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Alle von Autoherstellern hergestellten Personenkraftwagen sind mit einem Lautsprechersystem ausgestattet, das so konstruiert ist, dass es stereofone Modulationen wiedergeben kann.
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Die stereofone Modulation besteht aus zwei elektrischen Signalen, die als rechter und linker Kanal bezeichnet werden und die über zwei Leistungsverstärker in die Lautsprecher eingespeist werden.
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Die Stereomethode ermöglicht es, mithilfe von zwei Lautsprechern ein kontinuierliches und homogenes Klangbild zu erzielen, wenn der Hörer von beiden Lautsprechern den gleichen Abstand hat.
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Jedoch ist es unmöglich, dass zwei in einem Auto nebeneinander sitzende Hörer gleich weit von den beiden Lautsprechern entfernt sind, die den linken und den rechten Kanal abstrahlen.
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In Autos führen die unterschiedlichen Abstände zwischen Lautsprechern und Hörern zu Pegel- und Phasenverschiebungen, welche die Wiedergabe der stereofonen Modulationen stark stören.
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In der Stereofonie bezeichnet man als Klangfeld alle Punkte im Raum, von denen der Klang zu kommen scheint, und als Klangbild die Verteilung der Klangobjekte im Klangfeld. Der Mittelpunkt des Klangbilds muss in der Mitte des Klangfelds wiedergegeben werden.
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Die unterschiedlichen Abstände zwischen Lautsprechern und Hören bringen das Klangfeld aus dem Gleichgewicht und beeinträchtigen das Klangbild. Der Mittelpunkt des Klangbilds befindet sich nicht in der Mitte des Klangbilds, sondern in der Nähe des näher gelegenen Lautsprechers.
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Die Methoden zur verbesserten Stereowiedergabe in Autos fallen in zwei Kategorien. Zum einen gibt es mono-stereofone Methoden, die anstreben, die Wiedergabe für einen Hörer – im Allgemeinen den Fahrer – zu verbessern, ohne sich um die Folgen für die anderen Hörer zu kümmern, und zum anderen bi-stereofone Methoden, die anstreben, die Wiedergabe für beide im Auto nebeneinander sitzenden Hörer gleichzeitig zu verbessern.
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Die Mono-Stereofonie findet ihre Berechtigung darin, dass sie viel leichter umzusetzen ist als die Bi-Stereofonie; und da der Fahrer häufig allein im Auto sitzt, kann man es als vorteilhaft betrachten, eine mono-stereofone Einstellung anzubieten, die ihm die beste Wiedergabe liefert, wenn er allein im Auto sitzt.
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Die vorliegende Erfindung ist eine mono-stereofone Methode. Unsere Tests bestanden darin, die Wiedergabe für den vorn links im Auto sitzenden Fahrer zu verbessern.
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Im Folgenden bezeichnen „Stereo-Phase“ die elektrische Phasendifferenz zwischen dem linken und dem rechten Kanal und „akustische Stereo-Phase“ die akustische Phasendifferenz zwischen dem linken und dem rechten Kanal am Hörpunkt.
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Im Folgenden bezeichnet „Phasenverschiebung“ die akustische Phasendifferenz zwischen dem linken und dem rechten Kanal am Hörpunkt, wenn die stereofone Phase null beträgt.
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Ist der Hörer im Freifeld gleich weit vom linken und rechten Lautsprecher entfernt, ist die Phasenverschiebung gleich null.
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Es gibt in der Stereofonie zwei hauptsächliche Modi. Zum einen den unkorrelierten isobaren Modus, bei dem die Pegel der Kanäle identisch sind, aber ihre Phasen nicht korreliert sind. Eine Modulation, die einen gleichmäßig über die gesamte Breite des Klangbilds verteilten Chor erzeugt, befindet sich im unkorrelierten isobaren Modus. Zum anderen gibt es den korrelierten isobaren Modus, bei dem die beiden Kanäle in Phase sind und identische Pegel haben, das heißt, sie liefern das gleiche Signal.
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Eine Modulation, die einen einzelnen Sänger in der Mitte des Klangbilds erzeugt, befindet sich im korrelierten isobaren Modus.
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Wenn eine Stereoanlage richtig funktioniert, nimmt der Hörer im unkorrelierten isobaren Modus die beiden Enden des Klangfelds mit gleicher Intensität wahr und im korrelierten isobaren Modus wird das Klangbild in der Mitte des Klangfelds bei guter Korrelation wiedergegeben.
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Die Mitte des Klangbilds wird von den beiden Lautsprechern erzeugt, die das gleiche Signal abstrahlen. Liegt eine Phasenverschiebung vor, befindet sich der Mittelpunkt des Klangbilds nicht bei allen Frequenzen an der gleichen Position, sodass der Mittelpunkt des Klangbilds schwach korreliert ist.
