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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Elektroakustik und insbesondere auf Konzepte zum Erzeugen und Wiedergeben von Audiosignalen.
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Typischerweise werden akustische Szenen unter Verwendung eines Satzes von Mikrophonen aufgenommen. Jedes Mikrophon gibt ein Mikrophonsignal aus. Für eine Audioszene eines Orchesters, beispielsweise, können 25 Mikrophone verwendet werden. Dann führt ein Toningenieur eine Mischung der 25 Mikrophon-Ausgangssignale in, beispielsweise, ein Standardformat durch, wie beispielsweise ein Stereoformat, ein 5.1 -, ein 7.1 -, ein 7.2-, oder ein anderes entsprechendes Format. Bei einem Stereoformat werden beispielsweise durch den Toningenieur oder einen automatischen Mischprozess zwei Stereokanäle erzeugt. Bei einem 5.1-Format resultiert das Mischen in fünf Kanälen und einem Subwoofer-Kanal. Analog hierzu wird beispielsweise in einem 7.2-Format eine Mischung in sieben Kanäle und zwei Subwoofer-Kanäle vorgenommen. Wenn die Audioszene in einer Wiedergabeumgebung „gerendert“ bzw. aufbereitet werden soll, wird ein Mischergebnis an elektrodynamische Lautsprecher angelegt. In einem Stereo-Wiedergabeszenario existieren zwei Lautsprecher, wobei der erste Lautsprecher den ersten Stereokanal empfängt, und der zweite Lautsprecher den zweiten Stereokanal empfängt. In einem 7.2-Wiedergabeformat existieren beispielsweise sieben Lautsprecher an vorbestimmten Positionen und darüber hinaus zwei Subwoofer, die relativ beliebig platziert werden können. Die sieben Kanäle werden an die entsprechenden Lautsprecher angelegt, und die zwei Subwoofer-Kanäle werden an die entsprechenden Subwoofer angelegt.
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Die Verwendung einer einzigen Mikrophonanordnung bei der Erfassung von Audiosignalen und die Verwendung einer einzigen Lautsprecheranordnung bei der Wiedergabe der Audiosignale vernachlässigen typischerweise die wahre Natur der Schallquellen. Das europäische Patent
EP 2692154 B1 beschreibt ein Set zum Erfassen und Wiedergeben einer Audioszene, bei dem nicht nur die Translation aufgenommen und wiedergegeben wird, sondern auch die Rotation und darüber hinaus auch die Vibration. Daher wird eine Tonszene nicht nur durch ein einziges Erfassungssignal oder ein einziges gemischtes Signal wiedergegeben, sondern durch zwei Erfassungssignale oder zwei gemischte Signale, die einerseits simultan aufgezeichnet werden, und die andererseits simultan wiedergegeben werden. Damit wird erreicht, dass unterschiedliche Emissionscharakteristika von der Audioszene im Vergleich zu einer Standard-Aufnahme aufgezeichnet werden und in einer Wiedergabeumgebung wiedergegeben werden.
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Hierzu wird, wie es in dem europäischen Patent dargestellt ist, ein Satz von Mikrophonen zwischen der akustischen Szene und einem (gedachten) Zuhörerraum platziert, um das „konventionelle“ oder Translations-Signal zu erfassen, das sich durch eine hohe Gerichtetheit bzw. hohe Güte auszeichnet.
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Darüber hinaus wird ein zweiter Satz von Mikrophonen oberhalb oder seitlich von der akustischen Szene platziert, um ein Signal mit niedriger Güte bzw. niedriger Gerichtetheit aufzuzeichnen, das die Rotation der Schallwellen im Gegensatz zur Translation abbilden soll.
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Auf der Wiedergabeseite werden an den typischen Standardpositionen entsprechende Lautsprecher platziert, von denen jeder eine omnidirektionale Anordnung hat, um das Rotationssignal wiederzugeben, und eine direktionale Anordnung hat, um das „konventionelle“ translatorische Schallsignal wiederzugeben. Ferner existiert noch ein Subwoofer entweder an jeder der Standard-Positionen oder nur ein einziger Subwoofer an irgendeiner Stelle.
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Das europäische Patent
EP 2692144 B1 offenbart einen Lautsprecher zum Wiedergeben von, einerseits, dem translatorischen Audiosignal und, andererseits, dem rotatorischen Audiosignal. Der Lautsprecher hat also eine omnidirektional emittierende Anordnung einerseits und eine direktional emittierende Anordnung andererseits.
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Das europäische Patent
EP 2692151 B1 offenbart ein Elektretmikrophon, das zum Aufzeichnen des omnidirektionalen oder des direktionalen Signals eingesetzt werden kann.
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Das europäische Patent
EP 3061262 B1 offenbart einen Ohrhörer und ein Verfahren zum Herstellen eines Ohrhörers, der sowohl ein translatorisches Schallfeld als auch ein rotatorisches Schallfeld erzeugt.
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Die zur Erteilung vorgesehene europäische Patentanmeldung
EP 3061266 A1 offenbart einen Kopfhörer und ein Verfahren zum Erzeugen eines Kopfhörers, der ausgebildet ist, um unter Verwendung eines ersten Wandlers das „konventionelle“ translatorische Schallsignal zu erzeugen, und unter Verwendung eines zweiten senkrecht zum ersten Wandler angeordneten Wandlers das rotatorische Schallfeld zu erzeugen.
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Die Aufzeichnung und Wiedergabe des rotatorischen Schallfelds zusätzlich zum translatorischen Schallfeld führt zu einer signifikant verbesserten und damit hochqualitativen Audiosignalwahrnehmung, die nahezu den Eindruck eines Live-Konzertes vermittelt, obgleich das Audiosignal durch Lautsprecher oder Kopf- bzw. Ohrhörer wiedergebeben wird.
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Damit wird ein Schallerlebnis erreicht, das nahezu nicht unterscheidbar von der ursprünglichen Tonszene ist, bei der der Schall nicht durch Lautsprecher, sondern durch Musikinstrumente oder menschliche Stimmen emittiert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass berücksichtigt wird, dass der Schall nicht nur translatorisch, sondern auch rotatorisch und gegebenenfalls auch vibratorisch emittiert wird und daher entsprechend aufgezeichnet und auch wiedergegeben werden soll.
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Nachteilig an dem beschriebenen Konzept ist, dass die Aufzeichnung des zusätzlichen Signals, das die Rotation des Schallfelds wiedergibt, einen weiteren Aufwand darstellt. Darüber hinaus existieren viele Musikstücke, seien es Klassik-Stücke oder Pop-Stücke, bei denen nur das konventionelle translatorische Schallfeld aufgezeichnet worden ist. Diese Stücke sind typischerweise noch in ihrer Datenrate stark komprimiert, wie beispielsweise gemäß dem MP3-Standard oder dem MP4-Standard, was zu einer zusätzlichen Qualitätsverschlechterung beiträgt, die jedoch normalerweise nur für geübte Hörer hörbar ist. Andererseits existieren fast keine Audiostücke mehr, die nicht wenigstens im Stereo-Format aufgezeichnet sind, also mit einem linken Kanal und einem rechten Kanal. Die Entwicklung geht sogar eher in die Richtung, dass mehr Kanäle als ein linker und ein rechter Kanal erzeugt werden, dass also Surround-Aufzeichnungen mit zum Beispiel fünf Kanälen oder sogar Aufzeichnungen mit höheren Formaten erzeugt werden, was unter dem Stichwort MPEG-Surround oder Dolby Digital in der Technik bekannt ist.
