DE2355943A1 - Die einhuellungsmodulation beseitigendes tonuebertragungsgeraet - Google Patents

Description

K 62 P

Anmelder: Korn & Macway Laboratories Av. Louise 129A
Brüssel, Belgien -

Die Einhüllungsmodulation beseitigendes Tonübertragungsgerät

Die Erfindung betrifft Übertragungs-, Aufnahme- oder Wiedergabegeräte, die beim Zuhörer den auditiven Eindruck erwecken, daß er sich vor einem wahren Orchester im Konzertsaal befindet. Die Erfindung beruht auf der Entdeckung einer bisher unbekannten akustischen Verzerrung, die bei der Tonaufnahme in einem Saal entsteht. Durch eine Eigenschaft beim menschlichen, binauralen Hören (d.h. beim Hören durch beide Ohren), die bisher unbekannt war, wird diese Verzerrung beim direkten Hören beseitigt. Diese Eigenschaft aber wird bei der gewöhnlichen Tonwiedergabe wirkungslos. Die Erfindung gestattet es, die nötigen akustischen Bedingungen bei der Tonwiedergabe zu schaffen, um die obenerwähnte Eigenschaft beim menschlichen Hören auszunutzen.

Es ist wohlbekannt, daß - im Vergleich zu der "Klangfülle" und "Klarheit" eines in einem Konzertsaal direkt gehörten Orchesters - die durch eine Tonanlage wiedergegebenen Orchesterklänge immer "matt" und "rauh" erscheinen, so als ob sie durch eine starke Intermodulation verzerrt

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wären. In technischen Kreisen hat man diesen bekannten Nachteil den nicht-linearen Verzerrungen der Übertragungsgeräte zugeschrieben, aber die neuesten Erfahrungen haben ergeben, daß die Rauheit der Orchesterklänge auch mit perfekt linearen' Übertragungsgeräten auftritt.

Es wurde nun gefunden, daß die Rauheit der wiedergegebenen Musik nicht technisch bedingt ist, sondern durch eine bis jetzt unbekannte akustische Verzerrung verursacht wird. Diese "para-technische" Verzerrung stammt aus der Interferenz, oder der "Einhüllungsmodulation" der musikalischen Klänge, die von den Wänden des Aufnahmeraums reflektiert werden und in den Aufnahmemikrophonen zum direkten Schall addiert werden. Durch die üblichen Messmethoden, die nach dem Prinzip der Sinusdauertöne arbeiten, konnten diese Verzerrungen nicht entdeckt werden.

Die neue Klanganalyse, die nachstehend kurz beschrieben wird, ermöglicht die Peststellung dieser Verzerrungen:

Die Orchesterklänge, die die Information über die musikalische Tonhöhe tragen, sind keine Dauertöne, sondern Töne von kurzer Dauer oder von rasch wechselnder spektraler Form. In einer früheren Arbeit wurde gezeigt (Korn, Acustica, Vol. 22, 1970), daß die Information über die Tonhöhe eines musikalischen Klanges durch ein Elementar-

409822/0769 ~ ³ "

signal gegeben wird, das die Form:

s (t) = t e cos u_ot

hat. Das Spektrum (Fouriertransformierte) dieses Signals (siehe unten Gleichung 3) hat ein Maximum, das bei der Frequenz

K - τ*

liegt und der Tonhöhe des Klanges entspricht.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Anwendung dieser Theorie bei der Addition reflektierter Klänge. Man kann beweisen, daß die Addition von zwei gleichen, aber verzögerten Elementarsignalen eine Intermodulation zwischen ihren Einhüllenden zur Folge hat, sodaß die Einhüllende des Resultattones stark verzerrt wird, wodurch die spektralen Störmaxima erzeugt werden. Diese Störmaxima werden vom menschlichen Ohr als Fremdtöne gehört, die eine gewisse Rauheit der wiedergegebenen Musik zur Folge haben, in ähnlicher Weise wie bei der Wiedergabe einer Musikaufzeichnung durch ein Übertragungsgerät mit der herkömmlichen, nicht-linearen Verzerrung.

