DE2317124A1 - Vorrichtung zur erzeugung von ein raeumliches schallfeld darstellenden signalen - Google Patents

Description

7529-73/Sch/Ba

RCA 63462

U.S. Ser. No. 251 ,742

vom 9. Mai 1972

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

Vorrichtung zur Erzeugung von ein räumliches Schallfeld

darstellenden Signalen

Die Erfindung betrifft Anordnungen zur Erzeugung eines Schallfeldes in einem einen Zuhörer umgebenden Raum, und bezieht sich insbesondere auf Vorrichtungen zur übertragung und/oder Speicherung von Signalen, welche eine stereophonische Schallfeldinformation darstellen, in drei Informationskanälen.

Nach einem Vorschlag für ein Dreikanal-Raumklang-Stereowiedergabesystem werden in drei Kanälen ein Summensignal (Gesamtschalldruck) , ein erstes Differenzsignal (vorn minus hinten) und ein zweites Differenzsignal (links minus rechts) entsprechend einer senkrechten Richtung zur Differenzbildungsrichtung des ersten Differenzsignals übertragen. Diese Signale lassen sich bequemerweise von vier diskreten Schallquellen ableiten, wie sie beispielsweise zur Aufzeichnung von Stereoraumklangsignalen auf vier Spuren eines Magnetbandes verwendet werden.

Die Erfindung bezieht sich auf Systeme zur Erzeugung eines stereophonen Raumklangfeldes, welches eine willkürliche Anzahl von Schallquellen in verschiedenen azimutalen Lagen um einen Hörpunkt im Raum herum angeordnet sind. Das Schallfeld wird in diesem Punkt durch drei Größen beschrieben, nämlich der Gesamtschall-

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druck A und zwei weiteren Größen "A sin Θ" und "A cos θ" , welche die Gradienten des Schalldruckes in diesem Punkt gegenüber einer Bezugsrichtung wiedergeben.

Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung werden diese drei Größen mit einer Anordnung von beispielsweise vier Mikrophonen erzeugt, welche in einem virtuellen Mittelpunkt im Schallfeld angeordnet sind und von diesem Punkt nach außen gerichtet und gegeneinander um jeweils gleiche Winkelbeträge versetzt sind. Die Mikrophone sind an linear arbeitende Kombinationsschaltungen angeschlossen, welche aus den Mikrophonausgangssignalen drei tonfrequente Signale erzeugen, die proportional A, Ä cos θ und A sin θ sind, wobei das erste Signal A den Gesamtschalldnick· und die beiden anderen Signale Schalldruckgradienten in dem betreffenden Punkt des Raumes darstellen. Diese drei Signale werden über drei Übertragungskanäle zu einer weiteren linear arbeitenden Signalkombinationsschaltung geführt, in welchen Signale, die proportional zu A, A cos θ und A sin θ sind, mit vorbestimmten gegenseitigen Amplituden wiederum so kombiniert werden _r daß eine Mehrzahl von tonfrequenten Signalen entsteht, die sich zur Steuerung einer gleichen Anzahl von Lautsprechern eignen, so daß am Hörpunkt wiederum ein stereophones Schallfeld gebildet wird.

Erfindungsgemäß werden die drei Signale Ä, A cos θ und A sin θ durch eine lineare additive Kombination der Ausgangssignale der vier dicht beieinander befindlichen Mikrophone gebildet, welche Kardioidencharakteristiken haben und längs rechtwinklig aufeinander stehender Achsen angeordnet sind.

Ein Gesichtspunkt der Erfindung besteht auch darin, daß ein stereophones Raumklangfeld durch lineare additive Kombination mehrerer Signale, welche einzelnen Schallquellen entsprechen, zur Bildung eines Gesamtsummensignals Ä zusammengesetzt werden. Ferner wird die Größe A mit Faktoren multipliziert, die proportional cos θ und sin θ sind, so daß die beiden Richtungs-

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-3-signale A cos θ und A sin θ gebildet werden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen eines AusfUhrungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Anordnung, welche drei Signalübertragungskanäle für die Wiedergabe eines einen Zuhörer umgebenden Raumklangfeldes verwendet;

Fig. 2 die Kardioidenkennlinien von zwei der gemäß Fig. 1 verwendeten Mikrophonej und

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Teils einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Zusammensetzung der drei Signale derart, daß ein den Zuhörer umgebendes Schallfeld gebildet wird.