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Damit existieren sehr viele verschiedene Stücke, die wenigstens im Stereo-Format, also mit einem ersten Kanal für die linke Seite und einem zweiten Kanal für die rechte Seite aufgezeichnet sind. Es existieren sogar immer mehr Stücke, bei denen eine Aufzeichnung mit mehr als zwei Kanälen erfolgt ist, beispielsweise für ein Format mit mehreren Kanälen auf der linken Seite und mehreren Kanälen auf der rechten Seite und einem Kanal in der Mitte. Noch höher aufgestellte Formate verwenden mehr als fünf Kanäle in der Ebene und darüber hinaus noch Kanäle von oben oder Kanäle von schräg oben und gegebenenfalls auch, wenn möglich, Kanäle von unten.
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Allerdings haben alle diese Formate gemeinsam, dass sie lediglich den konventionellen translatorischen Schall wiedergeben, indem die einzelnen Kanäle auf entsprechende Lautsprecher mit entsprechenden Wandlern gegeben werden.
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Die
WO 2010/ 105 280 A1 offenbart auf den Ohren aufliegender Kopfhörer für ein Stereosignal, das ein Signal eines rechten Kanals und ein Signal eines linken Kanals umfasst. Der Kopfhörer hat Ohrpolster für beide Ohren, die jeweils einen elektroakustischen Hauptwandler aufweisen, wobei einem Hauptwandler das Signal des rechten Kanals oder das Signal des linken Kanals in seiner ursprünglichen Form oder in aufbereiteter Form zugeführt wird. Auf den zum Kopf gerichteten Seiten des Benutzers umfassen die Ohrpolster jeweils eine Verlängerung, in der zumindest teilweise ein Hilfswandler angeordnet ist, dem ein Signal zugeführt wird, das ein Differenzsignal zwischen den Signalen des rechten und des linken Kanals enthält.
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Die
DE 10 2013 221 754 A1 offenbart einen Kopfhörer. Dieser umfasst ein linkes Lautsprecherelement, ein rechtes Lautsprecherelement, und eine Halterung zum Halten des linken Lautsprecherelements und des rechten Lautsprecherelements, so dass die Lautsprecherelemente an Ohren anbringbar sind, wobei das linke Lautsprecherelement oder das rechte Lautsprecherelement folgende Merkmale aufweist: einen ersten Schallwandler und einen zweiten Schallwandler, wobei der erste Schallwandler so ausgebildet ist, dass der erste Schallwandler eine gerichtete Abstrahlung in Richtung eines Ohrs in Betriebsposition des Kopfhörers liefert und der zweite Schallwandler so ausgebildet ist, dass der zweite Schallwandler keine oder eine kleinere gerichtete Abstrahlung als der erste Schallwandler in Richtung des Ohrs in der Betriebsposition des Kopfhörers liefert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Konzept zum Erzeugen oder Wiedergeben eines ersten Ansteuersignals für einen ersten Wandler und eines zweiten Ansteuersignals für einen zweiten Wandler zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird ein Lautsprechersystem nach Anspruch 1 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine synthetische Erzeugungdes Rotationssignals dann möglich ist, wenn ein Audiostück mit mehr als einem Kanal, also bereits mit zwei zum Beispiel Stereo-Kanälen oder noch mehr Kanälen existiert. Durch Berechnen einer zumindest näherungsweisen Differenz wird erfindungsgemäß zumindest eine Approximation an das Differenzsignal beziehungsweise Rotationssignal erhalten, das dann verwendet werden kann, um einen omnidirektionalen beziehungsweise einen Wandler mit geringerer Richtungswirkung anzusteuern, um dadurch aus einem eigentlich lediglich translatorisch aufgezeichneten Signal auch eine Rotationskomponente abzuleiten und im Schallfeld wiederzugeben.
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Das näherungsweise Differenzsignal wird durch einen Signalmanipulator manipuliert, um das zweite Ansteuersignal für einen rotatorischen Wandler zu erhalten. Die Signalmanipulation findet insbesondere dadurch statt, dass das Kombinationssignal verzögert wird und/oder dass das Kombinationssignal frequenzselektiv verstärkt oder gedämpft wird, um einer nicht-linearen Wandlercharakteristik über der Frequenz des zweiten Wandlers, d. h. des rotatorischen Wandlers, zumindest teilweise entgegenzuwirken. Alternativ oder zusätzlich wird zur Verbesserung der Empfangsqualität eine Bandbreiten-Erweiterungsstufe vorgesehen, und zwar bevorzugt für das erste Ansteuersignal für den (normalen) translatorischen Wandler und je nach Implementierung auch für das dritte Ansteuersignal für den zweiten (konventionellen) translatorischen Wandler. Dagegen wird das vierte Ansteuersignal für den weiteren rotatorischen Wandler wieder vorzugsweise verzögert und/oder durch ein Linearisierungsfilter linearisiert, um den typischerweise stark nicht-linearen Frequenzgang des rotatorischen Wandlers zumindest teilweise zu kompensieren.
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Im Gegensatz zu einer üblichen Bandbreiten-Erweiterung wird erfindungsgemäß nicht auf den hörbaren Bereich, der sich z. B. bis 20 kHz erstreckt, abgezielt, sondern auf den darüber liegenden nicht-hörbaren Bereich. Um eine realistische Schallwahrnehmung zu erreichen, wird Schallenergie in dem nicht-hörbaren Bereich über 20 kHz emittiert, wobei das Signal für die Schallenergie im nicht-hörbaren Bereich vom hörbaren Schallsignal durch Bandbreiten-Erweiterung entweder nicht-harmonischer Natur oder vorzugsweise harmonischer Natur abgeleitet worden ist. Ferner wird im Gegensatz zu einer üblichen Bandbreiten-Erweiterung dieses synthetisch erzeugte nicht-hörbare Spektrum verstärkt statt gedämpft, um wieder zu erreichen, dass die typischen konventionellen translatorischen Schallwandler im nicht-hörbaren Bereich noch genug Schallenergie emittieren, obgleich der Emissions-Wirkungsgrad zu Frequenzen über 30 bis 40 kHz typischerweise abnimmt. Es wird jedoch bevorzugt, Schallsignale bis zu 80 kHz zu emittieren.