Ein Beispiel einer Einhüllungsmodulation ist in Fig. 1 illustriert, die die Addition eines musikalischen Elementartons: (ä) und seiner Reflexion (b) zeigt. Daraus ergibt sich, daß - mit einer sehr seltenen Ausnahme, bei der die beiden

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Töne sich genau in Phase treffen (c) - die Einhüllenden der beiden Signale intermoduliert werden, sodaß die Einhüllende des Resultatsignals stark verzerrt wird (d). Die hörbaren Polgen dieser Einhüllungsmodulation können durch eine Klanganalyse des Resultatsignals untersucht werden:

Angenommen es sei ein musikalisches Elementarsignal von der Frequenz

o 2 TT

2 — '"v-1
s (t )=t e cos ^j t

el O

vorgegeben; dann ist seine Reflexion, die um T (see) ver zögert ist

Das Energiespektrum des originalen Elementartons ist:

_: 2 - ⁴

wobei S (u ) die Fouriertransformierte von s (t) ist. a a

Dieses Spektrum hat ein einziges Maximum bei der Frequenz )) , die der Tonhöhe des Klangs entspricht.

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Wenn die beiden Signale in einem Mikrophon addiert werden, ergibt sich für das Resultatsignal

s(t)=s_a(t)+s_b(t)

und für dessen Spektrum gilt

F-

Die Differenzialrechnung von dP/d uj zeigt, daß das Spektrum P (uj) nicht nur ein Maximum, sondern mehrere Maxima hat, deren Amplituden und Frequenzen von den Produkten )) T (Verhältnis der Verzögerung zur Tonperiode) abhängig sind. Es ist klar ersichtlich, daß in einem Saal das Produkt V T in den Grenzen von η zu n+1 (wo η eine beliebige ganze Zahl ist) mit gleicher Wahrscheinlichkeit alle möglichen Werte annehmen kann, und daß der Fall iJ T (d.h. also das Signal c) sehr selten vorkommt.

Als rechnerisches Beispiel zeigt die Kurve d in Fig. 2 das Spektrum P(w ) im.Falle ^₀=IOOO HZ und J^₀ T =n+o,5. Man sieht,, daß in diesem Fall das Spektrum P( uj) zwei Hauptmaxima hat, die von der Originalfrequenz ( ^₀=IOOO-Hz um +17 Herz entfernt liegen. Man sieht auch, daß das Originalmaximum bei 1000 Herz völlig verschwunden ist. Der üblichen Definition des Klirrfaktors zufolge kann man fest stellen, daß je nach dem Wert von \J _Q X die Einhüllungs-

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modulation einen Klirrfaktor bis zu 100 % erzeugen kann, was die Rauheit der wiedergegebenen Musik völlig erklärt.

Zu erklären bleibt allerdings, warum bei direktem Hören in einem Konzertsaal diese Verzerrungen nie gehört werden, obwohl die relative Phasenlage der Reflexionen (d.h. der Wert von 1^₀T ) auch alle möglichen Vierte haben kann. Dies zu erklären ist erforderlich, weil es ja aus der Praxis wohlbekannt ist, daß die Reflexionen, insbesondere die von dem frontalen Teil des Konzertsaals kommenden Reflexionen, ■nicht nur günstig, sondern auch notwendig sind, um die musikalische Qualität der Orchesterklänge zu verbessern.