Gemäß Fig. 1 sind vier Mikrophone 10, 12, 14 und 16 an einem virtuellen Punkt 18 im Schallfeld aufgestellt, wobei die Mikrophone 10 und 14 längs einer ersten Achse angeordnet sind, die von links vorn (L) nach rechts hinten (R, } gerichtet ist. Die Mikrophone 12 und 16 sind längs einer zweiten Achse angeordnet, die rechtwinklig zur ersten gerichtet ist und von rechts vorn (R_v) nach links hinten (Lj₁) verläuft. Die Mikrophone 10, 12, 14 und 16 haben bestimmte Richtcharakterxstiken, die bei der beschriebenen Ausführungsform vorzugsweise alle gleich sind und durch eine Kardioide beschrieben werden. Zwei solche Richtcharakteristiken sind in Fig. 2 längs der den Mikrophonen 10 und 14 zugeordneten Achse dargestellt. Die Richtcharakteristiken der Mikrophone 12 und 16 haben vorzugsweise die gleiche Form, liegen jedoch entsprechend um die rechtwinklig zu der in Fig. 2 dargestellten Achse verlaufenden Achse.

Die von der Mikrophonanordnung 1Q» 12, 14 und 16 aufgenommenen Schallwellen führen zur Erzeugung elektrischer Ausgangssignale an einem oder mehreren dieser Mikrophone, je nach Schallrichtung und Amplitude. Die Richtung einer Schallquelle in Bezug auf die

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Mikrophonanordnung kann durch einen Winkel θ bestimmt werden, der von einer durch den Punkt 18 verlaufenden Bezμgslinie aus ,gemessen wird. In der folgenden Beschreibung wird der Winkel θ in der von vorn nach hinten verlaufenden Längsachse (die in der Mitte zwischen L und, EL· verläuft) ausgehend im Gegenuhrzeiger-, gerechnet.

In diesem Falle erzeugt eine Schallquelle, welche sich in einem vom Mittelpunkt 18 entfernten Punkt befindet und einen Schalldruck „der. Amplitude A im Punkt 18 erzeugt, in den Mikrophonen 10, 12,, 14 und 1 6 die folgenden Ausgangs sign ale: .

L_v. *» I [i + sin (Θ + J)] π . (1)

f L^{1 + cos ίθ}

C¹ '-

- cos (Θ + |)] (4).

Jegliche zusätzliche Schallquellen haben relative Ausgangssignale in den. verschiedenen Mikrophonen entsprechend diesen Gleichun-, gen zur Folge, wobei sich die endgültigen Ausgangssignale durch additive !Überlagerung bilden.

Die vier elektrischen Ausgangssignale der Mikrophone 1O,.12, 14 und 16 werden in Addierverstärkern 20, 22 und 24 zur Bildung dreier Signale kombiniert, die den Schalldruck und die Richtungseigenschaften des gemessenen Schallfeldes definieren. Insbesondere ist der Verstärker 20 so ausgebildet, daß sein'Ausgängssignal A proportional dem Gesamtschalldruck, gemessen am Punkt 18, ist und durch die Gleichung

definiert ist. Die Größe Ä wird nachfolgend" auch mit M bezeichnet

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und ist entsprechend Gleichung (5) proportional der Suarae der Ausgangssignale der vier Mikrophone 10, 12, 14 und 16, wie sie in den Gleichungen (1) bis (4) beschrieben sind.

Der Addierverstärker 22 hat eine relative Verstärkung voa und erzeugt ein Ausgangssignal A cos θ entsprechend der Gleichung

A cos θ - -*-§ (L_v + R_v - R_n - L_n) (6) .