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Obgleich diese Schallsignale nicht unmittelbar hörbar sind, haben sie dennoch einen entscheidenden Effekt auf die Qualität des hörbaren Signals, da das Oberwellenspektrum bei diesen hohen Frequenzen dazu dient, die Luft gewissermaßen zu konditionieren, damit sich Schallsignale mit niedrigeren Frequenzen im Oberwellenspektrum durch die Luft besser ausbreiten können. Damit wird für bestimmte Schallsignale der „Dschungel“-Effekt erreicht, der sich dadurch äußert, dass bestimmte z. B. sehr eindringlich klingende Papageien beispielsweise über eine sehr weite Strecke hörbar sind, obgleich dies nach den normalen Ausbreitungsgesetzen, nach denen die Schallenergie im Quadrat des Abstands abnimmt, eigentlich nicht sein dürfte. Die besonders gute Ausbreitungseigenschaft von solchen natürlichen Signalen liegt daran, dass die Audiosignale einen besonders leistungskräftigen und zu sehr hohen Frequenzen reichenden Oberwellenanteil haben, welcher für die besagte Luft-Vorkonditionierung dient. Ähnlich ist es beispielsweise für bestimmte Schlag-Instrumente im Orchester, wie beispielsweise eine Triangel. Diese erzeugt zwar keinen besonders hohen Schalldruckpegel, ist jedoch besonders deutlich auch noch in beachtlicher Entfernung, z. B. auch in den hinteren Reihen eines Konzertsaals gut zu hören. Auch hier wird davon ausgegangen, dass diese besonders gute Hörbarkeit dadurch erreicht wird, dass durch einen besonders starken Oberwellengehalt die Luft, in der sich die hörbaren Schallwellen ausbreiten, vorkonditioniert wird, damit die eigentlich stattfindende Abnahme der Lautstärke proportional zum Quadrat des Abstands durch Energie aus den Oberwellen kompensiert wird, so dass bestimmte oberwellenreiche Signale besonders weit tragen und gleichzeitig trotz des großen Abstands zur Schallquelle deutlich hörbar sind.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird eine Verzögerung vorgenommen, um das Rotationssignal gegenüber dem translatorischen Signal zu verzögern, um den Präzedenz-Effekt bzw. den Haas-Effekt zu nutzen. Die dafür nötige Verzögerung in der Größenordnung von 10 bis 40 ms erreicht, dass nach dem Prinzip der ersten Wellenfront die Lokalisation der Schallquelle durch eine Zuhörerin oder einen Zuhörer aufgrund des translatorischen Signals erfolgt, welches die Richtungsinformation in sich trägt. Gleichzeitig stört dann das rotatorische Signal nicht die Richtungswahrnehmung, führt jedoch gleichzeitig zu einem hochqualitativen und naturgetreuen Audiosignalerlebnis aufgrund der Anregung von rotierenden Schallschnelle-Vektoren im Schallfeld durch den entsprechenden zweiten bzw. vierten Wandler, welcher das zweite bzw. vierte Ansteuersignal wiedergibt. Aufgrund des Haas-Effekts meint die Zuhörerin oder der Zuhörer, dass die rotierenden Anteile des Schallfeldes von der Quelle stammen, deren translatorisches Schallfeld kurz vorher das Ohr der Hörerin oder des Hörers erreicht hat.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen findet in dem Linearisierungsfilter lediglich eine grobe Linearisierung des typischerweise stark nichtlinearen Frequenzgangs des Wandlers bzw. Wandlersystems für die Wiedergabe des rotatorischen Schallfelds statt. Eine nichtlineare Emissionscharakteristik bzw. ein nichtlinearer Frequenzgang zeichnet sich typischerweise durch Überhöhungen und Auslöschungen aus. Erfindungsgemäß ist das Linearisierungsfilter lediglich ausgebildet, um Überhöhungen zumindest teilweise oder vorzugsweise ganz zu reduzieren, jedoch die Auslöschungen nahezu unangetastet zu lassen, um durch Vermeidung einer sonst nötigen starken Verstärkung in den Auslöschungen potenziell störende Artefakte zu vermeiden. So hat sich herausgestellt, dass ein rotierendes Schallfeld in seiner Qualität nicht merkbar beeinflusst wird, wenn aufgrund noch vorhandener Auslöschungen durch potenziell auftretende Kammfiltereffekte in den Wandlern für den rotatorischen Schall in dem Anteil des Schallfelds, der rotierende Schallschnelle-Vektoren aufweist, bestimmte Töne fehlen. Dagegen wird durch die Dämpfung der Überhöhungen vermieden, dass der rotierende Anteil des Schallfelds als unnatürlich wahrgenommen wird. Um eine günstige Einstellung des Linearisierungsfilters zu erhalten, wird bei bestimmten Ausführungsbeispielen bevorzugt, die Wiedergabe- bzw. Frequenzgangcharakteristik des rotatorischen Wandlers messtechnisch aufzunehmen und dann das Linearisierungsfilter für das Ansteuersignal für diesen Wandler ausgehend von der durchgeführten Messung einzustellen. Es kann jedoch auch eine für bestimmte Wandlerklassen vorgegebene Prototyp-Linearisierungscharakteristik eingestellt werden, die auch dann, wenn der tatsächliche zweite bzw. vierte Wandler nicht voll auf die Prototyp-Charakteristik passt, immer noch brauchbare Ergebnisse liefert.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zum Erzeugen des ersten Ansteuersignals für den ersten Wandler und des zweiten Ansteuersignals für den zweiten Wandler auch Mittel, um ein Ansteuersignal für den dritten und den vierten Wandler zu erzeugen, um eine beispielsweise Stereo-Wiedergabe über Lautsprecher zu erreichen. Sollen mehr als zwei Kanäle wiedergegeben werden, so werden weitere Ansteuersignale erzeugt, und zwar z. B. für einen linken hinteren Lautsprecher, einen rechten hinteren Lautsprecher und einen Mitten-Lautsprecher. Dann wird an jeder Stelle des standardisierten Lautsprecher-Ausgabeformats sowohl ein Wandler für den translatorischen Schall als auch ein Wandler für den rotatorischen Schall vorgesehen sein, und das erfindungsgemäße synthetisch erzeugte Ansteuersignal für den rotatorischen Schall wird für jede einzelne Lautsprecherposition ermittelt oder von ein und demselben manipulierten Kombinationssignal abgeleitet, je nach Aufwand der entsprechenden Ausführungsform.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird eine Schnittstelle vorgesehen, die das erste elektrische Signal, wie beispielsweise einen linken Kanal und ein zweites elektrisches Signal wie beispielsweise für einen rechten Kanal empfängt. Diese Signale werden einem Signalprozessor zugeführt, um das erste elektrische Signal für den ersten Wandler und das zweite elektrische Signal für einen dritten Wandler wiederzugeben. Diese Wandler sind die konventionellen Wandler. Darüber hinaus ist der Signalprozessor ausgebildet, um die zumindest näherungsweise Differenz aus dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal zu berechnen und um aus dieser Differenz ein drittes elektrisches Signal für einen zweiten Wandler oder ein viertes elektrisches Signal für einen vierten Wandler zu ermitteln.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Signalprozessor ausgebildet, um das erste elektrische Signal für den ersten Wandler und das zweite elektrische Signal für den dritten Wandler auszugeben, und um eine erste zumindest näherungsweise Differenz aus dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal zu berechnen, und um eine zweite zumindest näherungsweise Differenz aus dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal zu berechnen, und um ein drittes elektrisches Signal für den zweiten Wandler basierend auf der ersten zumindest näherungsweisen Differenz und ein viertes elektrisches Signal für den vierten Wandler basierend auf der zweiten zumindest näherungsweisen Differenz auszugeben. Vorzugsweise ist die Differenz eine genaue Differenz, bei der das zweite Signal um 180° verändert wird und mit dem ersten Signal addiert wird. Wenn dieses Signal die erste zumindest näherungsweise Differenz ist, ist die unterschiedliche zweite zumindest näherungsweise Differenz das, was sich ergibt, wenn das erste Signal um 180° phasenverschoben wird, also mit einem „Minus“ beaufschlagt wird und mit dem unveränderten zweiten Signal addiert wird. Alternativen bestehen darin, dass die erste zumindest näherungsweise Differenz berechnet wird und dass diese mit einer Phasenverschiebung von zum Beispiel 180° beaufschlagt wird, um die zweite zumindest näherungsweise Differenz zu berechnen. Dann wird also die zweite zumindest näherungsweise Differenz unmittelbar aus der ersten zumindest näherungsweisen Differenz ermittelt. Alternativ können beide Differenzen unabhängig voneinander ermittelt werden, und zwar beide aus den ursprünglichen ersten und zweiten elektrischen Signalen, also dem linken und dem rechten Eingangssignal.
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Die Differenz ist idealerweise ein Wert, den man erhält, wenn der erste Kanal von dem zweiten Kanal subtrahiert wird oder umgekehrt. Eine zumindest näherungsweise Differenz ergibt sich jedoch auch dadurch und ist in bestimmten Ausführungsbeispielen nützlich, wenn die Phasenverschiebung nicht 180° beträgt, sondern größer als 90° und kleiner als 270° ist. Bei dem noch bevorzugteren Bereich, der kleiner ist, beträgt die Phasenverschiebung einen Phasenwert zwischen 160° und 200°.