Diese ansich erstaunliche Tätsache wurde durch psychoakustische Untersuchungen geklärt, die im Rahmen dieser Erfindung durchgeführt wurden. Diese Experimente haben zunächst bestätigt, daß der auditive Effekt beim Hören einer aus ein und derselben Richtung kommenden Elementarsignalkombination a + b genau der Klanganalyse nach Fig. 2 entspricht. Das heißt, daß der Summenton c, der der Bedingung ( ]} T=n) entspricht, wie ein verbesserten musikalischer Klang klingt und der Summenton d, der der Bedingung ( ]) T=n+o,5) entspricht, dagegen wie ein verzerrtes, rauhes "Krachen" vom Hörer empfangen wird. Der Höreffekt ändert sich jedoch völlig, wenn die Elementarsignale a und b dem Zuhörer von zwei verschiedenen Richtungen zugeführt werden. Unter diesen Umständen, und be-

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dingt durch das binaurale Hören, klingt der Summenton immer wie ein verbesserter Klang, unabhängig von der Phase zwischen den Signalen (d.h. für alle Werte von ]) T).

Diese psycho-akustisehe Untersuchung zeigt, daß beim menschlichen binauralen Hören eine wichtige und bis jetzt unbekannte Eigenschaft mit ins Spiel kommt, die damit zusammenhängt, daß die aus verschiedenen Richtungen kömmenden akustischen Signale getrennt empfangen werden. Es hat den Anschein, als ob die Synthese dieser Signale in eine einzige Nachricht nicht durch eine einfache Addition des akustischen Drucks erreicht wird, sondern durch eine Synthese im Nervensystem des Zuhörers, wo das Problem der Phasen durch den wohlbekannten Gleichrichtereffekt der Neuronen völlig ausgeschaltet ist. Damit wird klar, daß der richtige "Konzertsaaleffekt¹¹¹, hauptsächlich durch die Ausschaltung der Einhüllungsmodulation durch das binaurale Hören bedingt ist. Diese Eigenschaft erklärt die ganz erhebliche Verbesserung der Orchesterklänge durch die aus den verschiedensten Richtungen kommenden Reflexionen. Man hat praktisch festgestellt, daß die besten Säle diejenigen sind, in denen die frontalen· Reflexionen von breiten und gut streuenden Flächen kommen.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung kqnnen bei der Tonwiedergabe verwendet werden. Man sieht, daß der Konzertsaaleffekt

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bei der Tonwiedergabe nur durch eine günstige geometrische Verteilung der frontalen Reflexionen des Aufnahmeraumes erreicht werden kann. Das heißt, daß diese Reflexionen dem Zuhörer nie aus der Richtung zugeführt werden sollen, aus der der Direktschall kommt, sondern aus möglichst vielen Richtungen. Diese Möglichkeit ist natürlich bei einer Monowiedergabe völlig ausgeschlossen, aber auch die üblichen Zweikanal-Stereogeräte sind nicht im Stande, die Richtungen der einzelnen Reflexionen genügend zu trennen. Auf den ersten Blick könnte man denken, daß zu diesem Zweck eine große Menge von Kanälen und Lautsprechern nötig wäre, um so die einzelnen Reflexionen getrennt voneinander auszustrahlen. Nun hat aber unsere folgende psycho-akustische Untersuchung erfreulicherweise gezeigt, daß bei der Tonwiedergabe das Gefühl für die Richtung der Schallwellen, das bei der Ausschaltung der Einhüllungsmodulation der wichtigste Paktor ist, nicht von der Stellung der einzelnen Lautsprecher abhängt, sondern mit der Lage der akustischen Bilder verknüpft ist, die mit zwei Komponenten in beliebiger Stelle nachgeahmt werden können. Dieses psycho-akustische Experiment wird anhand der Fig. 3 erläutert. Ein direktes Elementarsignal von der Primärquelle (S ) und seine verzögerte

3.

