DE19534471C2

DE19534471C2 - Meßverfahren zur Beurteilung des Klangbildes von Lautsprechern in Stereoanordnung

Info

Publication number: DE19534471C2
Application number: DE1995134471
Authority: DE
Inventors: Dieter Prof Dr Braun
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-09-18
Filing date: 1995-09-18
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2015-09-19
Also published as: DE19534471A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren zur Beurteilung des Klangbildes von Lautsprechern in Stereoanordnung durch Erzeugen einer synthetischen oder natürlichen Stereo-Test signalfolge mit einer Zweikanal-Signalquelle, durch Wie dergeben der Testsignalfolge über mit Abstand voneinander angeordnete Lautsprecher und durch Messen der emittier ten Schalldruckamplituden beider Lautsprecher in einem Kunstkopf mit zwei Meßkanälen.

Üblicherweise besteht eine Stereoaufzeichnung aus Signa len, die auf zwei möglichst gut voneinander getrennten Kanälen aufgezeichnet sind. Ist auf beiden Kanälen das selbe Signal aufgezeichnet und werden diese Signale von Lautsprechern wiedergegeben, so scheint sich die Schall quelle genau punktuell in der Mitte zwischen den beiden Lautsprechern zu befinden. Es entsteht eine sogenannte Phantomschallquelle, die in der Mitte der Basisbreite zwischen beiden Lautsprechern angeordnet ist. Werden die Signale zeitlich gegeneinander verschoben oder im Pegel gegeneinander verändert, wandert die Phantomschallquelle seitlich aus der Mittellage heraus, bis sie schließlich den linken oder rechten Lautsprecher erreicht. Die notwen dige Laufzeit - bzw. Pegelveränderungen für diesen Effekt sind berechenbar und bekannt.

Mathematisch lassen sich zwei beliebige Signale durch die Bildung einer Kreuzkorrelation auf etwa vorhandene Über einstimmung untersuchen. Dabei ist es gleichgültig, ob die Daten z. B. aus einer statistischen Erhebung stammen oder physikalischer Natur sind. Bei der üblichen zweikanaligen Stereoaufzeichnung handelt es sich um den in eine elek trische Größe umgewandelten Verlauf der Schalldruckampli tude über der Zeit. Sind diese beiden Verläufe zeit- und amplitudengleich, entsteht bei der Berechnung der Korrela tion im Zeitpunkt "0" des zeitlichen Bezugs der beiden Stereokanäle ein Betragsmaximum mit dem Wert "1". Dieses Betragsmaximum wird als Kohärenzgrad bezeichnet, der den Maximalwert "1" nicht überschreitet.

Jede zeitliche Veränderung der beiden Kanäle gegeneinander äußert sich in einer Auslenkung des Maximums aus dem Zeit punkt "0". Aus dem Wert der Auslenkung kann die Abweichung der Phantomschallquelle aus der Mitte bestimmt werden. Die erzielbare Genauigkeit ist größer als die durch die Digi talisierung des Audiosignals vorgegebene Grenze von ca. 22 µs bei 48 kHz Samplingfrequenz. Veränderungen des Amplitu den- bzw. Pegelverhältnisses zwischen den beiden Kanälen führen zu einer Reduzierung des Kohärenzgrades.

In Hörversuchen kann beobachtet werden, daß ein- und das selbe Musikprogramm bei Lautsprechern eines bestimmten Herstellers mit einer sehr schmalen Stereobasis - fast monophon - zwischen den Lautsprecherboxen wiedergegeben wird, während bei Lautsprechern eines anderen Herstellers die Wiedergabe mit voller Stereobreite erfolgt. Die Ent scheidung, welches der beiden Lautsprecherpaare die räum liche Abbildung naturgetreuer durchführte ist auf rein akustischer Basis nicht möglich, da die Vorgaben im elek trischen Signal nicht bekannt sind.

Aus der JP 04-170300 A ist es bekannt, bei einer Stereo signalquelle die Signale des linken oder rechten Kanals zu verzögern, damit die Schallsignale einem unsymmetrisch zu dem Schallquellen sitzenden Zuhörer, z. B. einem Fahrer in einem Auto, die Schallsignale beider Kanäle gleichzeitig zukommen zu lassen. Hierzu ist es bekannt, die Korrela tionswerte der Ausgangssignale des linken und rechten Kanals einer Stereo-Schallquelle zu korrelieren, um durch Verzögerung eines Kanals gleichzeitig ankommende Schall signale des linken und rechten Kanals zu erzeugen.