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In einem Ausführungsbeispiel kann eines der beiden Signale auch vor dem Differenzbilden mit einer Phasenverschiebung gleich oder unterschiedlich von 180° beaufschlagt werden und ggf. zusätzlich noch vor dem Aufaddieren einer frequenzabhängigen Verarbeitung unterzogen worden sein, wie beispielsweise durch eine Equalizer-Verarbeitung oder eine frequenzselektive oder nicht-frequenzselektive Verstärkung. Weitere Verarbeitungen, die entweder vor oder nach dem Differenzbilden durchgeführt werden können, bestehen in einer Hochpassfilterung. Wenn ein hochpassgefiltertes Signal mit dem anderen Signal zum Beispiel mit einem Winkel von 180° kombiniert wird, stellt das ebenfalls eine zumindest näherungsweise Differenz dar. Die Differenz, die zumindest näherungsweise ausgerechnet wird, um davon ausgehend das Signal zum Anregen von Rotationswellen in entsprechenden Wandlern zu erzeugen, die separat von den konventionellen Wandlern sind, kann angenähert werden, indem die Beträge der beiden Signale nicht verändert werden und die Phase zwischen den beiden Signalen zwischen einem Winkel zwischen 90 und 270° variiert wird. Es kann zum Beispiel ein Winkel von 180° verwendet werden. Die Amplituden der Signale können dabei frequenzselektiv oder nicht-frequenzselektiv variiert werden. Auch eine Kombination von frequenzselektiv oder nicht-frequenzselektiv variierten Amplituden der beiden elektrischen Signale zusammen mit einem Winkel zwischen 90 und 270° führt ebenfalls zu einem in vielen Fällen nützlichen Rotationsanregungssignal für die separaten Rotationswandler, also den zweiten Wandler auf der linken Seite und den zweiten Wandler auf der rechten Seite.
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Das Differenzsignal für die eine Seite und das unterschiedliche Differenzsignal für die andere Seite werden vorzugsweise für Lautsprecher, die vom Kopf des Zuhörers entfernt sind, eingesetzt. Jeder dieser Lautsprecher hat dann wenigstens zwei Wandler, die mit unterschiedlichen Signalen gespeist werden, wobei der erste Lautsprecher für die „linke Seite“ einen ersten Wandler hat, der mit dem ursprünglichen linken Signal beziehungsweise einem möglicherweise verzögerten linken Signal verspeist wird, während der zweite Wandler mit dem von der ersten zumindest näherungsweisen Differenz abgeleiteten Signal gespeist wird. Entsprechend werden dann die einzelnen Wandler des zweiten Lautsprechers für die „rechte Seite“ angesteuert.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem mehr als zwei Kanäle existieren, also beispielsweise bei einem 5.1-Signal, ist dem Signalprozessor oder der Schnittstelle ein Abwärtsmischer für das erste elektrische Signal, also für den linken Kanal, sowie ein weiterer Abwärtsmischer für das zweite elektrische Signal, also für den rechten Kanal, vorgeschaltet. Liegt das Signal dagegen als ursprüngliches Mikrofonsignal vor, wie beispielsweise als Ambisonics-Signal mit mehreren Komponenten, so ist jeder Abwärtsmischer ausgebildet, um aus dem Ambisonics-Signal entsprechend einen linken oder rechten Kanal auszurechnen, der dann vom Signalprozessor eingesetzt wird, um das dritte elektrische Signal und das vierte elektrische Signal auf der Basis von zumindest näherungsweisen Differenzen zu berechnen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Vorrichtung zum Erzeugen eines ersten Ansteuersignals und eines zweiten Ansteuersignals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine detailliertere Darstellung des Signalmanipulators von 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
- 3 eine detaillierte Darstellung des Signalkombinierers von 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sowie eine Darstellung der Einbindung einer Bandbreiten-Erweiterungsstufe für jedes Ansteuersignal für einen translatorischen Wandler;
- 4 eine alternative Implementierung der Vorrichtung zum Erzeugen mit unterschiedlicher Anordnung der Bandbreiten-Erweiterungsstufen bezüglich 3;
- 5a eine schematische Darstellung der Wirkung einer Bandbreiten-Erweiterungsstufe gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5b eine schematische Darstellung einer Wirkung einer Bandbreiten-Erweiterungsstufe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
- 6 eine schematische Darstellung der Lautsprecherseite eines erfindungsgemäßen Lautsprechersystems für ein 2-Kanal-Ausgabeformat;
- 7a einen beispielhaften nichtlinearen Frequenzgang eines Wandlers mit einem Kammfiltereffekt;
- 7b ein schematischer Frequenzgang eines Linearisierungsfilters, um den Frequenzgang von 7a zumindest teilweise zu linearisieren;
- 8a eine schematische Darstellung eines anderen nichtlinearen Frequenzgangs eines rotatorischen Wandlers;
- 8b eine schematische Darstellung eines Frequenzgangs eines Linearisierungsfilters; und
- 8c eine schematische Darstellung eines linearisierten Frequenzgangs aufgrund des Linearisierungsfilters und der verwendeten rotatorischen Schallwandler.
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1 zeigt eine Vorrichtung zum Erzeugen eines ersten Ansteuersignals 411 für einen ersten Wandler und eines zweiten Ansteuersignals 412 für einen zweiten Wandler. Die Vorrichtung umfasst eine Eingangsschnittstelle 100 zum Liefern eines ersten Audiosignals 111 für einen ersten Audiokanal und eines zweiten Audiosignals für einen zweiten Audiokanal. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Signalkombinierer 200 zum Ermitteln eines Kombinationssignals aus dem ersten Audiosignal 111 und dem zweiten Audiosignal 112, das eine näherungsweise Differenz des ersten Audiosignals 111 und des zweiten Audiosignals 112 umfasst. Dieses Kombinationssignal ist bei 211 gezeigt.
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Der Signalkombinierer ist bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ferner ausgebildet, um ein weiteres Kombinationssignal 212 zu erzeugen, das ebenfalls eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Audiosignal darstellt und von dem ersten Audiosignal und dem zweiten Audiosignal oder von dem ersten Kombinationssignal 211 abgeleitet ist. Bei Ausführungsbeispielen unterscheidet sich das zweite Kombinationssignal 212 von dem ersten Kombinationssignal 211 und ist insbesondere um 180 Grad unterschiedlich, also hat ein entgegengesetztes Vorzeichen.
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Das Kombinationssignal 211 wird ebenso wie das vorzugsweise verwendete weitere Kombinationssignal 212 jeweils einem Signalmanipulator 300 zugeführt, der ausgebildet ist, um das Kombinationssignal zu manipulieren, um daraus ein manipuliertes Kombinationssignal zu erhalten, das bei 311 dargestellt ist und dem zweiten Ansteuersignal 412 entspricht. Das zweite Ansteuersignal 412 wird somit bei speziellen Ausführungsbeispielen unter Verwendung der Ausgangsschnittstelle 400 vom Signalmanipulator übermittelt und durch die Ausgangsschnittstelle ausgegeben oder gespeichert. Ferner ist die Ausgangsschnittstelle ausgebildet, um zusätzlich zum zweiten Ansteuersignal für den zweiten Wandler auch das erste Ansteuersignal 411 für den ersten Wandler auszugeben. Das erste Ansteuersignal 411 wird von der Ausgangsschnittstelle direkt von der Eingangsschnittstelle erhalten und entspricht dem ersten Audiosignal 111, oder wird durch die Ausgangsschnittstelle 400 von dem ersten Audiosignal abgeleitet, wie beispielsweise unter Verwendung einer Bandbreiten-Erweiterungsstufe d.h. eines Spectral Enhancers, welcher später noch dargestellt wird.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Signalmanipulator 300 ausgebildet, um das Kombinationssignal zu verzögern, also in eine Verzögerungsstufe einzuspeisen, oder um das Kombinationssignal frequenzselektiv zu verstärken oder zu dämpfen, also in ein Linearisierungsfilter einzuspeisen, um einer nichtlinearen Wandlercharakteristik über der Frequenz des zweiten Wandlers zumindest teilweise entgegenzuwirken.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Ausgangsschnittstelle ausgebildet, um das erste Audiosignal 111 in eine Bandbreiten-Erweiterungsstufe einzuspeisen, um das erste Ausgangssignal 411 zu erhalten. Die Vorrichtung zum Erzeugen eines ersten Ansteuersignals 411 und eines zweiten Ansteuersignals 412 umfasst daher drei Aspekte, die zusammen oder voneinander unabhängig eingesetzt werden können.