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In einem Auto mit einfacher Anlage nimmt der Hörer einerseits im unkorrelierten isobaren Modus das nähere Ende des Klangfelds intensiver wahr als das fernere, im korrelierten isobaren Modus befindet sich andererseits der Mittelpunkt des Klangbilds nicht in der Mitte des Klangfelds und ist zudem schlecht korreliert.
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Die konventionelle Methode der Mono-Stereofonie besteht vor allem darin, die Pegel-Balance zwischen den Kanälen so zu regeln, dass der begünstigte Hörer die beiden Enden des Klangfelds im unkorrelierten isobaren Modus mit gleicher Intensität hört, und außerdem darin, dass die Signaleinspeisung des Lautsprechers, der dem Hörer näher ist, verzögert wird, sodass eine Verzögerung zwischen dessen beiden Ohren erzeugt wird, die dazu führt, dass sich das Klangbild zum entfernteren Lautsprecher hin verlagert.
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Diese Methode ermöglicht es tatsächlich, den Mittelpunkt des Klangbilds in der Mitte des Klangfelds zu positionieren, hat aber den Nachteil, dass sie die akustische Stereophase nicht steuert, sodass aufgrund einer Phasenverschiebung die Korrelation in der Mitte des Klangbilds zu schwach ist.
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In dem
französischen Patent Nr. 2,985,145 haben wir eine Methode vorgelegt, die im ersten Schritt die stereofone Phasenverschiebung beseitigt, sodass ein Mittelpunkt des Klangbilds vor dem Hörer entsteht, und die im zweiten Schritt die Mitte des Klangbilds in die Mitte des Klangfelds verschiebt, indem sie die Koeffizienten der stereofonen Matrix beeinflusst – also die Anteile von Summen- und Differenz-Signalen im linken und im rechten Kanal.
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Diese Methode ermöglicht es, die Mitte des Klangbilds bei guter Korrelation in der Mitte des Klangfelds zu erzeugen, allerdings zu dem Preis, dass sowohl die Phase als auch die stereofone Matrix beeinflusst werden müssen.
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Die vorliegende Erfindung ist eine Methode, die Mitte des Klangbilds auf einfachere Art und Weise bei guter Korrelation in der Mitte des Klangfelds zu erzeugen.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird ebenso wie bei der konventionellen Methode im ersten Schritt die Pegel-Balance zwischen den beiden Kanälen so geregelt, dass der begünstigte Hörer im unkorrelierten isobaren Modus die beiden Enden des Klangfelds mit gleicher Intensität hört, und dann im zweiten Schritt das Signal aus dem näher gelegenen Lautsprecher verzögert, um eine Verzögerung zwischen den beiden Ohren zu bewirken, die den Mittelpunkt des Klangbilds in die gewünschte Position bringt; die Neuerung besteht in einem dritten Schritt, der die verbleibende Phasenverschiebung beseitigt.
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Tatsächlich haben wir durch Zufall entdeckt – und dies war für uns unerwartet und hochinteressant –, dass der Vorgang der Korrektur der Stereo-Phase, der notwendig ist, um die Phasenverschiebung zu beseitigen, nichts an der Positionierung in der Mitte des Klangbilds ändert, sodass sich dieses Verfahren sehr leicht umsetzen lässt und gleichzeitig hervorragende Ergebnisse liefert.
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Allgemein wird davon ausgegangen, dass das menschliche Ohr die Wirkungen einer Phasenverschiebung bis etwa 1500 Hz wahrnehmen kann. Bei unseren Tests haben wir die Phasenverschiebung im Frequenzband von 30 bis 1600 Hz beseitigt.
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Der Wert der Phasenkorrektur, die auf den linken Kanal angewendet werden muss, um die Phasenverschiebung bei einer bestimmten Frequenz zu beseitigen, ist die Gegenzahl der oben definierten Phasenverschiebung.
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Beträgt beispielsweise bei 500 Hz die Phasenverschiebung am linken Hörpunkt [φG – φD]G = 30°, dann wird sie dadurch beseitigt, dass der linke Kanal auf dieser Frequenz um –30° verschoben wird.
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Bei unseren Tests maßen wir zunächst die Phasenverschiebung nach Anwendung der Zeitverzögerung mithilfe der Software SPECTRALAB v: 4.32.14, die ein Tool beinhaltet, um am Eingang der Soundkarte die Phasendifferenz zwischen dem linken und dem rechten Signal zu messen.
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Wir brachten an der Hörerposition ein Mikrofon an und speisten rosa Rauschen in den Eingang des Verstärkers, der den linken Lautsprecher speist, dann speisten wir in den linken Kanal der Soundkarte das vom Mikrofon kommende Signal und in den rechten Kanal das in den Verstärker eingehende rosa Rauschen ein.