Aus der US-PS 4,631,962 ist ein Kunstkopfmeßsystem be kannt, wobei der Kunstkopf angeformte Ohren aufweist und auch die Schulterpartien mit einschließt, die auf das Meßergebnis einen wesentlichen Einfluß haben.

Schließlich ist aus dem Aufsatz MAC CABE, C.J. u. Furlong, "Virtual Imaging Capabilities of Surround Sound Systems" In: J. Audio Engineering Society, 1994, Vol. 42, No. 1/2, S. 38-49, eine Meßvorrichtung bekannt, die unter Verwendung eines Kunstkopfes eine Kreuzkorrelation von Meßsignalen vorsieht.

Alle aus dem Stand der Technik bekannten Meßverfahren sehen nur eine einfache Korrelation der Meßsignale vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren anzugeben, das die Beurteilung der Qualität der Räumlich keitsabbildung von Lautsprechern mit hoher Reproduzier barkeit ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der Ansprü che 1 oder 2.

Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, als Maß für die Beurteilung der Räumlichkeitsabbildung der Testsi gnalfolge durch die Lautsprecher eine doppelte Korrelation durchzuführen. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden nach der Erfindung die Korrelationssignale aus der elek trischen und der akustischen Messung ein zweites Mal einer Kreuzkorrelation unterzogen. Hierdurch gelingt es, die elektrischen Signale mit dem akustischen Klangbild zu ver gleichen und dadurch ein Maß für die Qualität der Räum lichkeitsabbildung von Lautsprechern mit hoher Reprodu zierbarkeit des Meßergebnisses zu erhalten.

Gemäß der Lösung nach Anspruch 1 besteht das Meßverfahren aus folgenden Schritten:

- Erzeugen einer synthetischen oder natürlichen Stereo-Testsignalfolge mit einer Zweikanal-Signalquelle,
- Wiedergabe der Testsignalfolge über zwei mit Abstand voneinander angeordnete Lautsprecher,
- Bestimmen des elektrischen Kohärenzgrades durch Kreuzkorrelation zwischen den beiden Kanälen der Testsignalfolge als Zeitfunktion,
- Messen der emittierten Schalldruckamplituden beider Lautsprecher in einem mit Abstand von beiden Laut sprechern angeordneten Kunstkopf mit zwei Meßkanälen als Funktion der Zeit,
- Bestimmen des akustischen Kohärenzgrades durch Kreuz korrelation zwischen den beiden Meßkanälen des Kunst kopfes als Zeitfunktion, und
- Bilden einer Korrelation zwischen dem Kohärenzverlauf des elektrischen und des akustischen Kohärenzgrades als Maß für die Beurteilung der Räumlichkeitsabbil dung der Testsignalfolge durch die Lautsprecher.

Die Lösung besteht also darin, eine elektrische Korrela tion zwischen den Kanälen der Testsignalfolge und eine akustische Korrelation zwischen den Meßkanälen des Kunst kopfes durchzuführen, wobei dann der zeitliche Verlauf des elektrischen Kohärenzgrades mit dem zeitlichen Verlauf des akustischen Kohärenzgrades korreliert wird. Das Ergebnis ist ein in hohem Maße reproduzierbares Maß für die Beur teilung der Räumlichkeitsabbildung durch die Lautsprecher.

Alternativ kann gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 das Meßverfahren wie folgt durchgeführt werden:

- Erzeugen einer synthetischen oder natürlichen Stereo-Testsignalfolge mit einer Zweikanal-Signalquelle,
- Wiedergabe der Testsignalfolge über die mit Abstand voneinander angeordneten Lautsprecher,
- Messen der emittierten Schalldruckamplituden beider Lautsprecher in einem mit Abstand von den Lautspre chern angeordneten Kunstkopf mit zwei Meßkanälen als Funktion der Zeit,
- Bestimmen des Kohärenzgrades durch Korrelation zwi schen der Testsignalfolge des einen Kanals und dem entsprechenden Meßkanal des Kunstkopfes als Funktion der Zeit,
- Bestimmen des Kohärenzgrades zwischen der Testsignal folge des anderen Kanals und dem entsprechenden Meß kanal des Kunstkopfes als Funktion der Zeit, und
- Bilden einer Korrelation zwischen den Kohärenzver läufen beider Kanäle als Maß für die Beurteilung der Räumlichkeitsabbildung der Testsignalfolge durch die Lautsprecher.