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Der erste Aspekt besteht darin, dass das manipulierte Signal unter Verwendung einer Verzögerung aus dem Kombinationssignal erzeugt worden ist, wobei der Haas-Effekt ausgenutzt wird.
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Der zweite Aspekt besteht darin, dass der Signalmanipulator 300 das Linearisierungsfilter verwendet, um ein stark nichtlinearen Frequenzgang des „rotatorischen“ Wandlers im Sinne eine „Vorverzerrung“ zumindest teilweise zu kompensieren.
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Der dritte Aspekt besteht darin, dass der Signalmanipulator irgendeine andere Art einer Manipulation durchführt, wie beispielsweise eine Dämpfung oder eine Hochpassfilterung oder einer anderen Verarbeitung, wobei die Ausgangsschnittstelle eine Bandbreiten-Erweiterung für das erste Audiosignal durchführt.
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Diese Bandbreiten-Erweiterung unter Verwendung einer Bandbreiten-Erweiterungsstufe ist dahingehend besonders, dass zumindest ein Teil eines Spektrums des ersten Audiosignals in einen Frequenzbereich über 20 kHz unter Verwendung eines Verstärkungsfaktors größer als 1 oder gleich 1, also ohne Verstärkung, umgesetzt wird, um das erste Ansteuersignal zu erhalten, das den Frequenzbereich über 20 kHz umfasst. Im Gegensatz zu einer konventionellen Bandbreiten-Erweiterung, die typischerweise ausgebildet ist, um ein auf vielleicht 4 oder 8 kHz bandbegrenztes Signal in einen Frequenzbereich bis zu vielleicht 16 oder 20 kHz zu erweitern, wobei ferner eine Dämpfung eingesetzt wird, um eine abfallende Leistungscharakteristik eines Audiosignals zu synthetisieren, ist die erfindungsgemäße Bandbreiten-Erweiterung dahingehend unterschiedlich, dass für einen Frequenzbereich über 20 kHz Spektralwerte ermittelt werden, also für den unhörbaren Bereich, und dass ferner dieser Spektralbereich nicht gedämpft wird, sondern mit einem Verstärkungsfaktor größer als 1 oder gleich 1 umgesetzt wird, um in den nicht-hörbaren Spektralbereich Signalenergie zu bringen, welche dann über die Membranen der entsprechenden Wandler abgestrahlt werden, um ein hochqualitatives Audiosignalerlebnis zu schaffen. Dieses Audiosignalerlebnis besteht darin, dass durch Schallenergie im nicht-hörbaren Bereich die Luft, die ja die Schallenergie im hörbaren Bereich überträgt, gewissermaßen „konditioniert“ wird, so dass bestimmte sehr oberwellenreiche Signale trotz großer Entfernung deutlich hörbar sind, wie beispielsweise der Papageienschrei im Urwald oder eine Triangel in einem Orchester.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen werden alle drei Aspekte implementiert, wie es später dargestellt wird. Es kann jedoch auch nur ein Aspekt der drei Aspekte implementiert sein, oder nur zwei beliebige Aspekte der drei Aspekte.
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Vorzugweise stellen das erste Eingangssignal 102 und das zweite Eingangssignal 104, welche in die Eingangsschnittstelle 100 eingegeben werden, einen linken Audiokanal und einen rechten Audiokanal dar. Das erste Audiosignal 411 und das zweite Audiosignal 412 stellen dann die Ansteuersignale für den ersten und den zweiten Wandler dar, die auf der linken Seite bezüglich einer Zuhörposition platziert sind. Die Vorrichtung zum Erzeugen ist dann ferner ausgebildet, um auch für die rechte Seite die Ansteuersignale zu erzeugen, also das dritte Ansteuersignal 413 für einen dritten Wandler und das vierte Ansteuersignal 414 für den vierten Wandler. Das dritte Ansteuersignal 413 wird analog zum ersten Ansteuersignal 411 gebildet, und das vierte Ansteuersignal 414 wird analog zum zweiten Ansteuersignal 412 gebildet. Das erste Ansteuersignal 411 und das dritte Ansteuersignal 413 werden also konventionellen translatorischen Wandlern zugeführt, und die Ansteuersignale 412 und 414 werden „rotatorischen“ Wandlern zugeführt, also Wandlern, die ein Schallfeld mit rotierenden Schallschnelle-Vektoren emittieren, wie es noch Bezug nehmend auf 6 dargestellt wird.
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2 zeigt eine bevorzugte Implementierung des Signalmanipulators 300, um aus dem Kombinationssignal 211 das zweite Ansteuersignal 311/412 zu berechnen. Ferner zeigt 2 auch die Implementierung des Signalmanipulators 300, um aus dem weiteren Kombinationssignal 212 das vierte Ansteuersignal 312 bzw. 414 zu erzeugen. Zur Erzeugung des zweiten Ansteuersignals umfasst der Signalkombinierer bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ein variables Dämpfungsglied 301, eine Verzögerungsstufe 302, und ein Linearisierungsfilter 303. Es sei darauf hingewiesen, dass die Reihenfolge der Blöcke 301, 302, 303 beliebig ist. So kann auch ein einziges Element vorhanden sein, welches die Funktionalitäten des Linearisierungsfilters, der Verzögerung und der Dämpfung vereinigt. Die Dämpfung kann eingestellt werden, oder wird auf einen vordefinierten Werte festgelegt, die zwischen 3 und 20 dB, vorzugsweise zwischen 6 und 12 dB und z. B. bei 10 dB liegt.
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Analog ist der Signalmanipulator 300 ausgebildet, um das weitere Kombinationssignal 212 einer Dämpfung durch eine Dämpfungsstufe 321 zu unterziehen, eine Verzögerung 322 zu unterziehen und in ein Linearisierungsfilter 323 einzuspeisen. Alle drei Elemente können auch in einem einzigen Filter integriert sein, das die konstante Dämpfung typischerweise über den gesamten Frequenzbereich, die Verzögerung, die ebenfalls über den gesamten Frequenzbereich konstant ist, und ein Linearisierungsfilter implementiert, welches zumindest frequenzselektiv dämpft bzw. verstärkt. Es sei darauf hingewiesen, dass auch nur ein Teilsatz der Elemente, also nur z. B. eine Dämpfung und eine Linearisierung ohne Verzögerung, oder nur eine Verzögerung ohne Dämpfung und Linearisierung, oder nur eine Dämpfung ohne Verzögerung und Linearisierung eingesetzt werden können. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird alle drei Aspekte umgesetzt.