Reflexion (S^), also ( jJ "["=n+o,5), werden dem Zuhörer aus dem linken Lautsprecher zugeführt, was natürlich

einen verzerrten Klang (S +S₁*) ergibt. Es wurde nun aber

a. D

gefunden, daß, wenn der Sekundärton S^ von demselben,

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aber aus dem rechten Lautsprecher kommenden Signal S" begleitet wird, jede Verzerrung des Resultattons verschwindet, obwohl der linke Lautsprecher immer weiter den verzerrten Ton (S +S") ausstrahlt. Daraus ergibt

el D

sich, daß der Zuhörer nicht mehr die ungünstige Richtung der Reflexion S' fühlt, sondern nur die günstige Richtung des Bildes S, , das aus zwei Komonenten S' und S" zusammengesetzt wird. Dasselbe Resultat wird erzeugt, wenn das Signal S" in umgekehrter Phase zu S' zugeführt wird. Das Bild der Reflexion wird ausgebreitet und die Einhüllungsmodulation wird beseitigt.

Dieses Experiment zeigt, daß es möglich ist, den Konzertsaaleffekt mit nur zwei Kanälen zu erreichen, nämlich dann, wenn die beiden vor dem Zuhörer stehenden Lautsprecher nicht nur die direkten Signale der Instrumente, sondern zugleich auch die entsprechenden Komponenten der frontalen Reflexionen des Aufnahmeraumes abstrahlen und damit eine große Menge von geometrisch verteilten Bildern schaffen.

Eine gewisse Information über Reflexionen des Aufnahmeraumes ist in jedem Steroprogramm vorhanden. Da die Aufnahmemikrophone sich fast immer in der Nähe der Bühne befinden, betrifft diese Information meistens die gewünschten frontalen Reflexionen. Diese Signale sind aber schwach und in den beiden Kanälen ungünstig verteilt, sodaß sie nicht im Stande sind, durch eine übliche Wiedergabeanlage die gewünschten akustischen Bilder zu schaffen.

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Gemäß der. vorliegenden Erfindung wird in die Zweikanal-Übertragungsanlage ein spezielles Gerät eingeführt, das zu den gewöhnlichen Stereosignalen gewisse "bearbeitete" Signale addiert, die die gewünschten verbreiterten Bilder der Reflexionen des Aufnahmeraums liefern. Diese neuen, "bearbeiteten" Signale werde mittels der ursprünglichen stereophonischen Signale in folgender Weise erstellt:

Es ist bekannt, daß die im Aufnahmeraum reflektierten akustischen Signale sogenannte "statistische" oder "nicht-kohärente" Signale sind, d.h. daß ihre mittlere Leistung in beiden Kanälen dieselbe ist, während hingegen die momentanen Amplituden und Phasen der individuellen Reflexionen große Differenzen von dem einen zu dem anderen Kanal aufweisen. So beinhaltet ein Differenzsignal, das durch eine Subtraktion der beiden Kanäle erzeugt wird, viele Informationen über die Aufnahmeraumreflexionen, während ein großer Teil des Direktschalls durch die Subtraktion ausgeschieden wird. Wenn nun das Differenzsignal zu den beiden stereophonischen Kanälen in gleicher Amplitude, aber in umgekehrter Phase addiert wird, so bekommt man folgendes Resultat:

a) Der kohärente Direktschall wird meistens durch die üblichen Stereosignale wiedergegeben, was dem'Zuhörer erlaubt, die Bilder der primären Schallquelle auf der Bühne zu orten.

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b) Die nicht-kohärenten Reflexionen des Aufnahmeraumes werden durch dieselben Lautsprecher in umgekehrter Phase abgestrahlt j was ein zerstreutes und multidirektionales Bild der frontalen Reflexionen des Aufnahmeraumes ergibt.

Somit werden dieselben akustischen Bedingungen wie in einem guten Konzertsaal geschaffen. Die erzeugten Unterschiede in der Richtung des Direktschalls in den Bildern der Reflexionen ermöglicht beim binauralen Hören die Einhüllungsmodulation auszuschalten (siehe Fig. 3) und den Raumeffekt herbeizuführen.