Der Ausdruck A cos θ ist proportional der Differenz der Ausgangssignale der vorn befindlichen Mikrophone 10 und 12 (I₁^, R^) und der hinten befindlichen Mikrophone 14 und 16 (R_n, L_n). Das Signal A cos θ wird im folgenden auch mit X oder Vorn-minus Hintensignal bezeichnet werden.

Der dritte Verstärker 24 hat ebenso wie der Verstärker 22 eine relative Verstärkung von ·*—χ und erzeugt ein Ausgangssignal A sin θ gemäß der Gleichung

(L_v- R₁^-

Der Ausdruck A sin θ ist proportional der Differenz der Ausgangssignale (L, L.) der beiden linken Mikrophone 10 und 16 und der Ausgangssignale (Ry, R.) der beiden rechten Mikrophone 12 und 14. Das Signal A sin θ wird daher nachfolgend auch Y oder Linksminus Rechtssignal genannt.

Die drei Signale A, A cos θ und A sin θ (oder M, X und Y) werden über geeignete getrennte Übertragungskanäle 26, 28 und 30 einer Wiedergabeanordnung zugeführt. Die Übertragungskanäle 26, 28 und 3O können beispielsweise einem Speichermedium wie einem Magnetband entsprechen, auf den die drei Signale in getrennten Spuren aufgezeichnet sind und in bekannter Weise abgetastet und wiedergegeben werden. Alternativ können die drei Übertragungskanäle auch in einem Rundfunk-Stereo-Übertragungssystem enthalten sein.

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Die Ausgangssignale der drei Übertragungskanäle 26, 28 und 30 werden linear und additiv arbeitenden Signalkombinationsschaltungen zugeführt, welche eine geeignete Anordnung von Lautsprechern 32, 34, 36 und 38 in einem Wiedergaberaum 40 ansteuert. Die Lautsprecher 32, 34, 36 und 38 sind in der Darstellung in quadratischer Anordnung aufgestellt, d.h. jeder Lautsprecher befindet sich in einer anderen Ecke eines quadratischen Raumes. Eine solche Anordnung eignet sich zur Wiedergabe von Tonsignaleh links vorn (L ')# rechts vorn (R '), rechts hinten (Rj₁ ¹) und links hinten (I>_h').

Zu diesem Zweck enthält die dargestellte additiv arbeitende Signalkombinationsschaltung einen ersten und einen zweiten Umkehrverstärker 42 bzw. 44 für die Informationen A cos θ und A sin Θ, einen Verstärker 46 mit dem Verstärkungsfaktor 1/2, der an den Ubertragungskanal 26 für das Signal A angeschlossen ist, und vier linear arbeitende Matrixverstärker 48, 50, 52 und 54, die entsprechend die Lautsprecher 32, 34, 36 und 38 ansteuern.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 46 (im Kanal für das Signal A) wird jeweils auf die Matrixverstärker 48, 50, 52 und 54 gegeben, welche gleiche Signale an alle Lautsprecher liefern, die den Gesamtschalldruck darstellen. Die Ausgangssignale der Umkehrverstärker 42 und 44 und die übrigen Ausgangssignale der Übertragungskanäle 28 und 30 werden den Matrixverstärkern 48, 50, 52 und 54 zugeführt, so daß folgende Gleichungen erfüllt werden:

Y (8)

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Durch Einsetzen der bereits erwähnten Ausdrücke für die Größen M, X und Y und durch Anwendung trigonometrischer Beziehungen für die Ergebnisse läßt sich zeigen, daß die Ausgangssignale der Matrixverstärker 48, 50, 52 und 54 sich in der folgenden Weise ausdrücken lassen:

+.ein(e +X)] (12)

- I [i + cos C θ + f)] (13)

- § [i - sin { β + J )] (14)

V ⁼ I [¹ ~ ^{COS { θ +} ί

Ein Vergleich der Gleichungen (12) bis (15) mit den Gleichungen (1) bis (4> ergibt, daß die wiedergegebenen SchalIfeldkomponenten den gesessenen Komponenten des ursprünglichen Schallfeldes entsprechen.