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Für die Verzögerung wird insbesondere eine Verzögerung eingesetzt, die so groß ist, dass zwischen dem nicht-verzögerten Signal, das durch das erste Ansteuersignal 411 gegeben ist, und dem zweiten Ansteuersignal, das der Verzögerung unterworfen worden ist, ein Präzedenz-Effekt bzw. ein Haas-Effekt bzw. ein Effekt der ersten Wellenfront eintritt. Das Signal für den rotatorischen Wandler, also das zweite Ansteuersignal 412 ist so verzögert, dass eine Zuhörerin oder ein Zuhörer zunächst die Wellenfront aufgrund des ersten Ansteuersignals 411 wahrnimmt und daher eine Lokalisierung des linken Kanals vornimmt. Die rotatorische Komponente, die für die Audioqualität wesentlich ist, jedoch keine besondere Information bezüglich der Lokalisierung umfasst, wird dann etwas später wahrgenommen, und wird aufgrund des Haas-Effekts nicht als eigenes Signal wahrgenommen. Nützliche Verzögerungswerte für die Verzögerungsstufe 302 bzw. 322 liegen vorzugsweise zwischen 10 und 40 ms und besonders bevorzugt zwischen 25 ms und 35 ms und insbesondere bei 30 ms.
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3 zeigt eine bevorzugte Implementierung des Signalkombinierers 200, um eine näherungsweise Differenz zu berechnen, die durch das Kombinationssignal 211 bzw. das weitere Kombinationssignal 212 dargestellt wird. Zu diesem Zweck umfasst der Signalkombinierer 200 einen Phasenschieber 201, ein nachgeschaltetes Dämpfungsglied 202 und einen Addierer 203. Ferner wird das erste Audiosignal 111 und das zweite Audiosignal 112 verwendet. Das erste Audiosignal 111 wird durch den Phasenschieber 201 phasenverschoben und je nach Einstellung des Dämpfungsglieds 202 gedämpft und dann mit dem ersten Audiosignal 112 addiert, um das weitere Kombinationssignal 212 zu erhalten. Darüber hinaus umfasst der Signalkombinierer 200 einen weiteren Addierer 223, einen weiteren Phasenschieber 221 und ein weiteres Dämpfungsglied 222, wobei das zweite Audiosignal 112 durch den Phasenschieber 221 phasenverschoben wird und das phasenverschobene Signal gegebenenfalls gedämpft wird und dann mit dem ersten Audiosignal 111 kombiniert wird. Führen die Phasenschieber 201 bzw. 221 eine Phasenverschiebung um 180 Grad durch, was bevorzugt wird, und sind die Dämpfungsglieder 202, 222 so eingestellt, dass die Dämpfung gleich null ist, sind diese Potentiometer also „voll aufgedreht“, so ist das Kombinationssignal 211 das Ergebnis der Subtraktion des zweiten Audiosignals 112 vom ersten Audiosignal 111, also wenn das erste Audiosignal 111 der linke Kanal ist und das rechte Audiosignal 112 der rechte Kanal ist, dann ist das Kombinationssignal 211 gleich L - R. Analog hierzu ist das weitere Kombinationssignal 212 gleich R - L in diesem Beispiel.
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Die Implementierung einer 180-Grad-Phasenverschiebung ist besonders einfach zu erreichen, indem ein entsprechender Stecker, der das Audiosignal trägt, „verkehrt herum“ eingesteckt wird. Verschiedene Phasenverschiebungen unterschiedlich von 180 Grad, also in einem Bereich von 150 bis 210 Grad vorzugsweise können durch richtige Phasenschieberelemente erreicht werden und können in bestimmten Implementierungen von Vorteil sein. Dasselbe gilt für bestimmte Dämpfungseinstellungen der Dämpfungsglieder 202, 222, durch die je nach Implementierung eine Beeinflussung des Kombinationssignals erreicht werden kann, dahingehend dass bei der Differenzbildung das Signal, das subtrahiert wird, im Vergleich zu dem Signal, von dem subtrahiert wird, gedämpft wird. Damit kann ein Subtraktionsfaktor x zwischen null und 1 gebildet werden, wie er in 6 noch erläutert wird.
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3 zeigt ferner zusätzlich zu einer speziellen Implementierung des Signalkombinierers 200 eine bevorzugte Ausführungsform der Bandbreiten-Erweiterung des translatorischen Signals, wobei diese Bandbreiten-Erweiterung in der Ausgangsschnittstelle 400 vorzugsweise durchgeführt wird. Zu diesem Zweck umfasst die Ausgangsschnittstelle 400 eine erste Bandbreiten-Erweiterungsstufe 402 und eine zweite Bandbreiten-Erweiterungsstufe 404. Die erste Bandbreiten-Erweiterungsstufe 402 ist ausgebildet, um das erste Audiosignal 111 einer Bandbreiten-Erweiterung in dem nicht-hörbaren Bereich über 20 kHz zu unterziehen, während die Bandbreiten-Erweiterungsstufe 404 ausgebildet ist, um das zweite Audiosignal, also beispielsweise den rechten Kanal ebenfalls einer Bandbreiten-Erweiterung in dem nicht-hörbaren Bereich über 20 kHz zu unterziehen.
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Das Ergebnis der Bandbreiten-Erweiterung ist dann das erste Audiosignal für den ersten Wandler, also den translatorischen Wandler z. B. auf der linken Seite bezüglich einer Zuhörposition, und das dritte Ansteuersignal, das am Ausgang der Bandbreiten-Erweiterungsstufe 404 erhalten wird, ist das Ansteuersignal für den translatorischen Wandler auf der rechten Seite bezüglich der Zuhörposition. Beide Ansteuersignale 411, 413 sind nunmehr im Gegensatz zu den Audiosignalen 111, 112 auch mit Signalenergie bei Frequenzen über 20 kHz versehen, wobei diese Signalanteile vorzugsweise bis 40 kHz und besonders bevorzugt sogar bis 80 kHz oder darüber in den Ansteuersignalen vorhanden sind.
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Obgleich 3 eine Implementierung zeigt, bei der lediglich eine Bandbreiten-Erweiterung mit dem translatorischen Signal durchgeführt wird, kann bei anderen Ausführungsbeispielen auch eine Bandbreiten-Erweiterung mit dem rotatorischen Signal durchgeführt werden, wie es bei 304 und 324 in 4 dargestellt ist. Alternativ zu den Bandbreiten-Erweiterungsstufen 304, 324 könnte auch eine Bandbreiten-Erweiterung in der Eingangsschnittstelle 100 vorgesehen werden. Zu diesem Zweck ist eine Bandbreiten-Erweiterungsstufe 121 für ein erstes Eingangssignal 102 vorgesehen, um aus dem ersten Eingangssignal 102 das erste Audiosignal 111 zu erzeugen. Ferner ist die Eingangsschnittstelle 100 vorgesehen, um aus dem zweiten Eingangssignal 104 das zweite Audiosignal 112 zu erzeugen. Diese beiden Audiosignale haben nun jedoch im Gegensatz zur Implementierung von 3 einen Frequenzbereich, der weit über 20 kHz hinausgeht. Wird die Bandbreiten-Erweiterung bereits in der Eingangsschnittstelle vorgenommen, so sind weitere Bandbreiten-Erweiterungen in der Ausgangsschnittstelle 400, wie es in 3 dargestellt worden ist, oder in den Signalmanipuliererelementen 300a, 300b nicht nötig, da bereits alle Signale in der nachfolgenden Signalverarbeitung eine hohe Brandbreite haben. Es wird jedoch, aufgrund der Effizienz der Verarbeitung eine Implementierung, wie es in 3 dargestellt worden ist, bevorzugt, bei der lediglich die Ansteuersignale für die translatorischen Wandler, also das erste Ansteuersignal 411 und das dritte Ansteuersignal 413 der Bandbreiten-Erweiterung unterzogen werden, da die hohen Frequenzen besonders für die Ausbreitung von Bedeutung sind. Daher können alle anderen Verarbeitungsstufen in der Eingangsschnittstelle, im Signalkombinierer und im Signalmanipulator mit dem bandbegrenzten Signal durchgeführt werden, was Verarbeitungsressourcen spart, weil alle Elemente außer den Bandbreiten-Erweiterungsstufen 402, 404 in 3 mit bandbegrenzten Signalen arbeiten können.