Bei dieser Lösung ist ebenfalls eine doppelte Korrelation vorgesehen, wobei der zeitliche Verlauf des Kohärenzgrades zwischen einem Kanal der Testsignalfolge und dem entspre chenden Meßkanal des Kunstkopfes bestimmt wird und gleich zeitig auch der Verlauf des Kohärenzgrades zwischen der Testsignalfolge des anderen Kanals und dem entsprechenden Meßkanal des Kunstkopfes bestimmt wird. Die Korrelation zwischen den Kohärenzverläufen beider Kanäle kann eben falls als Maß für die Beurteilung der Räumlichkeitsabbil dung durch die Lautsprecher verwendet werden.

Die zu vergleichenden Kohärenzverläufe können zwischenge speichert werden und auf einem Audio-Analysator synchro nisiert werden.

Die Synchronisierung der Kohärenzverläufe kann mit Hilfe eines Rechners erfolgen.

Vorzugsweise wird ein Kunstkopf mit einer originalgetreuen Gestaltung der menschlichen Ohren verwendet. Damit ist eine Beurteilung dem Räumlichkeitsabbildung möglich, die das menschliche Empfinden berücksichtigt.

Die Anordnung der Lautsprecher in Stereoaufstellung und der mit Abstand von den Lautsprechern angeordnete Kunst kopf weisen vorzugsweise gegenseitig den gleichen Abstand auf. Die beiden Lautsprecher in Stereoaufstellung und der Kunstkopf bilden somit ein gleichseitiges Dreieck, wobei die Lautsprecher vorzugsweise auf den Kunstkopf ausgerich tet sind.

Die Kohärenzverläufe können mit Hilfe eines Synchronisie rungsimpulses synchronisiert werden. Ein solcher Synchro nisierungsimpuls kann zu Beginn einer Testsignalfolge vorgesehen sein.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläu tert.

Die einzige Figur zeigt einen Versuchsaufbau mit zwei Lautsprechern 1, mit einem gegenseitigen Abstand a und einen mit dem gleichen Abstand a mittig vor den Lautspre chern 1 angeordneten Kunstkopf 2. Die Lautsprecher 1 und der Kunstkopf 2 bilden ein gleichzeitiges Dreieck mit einem Basiswinkel α von 60°. Das Signal aus jedem Laut sprecher 1 erreicht den Kunstkopf 2. Die entsprechenden Signalwege sind:
p_LL linker Lautsprecher 1 an linkes Ohr
p_LR linker Lautsprecher an rechtes Ohr
p_RR rechter Lautsprecher rechtes Ohr
p_RLR rechter Lautsprecher an linkes Ohr.

Mit Hilfe einer Zweikanal-Signalquelle, vorzugsweise einer digitalen Stereoquelle, z. B. einem CD-Player, DAT-Recorder o. dgl., wird mit Hilfe eines Verstärkers eine aus einem beliebigen Klangmaterial bestehende Testsignalfolge er zeugt und über einen Verstärker an die Lautsprecher über tragen. Die Testsignalfolge von einigen Sekunden Länge wird vorzugsweise auf einen digitalen Audio-Tonträger, z. B. eine DAT-Kassette überspielt. Die Testsignalfolge kann dann auf einem mindestens zweikanalig ausgestatteten Audio-Analysator, z. B. Typ 3550 Brüel & Kjaer, einer Kreuz korrelation unterzogen werden. Aus der Lage und Form des Korrelationsverlaufs kann auf Ähnlichkeiten zwischen den beiden Aufzeichnungskanälen und ihre Verteilung von Schallquellen im Stereoklangbild geschlossen werden (elek trische Korrelation).

