf 3 positionierbar ist. Auch ist an der Drehanordnung 4 eine Haltevorrichtung 16 zur Stabilisierung der Kopfposition der Versuchsperson 2 vorgesehen.
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Zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung von kopfbezogenen Übertragungsfunktionen am menschlichen Kopf oder Ohr, insbesondere in nicht-reflexionsarmen Räumen, wird die Vorrichtung 1 verwendet. Dabei wird bevorzugt nacheinander eine Mehrzahl von Messungen durchgeführt, wobei die Drehanordnung 4 für jede Messung um einen definierten Winkel um die Hochachse verdreht wird. Dadurch können Messungen derart durchgeführt werden, dass für jeden horizontalen Einfallswinkel eine Messung vorliegt.
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Aus den Übertragungsfunktionen können Impulsantworten bestimmt, wie insbesondere errechnet, werden. Dabei wird jeweils ein Sinussignal, auch Sinussweep genannt, über den gesamten Hörbereich nach einander oder versetzt von jedem Lautsprecher gemessen. Sende- und Empfangs-Signal, wie Sende- und Empfangssweep, werden in den Frequenzbereich transformiert. Im Frequenzbereich wird die Übertragungsfunktion ermittelt und nach Rücktransformation in den Zeitbereich liegt die Impulsantwort vor. Das gleiche Messverfahren kann auch mit anderen breitbandigen Signalen durchgeführt werden.
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Zur Ausblendung von Reflexionen von Begrenzungen aus weiterer Entfernung werden aus den Übertragungsfunktionen Impulsantworten bestimmt, wie insbesondere errechnet, wobei deren Länge auf eine vorgegebene Länge geschnitten wird, um die Reflexionen aus dem Raum auszublenden. Dabei ist die vorgegebene Länge der Impulsantwort 3 ms oder weniger vorteilhaft. Dabei kann die Bestimmung der Impulsantworten unmittelbar oder zeitverzögert erfolgt.