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5 zeigt eine erste Implementierung der Bandbreiten-Erweiterungsstufe 402, 404 bzw. der optionalen Elemente 121, 122 oder 304, 324 von 4. Insbesondere ist die Bandbreiten-Erweiterungsstufe ausgebildet, um eine Bandbreiten-Erweiterung über den Bereich von 20 kHz, also in den nicht-hörbaren Bereich zu erzeugen, welcher bei 5a bis 80 kHz geht. Hierzu wird vorzugsweise eine harmonische Bandbreiten-Erweiterung vorgenommen, wobei jede Frequenz im Bereich zwischen 10 und 20 kHz des Audiosignals beispielsweise mit dem Faktor 2 multipliziert wird, um einen Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 40 kHz zu erzeugen. Ferner wird vorzugsweise in der Bandbreiten-Erweiterungsstufe eine Verstärkung mittels eines Verstärkungsglieds 407 vorgenommen, das eine Verstärkung größer als 1 implementiert, wie es durch die gepunktete Linie in 5a gezeigt ist. Die harmonische Bandbreiten-Erweiterungseinheit 404 zusammen mit dem Verstärker 407 erzeugt somit einen Signalanteil in dem entsprechenden Audiosignal, der zwischen 20 und 40 kHz liegt und sogar eine größere Signalenergie hat als der Bereich aus dem Basisband, der zwischen 10 und 20 kHz liegt. Um einen noch höheren Bereich zwischen 40 kHz und 80 kHz zu bekommen, ist ein weiterer Transponierer 406 vorgesehen, der die Frequenzen jeweils mit 4 multipliziert, wobei das Ausgangssignal wieder mit einem Verstärkungsfaktor größer 1 vorzugsweise multipliziert wird, wobei dieser Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor größer 1 bei 408 in 5a gezeigt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Frequenzachse an den entsprechenden Stellen durchbrochen ist, da der Bereich zwischen 40 kHz und 80 kHz doppelt so lang ist wie der Bereich zwischen 20 kHz und 40 kHz, welcher wiederum doppelt so lang ist wie der Bereich zwischen 10 kHz und 20 kHz aufgrund der harmonischen Bandbreiten-Erweiterung durch die Elemente 404, 406. Obgleich auch Transpositionsfaktoren, die ungeradzahlig sind, also die gleich 1, 3, 5 und 7 betragen können, prinzipiell eingesetzt werden können, hat sich gezeigt, dass geradzahlige Transpositionsfaktoren, wie sie durch die Transponierer 404, 406 erreicht werden, einen realistischeren Audiosignaleindruck erzeugen. Darüber hinaus kann je nach Implementierung das Basisband nicht gedämpft und verstärkt werden, also so genommen werden, wie es ist. Da jedoch Lautsprecher typischerweise bei Frequenzen über 20 kHz eine geringere bzw. mit höheren Frequenzen abnehmende Wandlereffizienz haben, wird diese geringere bzw. abnehmende Wandlereffizienz mit einem verstärkten transponierten Spektralbereich ausgeglichen. Daher wird es auch bevorzugt, dass der Verstärker 408 für den Bereich zwischen 40 und 80 kHz mehr verstärkt als der Verstärker 407 für den Bereich zwischen 20 kHz und 40 kHz.
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Während 5a eine erste Implementierung der Bandbreitenerweiterung zeigt, liefert 5b eine zweite Implementierung der Bandbreitenerweiterung, die aufgrund der Technik des „mirroring“, also des Spiegeln des transponierten Spektralbereichs an der Cross-Over-Frequenz (Übergangsfrequenz) arbeitet, was dahingehend vorteilhaft ist, dass bei einem nichtkonstanten Signalverlauf im Basisband, wie er in 5b dargestellt ist, an der Transpositionsstelle, also bei 20 kHz dann, wenn ein Verstärkungsfaktor von 1 verwendet wird, keine Diskontinuität entsteht. Das Mirroring bzw. Upsampling kann ohne weiteres im Zeitbereich durchgeführt werden, indem in ein Audiosignal zwischen zwei Abtastwerten eine bzw. mehrere Nullen als zusätzliche Abtastwerte eingefügt werden. Wird verstärkt, entsteht nur eine kleine Diskontinuität. Diese Diskontinuität kann einfach belassen werden oder, falls nötig, gedämpft werden, indem in einem bestimmten spektralen Übergangsbereich Mittelwerte für die Verstärkungsfaktoren verwendet werden.
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6 zeigt ein Lautsprechersystem, das einen ersten Wandler 521 für das erste Ansteuersignal 411 und einen zweiten Wandler 522a, 522b für das zweite Ansteuersignal 412 umfasst. Ferner weist das Lautsprechersystem auch einen dritten Wandler 523 für das dritte Ansteuersignal 413 und einen vierten Wandler 524a, 524b für das vierte Ansteuersignal 414 auf. Alle Ansteuersignale können durch jeweilige Verstärker 501, 502, 503, 504 verstärkt werden, und zwar so, wie es beispielsweise von einer Benutzerschnittstelle über eine Lautstärkeregelung eingegeben wird. Die Wandler 521, 523 stellen die translatorischen und gewissermaßen konventionellen Wandler dar, die sich jedoch im Vergleich zu normalen Wandlern dadurch auszeichnen, dass sie auch im Bereich über 20 kHz Schallenergie ausgeben können, wobei sie vorzugsweise bis 80 kHz oder darüber hinaus emittieren sollen.
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Die nachlassende Effizienz bei höheren Frequenzen wird durch die Verstärkung aufgrund der Verstärkungsglieder 407, 408 ausgeglichen.
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Die rotatorischen Wandler 522a, 522b beispielsweise oder 524a, 524b beispielsweise sind bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in 6 dargestellt ist, so implementiert, dass die Wandler jeweils zwei Einzelwandler mit einer Vorderseite und einer Rückseite umfassen, wobei die beiden Vorderseiten, wie es in 6 dargestellt ist, zueinander gerichtet sind. Zwischen den Vorderseiten, also zwischen den Membranen kann kein Abstand oder nur ein geringer Abstand sein, so dass sich die Membranen auslenken können und in dem Zwischenbereich zwischen den Membranen einen Schall erzeugen, welcher entlang den Rändern der Membranen als Rotation austreten kann. Ein solcher Wandler hat eine sehr gute Effizienz bei der Erzeugung von rotierendem Schall, also einem Schallfeld mit rotierenden Schallschnelle-Vektoren. Allerdings ist der Frequenzgang stark nichtlinear. Daher wird der Linearisierungsfilter 303, 323 vorgesehen, um gewissermaßen über eine „Vorverzerrung“ ein Signal zu erzeugen, dass dann, wenn es durch den nicht-linearen Frequenzgang des Wandlers 522a, 522b bzw. 524a, 524b ausgegeben wird, eine relativ lineare Übertragungs- bzw. Signalcharakteristik hat. 7a zeigt ein beispielhaftes Kammspektrum, wie es in Wandlern für rotatorische Signale auftreten kann. 7b zeigt einen beispielhaften Frequenzgang des Linearisierungsfilters 303, 323. Bei der bevorzugten Implementierung des Linearisierungsfilters werden lediglich die Überhöhungen 701, 702, 703, 704, 705 abgesenkt, während die Einschnitte 706 bis 710 „gelassen“ werden, so dass also bei den Frequenzbereichen, in denen sich die Einschnitte befinden, der Frequenzgang des Linearisierungsfilters bei der 0 dB Referenzlinie ist und im Bereich der Überhöhungen die Überhöhungen zumindest teilweise abgesenkt werden, und zwar um 6 dB, wenn die Überhöhung selber eine Höhe von 6 dB hat, wie es bei dem beispielhaften Frequenzgang in 7a dargestellt ist. Das Linearisierungsfilter ist ferner ausgebildet, um eine Hochpasscharakteristik bezüglich einer Grenzfrequenz fg zu liefern, die lediglich schematisch in 7b angezeigt ist und bei Größenordnungen zwischen 100 und 500 Hz liegt und vorzugsweise bei 200 Hz liegt. Dies bedeutet, dass die erste Überhöhung 711 in 7a komplett abgedämpft wird.