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SPECTRALAB lieferte uns die Phasendifferenzen aller Terzbänder zwischen 30 Hz und 1600 Hz und diese übertrugen wir in EXCEL.
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Dann speisten wir rosa Rauschen in den Eingang des Verstärkers, der den rechten Lautsprecher speist, und SPECTRALAB lieferte uns die Phasendifferenz [φD – φBR]G für alle Terzbänder zwischen 30 Hz und 1600 Hz, die wir dann in EXCEL übertrugen.
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Indem wir in EXCEL die Differenz zwischen den beiden Messwerten berechneten: [φG – φBR]G – [φD – φBR]G = [φG – φD]G, erhielten wir die Phasenverschiebung.
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Um die elektrische Stereo-Phase zu korrigieren, verwendeten wir das Tool „GRAPHIC PHASE SHIFTER“ der Software COOL EDIT PRO 2.1, mit dessen Hilfe sich die Phase eines Signals von beliebigen Wert und beliebiger Frequenz mit absoluter Genauigkeit korrigieren lässt.
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Auf dem linken Kanal wendeten wir auf jedes Terzband eine Verschiebung an, die der Gegenzahl des von EXCEL gelieferten [φG – φD]G entsprach.
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Diese Manipulation erbrachte nicht das gewünschte Ergebnis. Bei unseren Nachforschungen fanden wir einen Fehler in dem Tool GRAPHIC PHASE SHIFTER von COOL EDIT PRO 2.1 Tatsächlich wendet es eine Phasenkorrektur mit dem umgekehrten Vorzeichen der erforderlichen Korrektur an.
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Deshalb kehrten wir das Vorzeichen der Phasenkorrektur um, erhielten diesmal die Auslöschung der Phasenverschiebung und beobachteten eine höchst signifikante Verbesserung der Korrelation des Mittelpunkts des Klangbilds.
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Der Graph in ist die ursprüngliche Phasenverschiebung am linken Hörpunkt [φG – φD]G in unserem Testfahrzeug.
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Dieser Graph ist absolut katastrophal und spiegelt die Qualität der Wiedergabe unkorrelierter Originalanlagen wider.
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Der Graph in zeigt die verbleibende Phasenverschiebung im gleichen Fahrzeug nach Anwendung einer Verzögerung von 1,31 ms auf den linken Kanal. Es liegt eine gewisse Verbesserung vor, aber die verbleibende Phasenverschiebung ist immer noch sehr beträchtlich.
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Der Graph in ist die verbleibende Phasenverschiebung nach Anwendung des Verfahrens zur Beseitigung der Phasenverschiebung.
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Dieses Ergebnis ist durchaus bemerkenswert. Es zeigt nämlich, dass die akustische Phase eine lineare Funktion der elektrischen Phase ist, was nicht selbstverständlich war, denn angesichts der Komplexität der Klangwiedergabe in einem begrenzten Raum von geringen Abmessungen hätten sich Brüche der Linearität ergeben können.
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Für industrielle Anwendungen kann die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen verwendet werden.
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Für die Verwendung in Fahrzeugen, ob nun bei Originalanlagen oder bei nachgerüsteten Geräten, muss ein Fachmann in das Auto-Stereo-Wiedergabegerät eine Echtzeit-Software implementieren, die in der Lage ist, die stereofone Modulation in Übereinstimmung mit der Methode laut der vorliegenden Erfindung nach Eingabe der fahrzeugspezifischen Parameter zu verändern.
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Da die Methode laut vorliegender Erfindung eine reine Signalverarbeitung ohne Veränderung der Installationen im Auto ist, kann das gewünschte Ergebnis mit einer konventionellen Anlage durch Veränderung der Audiodatei erzielt werden.
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In Cool Edit Pro erfolgt die Änderung der Audiodatei gemäß der vorliegenden Erfindung in 3 Schritten.
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Es wäre vorteilhaft, eine Software zu erstellen, die die Modifizierung in einem einzigen Schritt ermöglicht und die auch noch durch eine Pegel-Entzerrung verbessert werden könnte, die es ermöglichen würde, eine Wiedergabequalität zu erzielen, die auch die anspruchsvollsten Musikliebhaber zufriedenstellt, denn sie könnten auf diese Art Versionen ihrer Lieblings-CDs erhalten, die an ihr Fahrzeug angepasst sind.
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Diese Software würde nach Angabe des Fahrzeugmodells und der Audioanlage auf einem Server die Einstellungen für die Änderung der Datei suchen.
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Eine Variante davon wäre, dass eine Online-Website zum Verkauf von Musikaufnahmen wie zum Beispiel ITUNES ihr Angebot um korrigierte Versionen erweitert, die an die einzelnen Fahrzeuge angepasst sind.