Zwischen den beiden Kanälen einer Stereoaufzeichnung be stehen Zeit- und Pegeldifferenzen, die bei der Wiedergabe eine räumliche Abbildung simulieren sollen. Durch Pegel- bzw. Zeitdifferenzen ergibt sich ein charakteristischer Verlauf einer Kreuzkorrelationsfunktion. Bei der akusti schen Wiedergabe von Stereoaufzeichnungen wird das elek trische Signal durch unterschiedliche Lautsprecher, den Kunstkopf und den Raum verfälscht. Um Differenzen zwischen der elektrischen Vorgabe und den mit dem Kunstkopf aufge nommenen binauralen Meßsignalen zu finden, wird eine Kreuzkorrelation der zuvor ermittelten Kreuzkorrelationen gebildet.

Zur Ausschaltung von Raumeinflüssen wird die Testsignal folge in einem schallreflexionsarmen Raum von den zu un tersuchenden Lautsprechern 1 abgestrahlt und von dem Kunstkopf 2, z. B. Typ 4128 Brüel & Kjaer, mit zwei Meßka nälen aufgezeichnet. Aus den in den Gehörgängen des Kunst kopfes 2 gemessenen Schalldruckamplituden beider Lautspre cher läßt sich wiederum eine Kreuzkorrelation bilden, die die Ähnlichkeit zwischen den am linken und am rechten Ohr ankommenden Schallamplituden beschreibt. Aus den beiden Meßkanälen des Kunstkopfes 2 läßt sich die akustische Korrelation als Zeitfunktion berechnen.

Die Datensätze der Korrelationsverläufe der elektrischen und akustischen Korrelation werden beispielsweise mit Hilfe eines Rechners als Zeitfunktion dem Audio-Analysator erneut zugeführt.

Dabei sind die als Zeitfunktion aufgenommenen Verläufe des Kohärenzgrades auf geeignete Weise, z. B. auf einer Audio-Workstation, synchronisiert.

Der Audio-Analysator berechnet die Kreuzkorrelation dieser beiden Zeitfunktionen, wodurch infolge der doppelt erfolg ten Korrelation ein Maß für die Beurteilung der Räumlich keitsabbildung der Testsignalfolge durch die Lautsprecher erzielt wird.

Das in Form einer Kreuzkorrelationsfunktion vorliegende Ergebnis ist ein Maß für den Grad der Übereinstimmung der elektrischen mit der akustischen Räumlichkeitsabbildung. Je höher der Zahlenwert ist, desto weniger verfälschen die Lautsprecher die Testsignalfolge oder anders ausgedrückt, desto naturgetreuer ist die akustische Reproduktion der Testsignalfolge durch die Lautsprecher. Der Maximalwert "1" kann allerdings nicht erreicht werden, da im elektri schen Signal die Signale p_LR und p_RL nicht enthalten sind und somit die Meßsignale im Kunstkopf mit dem elektrischen Original nicht identisch sein können. In praktischen Ver suchen wurde maximal ein Kohärenzgrad von "0.91" erreicht.

Anhand der gebildeten doppelten Kreuzkorrelation kann ein Zusammenhang zwischen der vorgegebenen räumlichen Abbil dung der elektrischen Aufnahme und den am Trommelfell des Menschen vorliegenden räumlichen Signalinformationen abge lesen werden. Bestimmt wird dieser Zusammenhang durch die zwischen den Meßsignalen im Kunstkopf und den beiden Kanä len der Testsignalfolge liegenden Übertragungsfunktionen einschließlich der Freifeldübertragungsfunktion des Kunst kopfes. Der Einfluß der verwendeten HiFi-Geräte kann als verschwindend gering angesehen werden.

Das Meßverfahren erlaubt eine meß- bzw. und quantifizier bare reproduzierbare Aussage über die Räumlichkeitsabbil dung bei Lautsprechern. Dieser schwierig zu bewertende Parameter konnte bisher nur durch praktische Hörversuche beschrieben werden, so daß kein objektiver und- reprodu zierbarer Maßstab vorhanden war. Ein Vergleich der sub jektiv ermittelten Höreindrücke mit den entsprechend dem Meßverfahren erzielten Meßergebnissen brachte eine sehr gute Übereinstimmung.