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8a zeigt einen alternativen Frequenzgang eines rotatorischen Schallwandlers, der durch die Konstruktion der rotatorischen Schallwandler, wie sie in 6 dargestellt sind, entstehen kann. Es sind sehr starke Überhöhungen und sehr starke Einbrüche gezeigt. Die Linearisierung ist insbesondere so ausgebildet, dass wieder lediglich die Überhöhungen, die in 8a schraffiert gezeigt sind, gedämpft werden sollen, während die Einbrüche nahezu belassen werden sollen. Dies führt zu einem Frequenzgang eines Linearisierungsfilters, wie es in 8b dargestellt ist. Der gesamte „linearisierte“ Frequenzgang ist bei 8c schematisch dargestellt, wobei ersichtlich ist, dass der linearisierte Frequenzgang nicht komplett linearisiert ist, aber wenn 8c mit 8a verglichen wird, deutlich linearer verläuft, weil die starken Überhöhungen abgeschnitten worden sind.
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Es hat sich herausgestellt, dass stark überhöhte Frequenzbereiche im Rotationssignal eher störend wirken, während Einschnitte im Rotationssignal bei bestimmten Tönen, die dazu führen, dass bestimmte Töne im Rotationssignal gewissermaßen „ausgeblendet“ sind, nicht störend empfunden werden. Daher kann darauf verzichtet werden, die Einbrüche im Frequenzgang der Lautsprecher, also in 8a bzw. 7a anzuheben. Damit wird auch gleichzeitig vermieden, dass durch starke Verstärkungsfaktoren bei bestimmten Frequenzen ein im gedämpften Einbruch noch vorhandenes Signal, das auch ein Artefaktsignal sein kann, stark verstärkt werden. Erfindungsgemäß wird daher durch das ledigliche Abschneiden der Überhöhungen bzw. das zumindest teilweise Reduzieren der Überhöhungen und das „Belassen“ der Einbrüche ein besonders effizientes und hochqualitatives Mittel erreicht, um das entsprechende Ansteuersignal für den rotatorischen Schallwandler 522a, 522b bzw. 524a, 524b zu schaffen. Vorzugweise sind in den rotatorischen Schallwandlern noch entsprechende Phasenschieber 506, 508 eingebaut, die je nach Implementierung eine Phasenverschiebung von 180 Grad liefern und die jedoch auf andere Werte eingestellt werden können, die jedoch vorzugsweise zwischen 150 und 210 Grad liegen werden. Bezüglich 3 wurde darauf hingewiesen, dass die Dämpfungsglieder 202, 222 eingestellt werden können, um eine nur näherungsweise Differenz zu erhalten. Dies ist in 6 bei „L - x . R“ und „R - x . L“ dargestellt. Wird das entsprechende Dämpfungsglied 202, 222 auf eine Dämpfung von null, also auf keine Dämpfung eingestellt, so ist der Faktor x in 6 gleich 1. Wird dagegen das Dämpfungsglied 202, 222 auf einen Faktor von halber Dämpfung eingestellt, so beträgt der Faktor x beispielsweise 0,5. Wird dagegen das Dämpfungsglied 202, 222 auf volle Dämpfung eingestellt, so findet keine Differenzbildung mehr statt, und der erste Wandler 522a, 522b emittiert nur das linke Signal. Es wird jedoch bevorzugt, eine Dämpfung des Dämpfungsglieds 202, 222 auf höchstens 0,25 einzustellen, damit das entsprechende Signal ein Differenzsignal ist, obgleich der subtrahierte Kanal im Vergleich zum Kanal, von dem subtrahiert wird, amplituden- oder leistungs- oder energiemäßig reduziert ist.
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In einer weiteren Implementierung ist die Vorrichtung zum Erzeugen des ersten Ansteuersignals und des zweiten Ansteuersignals und insbesondere auch zur Erzeugung des dritten und des vierten Ansteuersignals als Signalprozessor oder als Software implementiert, um z B. in einem mobilen Gerät, wie beispielsweise einem Mobiltelefon die Ansteuersignale für die einzelnen Lautsprecher zu erzeugen und dann über eine Drahtlosschnittstelle auszugeben. Alternativ dazu sind die Wandler, wie sie in 6 dargestellt sind, einschließlich der Verstärker 502 bis 504 zusammen mit der Vorrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist, in einer Lautsprechereinheit implementiert, die zusätzlich den Wandler 521 und den Wandler 522a, 522b in einem speziellen Träger umfasst. Dann kann diese Lautsprechereinheit so wie sie ist, z. B. an eine linke Wiedergabeposition bezüglich einer Zuhörposition platziert werden. Dasselbe kann für eine andere Lautsprechereinheit, die die Elemente 523, 524a, 524b sowie den entsprechenden Teil der Vorrichtung zum Erzeugen der Ansteuersignale umfasst, ausgeführt werden, so dass eine Lautsprechereinheit für die rechte Position bezüglich einer definierten Zuhörposition geschaffen ist. Entsprechend können auch Lautsprechereinheiten für weitere Kanäle als die beiden Stereokanäle verwendet werden, wie beispielsweise für einen Center-Kanal, für einen Kanal links hinten, für einen Kanal rechts hinten im Falle eines 5.1-Systems. Im Falle eines höheren Systems können auch an entsprechenden weiteren Positionen, wie beispielsweise einem Decken-Lautsprecher ebenfalls ein Wandler für rotatorischen Schall und ein Wandler für translatorischen Schall eingesetzt werden, welche mit den separaten Ansteuersignalen angesteuert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich innerhalb eines Mobiltelefons. Insbesondere ist die Ansteuervorrichtung zum Beispiel als Hardware-Element oder als App beziehungsweise als Programm auf dem Mobiltelefon geladen. Das Mobiltelefon ist ausgebildet, um von einer beliebigen Quelle, die lokal oder im Internet gelegen sein kann, das erste Audiosignal und das zweite Audiosignal oder Multikanalsignal zu empfangen und abhängig davon die Ansteuersignale zu erzeugen. Diese Signale werden vom Mobiltelefon auf den Schallerzeuger mit den Schallerzeugerelementen entweder kabelgebunden oder drahtlos zum Beispiel mittels Bluetooth oder WLAN übertragen. Im letzteren Fall ist es nötig, dass die Schallerzeugerelemente eine Batterieversorgung beziehungsweise allgemein eine Stromversorgung haben, um entsprechende Verstärkungen für die empfangenen drahtlosen Signale, beispielsweise nach dem Bluetooth-Format oder nach dem WLAN-Format zu erreichen.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispieten können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