Die dargestellte Anordnung für eine Dreikanalübertragung stereophoner Raumklanginformationen läßt sich auch als einheitliches System bezeichnen: unabhängig von der azimutalen Orientierung einer Schallquelle im ursprünglichen Raumklangfeld erscheint die wiedergegebene Schallquelle dem in der Mitte befindlichen Zuhörer im Wiedergaberaum 4O unter derselben azimutalen Orientierung wie im Original. Weiterhin wird eine Schallquelle, welche eine konstante Amplitude abstrahlt und sich rund um den Horizont des ursprünglichen Schallfeldes bewegt, ohne Leistungsschwankungen im Wiedergaberaum 4O wiedergegeben, wo vier gleiche Lautsprecher 32, 34, 36 und 38 verwendet werden.

Die von jedem der Lautsprecher 32 bis 38 in einer gegebenen Winkellage θ einer Schallquelle im ursprünglichen Schallfeld erzeugten Schallfeldkomponenten lassen sich »it Hilfe der vorerwähnten Gleichungen errechnen. Wenn beispielsweise eine Schallquelle der Amplitude A sich im ursprünglichen Schallfeld links befindet (also θ = ^), dann erzeugen die Lautsprecher 32, 34, 36 und 38 Ausgangssignale rait den relativen Amplituden 0,85A, 0,15A, 0,15A bzw.

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o,85A. Die gleichen Ausgangssignale der Lautsprecher 32 und 38 stellen eine virtuelle Schallquelle in der Mitte zwischen diesen beiden Lautsprechern dar. Eine nicht gerichtete Schallkomponente von 0,15A wird in Form einer stehenden Welle von allen vier Lautsprechern abgestrahlt und kann als Überlagerung auf einer wandernden Wellenkomponente (beispielsweise 0,7A) angesehen werden, die von einer scheinbaren Schallquelle in der Mitte zwischen den beiden Lautsprechern 32 und 38 zu kommen scheint. Diese Information in Form der stehenden Welle wird vom Übertragungskanal des M-Signals übertragen.

Durch ähnliches Einsetzen läßt sich zeigen, daß eine längs eine der Achsen (beispielsweise L ),die den Mikrophonen 10, 12, 14 und 16 zugeordnet sind, angeordnete Schallquelle den Hauptlautsprecher (L ) in gleichem Maße ansprechen läßt, wie es der ursprünglichen Schallquelle entspricht, und daß die beiden davon seitlichen Lautsprecher (L. und R ) mit der halben Lautstärke ansprechen. Die Richtungswirkung der Schallquelle bleibt daher im wiedergegebenen Schallfeld erhalten.

Gleiche Ergebnisse lassen sich für die Lage von Schallquellen in anderen der vier seitlichen Quadranten ableiten. Das System zeigt also ein gleichförmiges Verhalten. Die Wirkung mehrfacher Schallquellen an verschiedenen Stellen läßt sich.also durch Anwendung der Überlagerungsprinzipien ermitteln.

Selbstverständlich lassen sich auch andere Lautsprecheranordnungen bei einer geeigneten Matrixierung der Signale M, X und Y verwenden. Beispielsweise kann eine Anordnung mit je einem Frontlautsprecher, Rücklautsprecher, linken und rechten Lautsprecher getroffen werden.