Mit dem beschriebenen Meßverfahren lassen sich nicht nur elektrische mit akustischen Korrelationsfunktionen ver gleichen. Es ist beispielsweise auch der Vergleich der räumlichen Abbildung unterschiedlicher Lautsprecher (aku stisch-akustisch) oder verschiedener Aufzeichnungsverfah ren (elektrisch-elektrisch) denkbar. Grundsätzlich können Korrelationsfunktionen beliebiger Provenienz meßtechnisch untereinander verglichen werden. Bisherige Meßverfahren haben eine Weiterverarbeitung und weiterer Auswertung der Korrelationsfunktionen nicht vorgesehen.

Bei einem alternativen Meßverfahren zur Beurteilung der Räumlichkeitsabbildung der Testsignalfolge durch die Laut sprecher ist vorgesehen, den Kohärenzgrad durch Korrela tion zwischen der Testsignalfolge des einen Signals und dem entsprechenden Meßkanal des Kunstkopfes als Funktion der Zeit zu bestimmen. Dies wird für beide Meßkanäle durchgeführt, so daß wiederum zwei Zeitfunktionen für jeden Kanal erhalten werden. Durch Korrelieren dieser beiden Zeitfunktionen erhält man ebenfalls als Ergebnis ein Maß für die Beurteilung der Räumlichkeitsabbildung.

Claims

1. Meßverfahren zur Beurteilung des Klangbildes von Lautsprechern in Stereoanordnung mit folgenden Schritten:

- Erzeugen einer synthetischen oder natürlichen Stereo-Testsignalfolge mit einer Zweikanal-Sig nalquelle,
- Wiedergabe der Testsignalfolge über zwei mit Abstand voneinander angeordnete Lautspre cher,
- Bestimmen des elektrischen Kohärenzgrades durch Kreuzkorrelation zwischen den beiden Kanälen der Testsignalfolge als Zeitfunktion,
- Messen der emittierten Schalldruckamplituden beider Lautsprecher in einem mit Abstand von beiden Lautsprechern angeordneten Kunstkopf mit zwei Meßkanälen als Funktion der Zeit,
- Bestimmen des akustischen Kohärenzgrades durch Kreuzkorrelation zwischen den beiden Meßkanälen des Kunstkopfes als Zeitfunktion, und
- Bilden einer Korrelation zwischen dem Kohärenzverlauf des elektrischen und des akusti schen Kohärenzgrades als Maß für die Beurteilung der Räumlichkeitsabbildung der Testsignalfolge durch die Lautsprecher.

2. Meßverfahren zur Beurteilung des Klangbildes von Lautsprechern in Stereoanordnung mit folgenden Schritten:

- Erzeugen einer synthetischen oder natürlichen Stereo-Testsignalfolge mit einer Zweikanal-Sig nalquelle,
- Wiedergabe der Testsignalfolge über die mit Ab stand voneinander angeordneten Lautsprecher,
- Messen der emittierten Schalldruckamplituden beider Lautsprecher in einem mit Abstand von den Lautsprechern angeordneten Kunstkopf mit zwei Meßkanälen als Funktion der Zeit,
- Bestimmen des Kohärenzgrades durch Korrelation zwischen der Testsignalfolge des einen Kanals und dem entsprechenden Meßkanal des Kunstkopfes als Funktion der Zeit,
- Bestimmen des Kohärenzgrades zwischen der Test signalfolge des anderen Kanals und dem entspre chenden Meßkanal des Kunstkopfes als Funktion der Zeit, und
- Bilden einer Korrelation zwischen den Kohärenzverläufen beider Kanäle als Maß für die Beurteilung der Räumlichkeitsabbildung der Test signalfolge durch die Lautsprecher.

3. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die zu vergleichenden Kohärenzverläufe zwischengespeichert werden und auf einem Audio-Analysator synchronisiert werden.

4. Meßverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierung der Kohärenzverläufe mit einem Rechner erfolgt.

5. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß ein Kunstkopf mit einer originalgetreuen Gestaltung der menschlichen Ohren verwendet wird.

6. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß als Testsignalfolge ein Ausschnitt aus einem beliebigen Klangmaterial mit einer Länge von einigen Sekunden verwendet wird.

7. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Lautspre cher in Stereoaufstellung und der mit Abstand von den Lautsprechern angeordnete Kunstkopf gegenseitig den gleichen Abstand aufweisen.

8. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Kohärenzverläufe mit Hilfe eines Synchronisierungsimpulses synchronisiert werden.

9. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Messungen in einem schallarmen Raum vorgenommen werden.