In Fig. 3 ist eine Vorrichtung dargestellt, in welcher die Signale M, X und Y, die ein gewünschtes Schallfeld darstellen, durch Verwendung einer anderen Mikrophontechnik als in Fig. 1 gebildet

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werden. Insbesondere ist eine Reihe getrennter magnetischer Aufzeichnungsspuren 100, 102, 104 usw. dargestellt, die jeweils den Schallbeitrag eines einzelnen Musikinstrumentes beinhalten. Mit solchen Mehrspuraufzeichnungen arbeitet man üblicherweise in kommerziellen Tonstudios. Die Informationen jeder Spur 100, 102, 104 des Bandes werden mit Hilfe üblicher Magnetköpfe 106, 108, 110 in elektrische tonfreguente Signale umgewandelt, die Verstärkern 112, 114 und 116 zugeführt werden. Einstellbare Dämpfungsglieder (bzw. Verstärkungsregler) 118, 120 und 122 sind in jedem Signalweg zur Bedienung durch den Toningenieur vorgesehen. Die Ausgangssignale der Dämpfungsglieder 118, 120 und 122 werden einem ersten Summierverstärker 124 zugeführt, der ein Tonsummensignal M liefert, wie es im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt worden war. Weiterhin ist in jedem Signalweg eine Schaltung vorgesehen, mit Hilfe deren sich jede Schallquelle in eine bestimmte räumliche Position verschieben läßt. Hierzu dienen Sinus-Cosinus-Potentiometer 126, 128 und 130, \ia sie beispielsweise allgemein als Phasendreher in Servoeinrichtungen verwendet werden. Durch entsprechende Einstellung der Potentiometer 126, 128 und 130 lassen sich die relativen Winkelorientierungen der einzelnen Schallquellen im resultierenden Schallfeld bestimmen. Die Cosinusausgänge aller Potentiometer werden in einem zweiten Summierverstärker 132 addiert, während die Sinusausgangssignale in einem dritten Summierverstärker 134 addiert werden. Auf diese Weise ergeben sich Signalanteile, die proportional zu den bereits erwähnten Komponenten X und Y sind.

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Claims (4)

1. Patentansprüche.

   [1)^Vorrichtung zur Erzeugung von ein räumliches Schallfeld . darstellenden Signalen, dadurch^gekennzeichn e t , daß mehrere, Tonsignale in elektrische Signale umwandelnde Wandler (10,12,14,16) angeschlossen sind an eine erste Signalkombinationsschaltung (20), welche ein der Summe der elektrischen Signale proportionales erstes Signal A erzeugt, an eine zweite Signalkombinationsschaltung (22), welche die elektrischen Signale additiv zu einem zweiten Signal A cos θ vereinigt, wobei θ die Winkellage einer Schallquelle gegenüber einer Bezugsrichtung im Raum ist, und an eine dritte Signalkombinationsschaltung (24), welche die elektrischen Signale additiv zu einem dritten Signal A sin θ vereinigt.
2. 2) Vorrichtung nach Anspruch V, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (10,12,14,16) durch vier Mikrophone gebildet werden, welche in gleichen Winkelabständen um einen Punkt (18) im Schallfeld angeordnet sind und jeweils eine Richtcharakteristik in Form einer Kardioide haben.
3. 3) Vorrichtung nach Anspruch T oder 2_g dadurch gekennzeichnet, daß die erste additiv arbeitende Signalkombinationsschaltung (20) eine erste Summierschaltung enthält, deren relative Verstärkung für jedes der von den vier Mikrophonen zugeführten Signale 1/2 beträgt, daß die zweite und dritte, additiv arbeitende Signalkombinationsschaltung (22,24) jeweils relative Verstärkungen von —Ι-= für jedes der Signale der vier Mikrophone hat und daß die zweite Signalkombinationsschaltung (22) weiterhin eine Signalumkehr der Signale zweier benachbarter Mikrophone bewirkt und die dritte Signalkombinationsschaltung (24) eine Signalumkehr für die Signale von einem der beiden benachbarten Mikrophone Und

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   eine Signalumkehr des Signales von einem dritten, dem ersten benachbarten Mikrophon bewirkt.
4. 4) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
   daß die Wandler durch mehrere Magnetköpfe (106,108,110) gebildet werden, die jeweils einer Tonaufnahmespur (100,102,104) zugeordnet sind, und daß die Vorrichtung eine Mehrzahl Sinus-Cosinus-Potentiometer (126,128 und 130) enthält, die zwischen die Magnetköpfe und die zweite und dritte Signalkombinationsschaltung eingeführt sind.

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