Das einfache Differenzsignal, jedoch in umgekehrter Phase abgestrahlt, genügt nicht, um die Akustik eines guten Konzertsaals nachzuahmen. Die Amplituden und Richtungscharakteristiken der Reflexionen, sowie die Länge der musikalischen Töne und die Zeitauflösung beim menschlichen Hören sind-von der Frequenz abhängig, sodaß in dem erfindungsgemäßen Gerat bearbeitete Signale, die zu den Stereosignalen addiert werden, folgende Bedingungen erfüllen müssen:

a) bei tiefsten Frequenzen (unter 70 Hz) hat die Dauer ' der musikalischen Klänge und der auditiven Zeitauflösung eine Größenordnung von mehreren hunderten M-illisekunden,

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eine Größenordnung, die größer ist als der Zeitlauf in einem Saal. In diesem Frequenzbereich sind keine individuellen Reflexionen vorhanden, sondern nur die gesamte Erregung der Eigentöne des Saales. So muß das "bearbeitete" Signal in gleicher Amplitude und gleicher Phase zu beiden Kanälen addiert werden, um die Eigentöne des Wiedergäberäumes wirksamerweise zu erregen.

b) bei Mittelfrequenzen (100-2000 Hz) sind die individuellen Reflexionen am wichtigsten und müssen geometrisch gut getrennt werden. In diesem Frequenzbereich muß das "überarbeitete" Signal das oben erwähnte Differenzsignal in umgekehrter Phase sein.

c) bei hohen Frequenzen (über 3OOO Hz) nimmt die Amplitude der Konzertsaalreflexion ab, da die Absorbtion durch die Baumaterialien und in der Luft stark zunimmt. Auch die Länge der musikalischen Klänge wird so klein (einige Millisekunden), daß die individuellen Reflexionen sich nicht mehr überdecken. In diesem Frequenzbereich muß die Amplitude des "bearbeiteten" Signals auch abnehmen.

Diese Bedingungen werden durch die Erfindung erfüllt. Fig. 4 zeigt das Prinzipschema der Erfindung mit zwei Addierelementen 1, 2, in denen die "bearbeiteten" Signale

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l6, 17 zu den jeweiligen, üblichen und normalen Stereosignalen 14, 15 addiert werden. Bei den tiefsten Frequenzen wird das "bearbeitete" Signal eigentlich ein Summensignal, das in dem Addierelement 3 erzeugt und den Addierelementen 1 und 2 mit gleicher Amplitude und in gleicher Phasenlage zugeführt wird. Diese Art von "bearbeiteten" Signalen wird zu den tiefsten Frequenzen hin durch die Tiefpassfilter 7, 8, 9 und 10 beschränkt.

Im Mittel- und Hochfrequenzbereich ist das "bearbeitete" Signal ein Differenzsignal, das durch das Substraktionselement 4 erzeugt und durch den I80 -Phasenumkehrer 13 den beiden Addierelementen 1 und 2 in gleicher Amplitude, aber mit umgekehrter Phase zugeführt wird. Der übergang des "bearbeiteten" Signals von der Summenform zur Differenzform wird durch das Zusammenwirken der Tiefpassfilter 7-IO und des Hochpassfilters 11 erzeugt.

Im Hochfrequenzbereich wird die Amplitude des Differenzsignals durch den Filter 12 progressiv reduziert. Das Gerät (Fig. 3) kann noch mit einigen weiteren Verbesserungen versehen werden. Im Tieftonbereich werden die üblichen Stereophonischen Signale (14, 15) durch die Hochpassfilter 5,6. beseitigt, sodaß in den Ausgängen des Geräts nur der Summenton l6, 17 verbleibt. Dadurch

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wird die gewünschte Balance der Tieftöne in stereophonischen Lautsprechern gesichert, und zwar auch für den Fall, daß das eingehende stereophonische Programm unbalanciert wäre. Als weitere Verbesserung werden zwei Hochfrequenzanhebeglieder 18, 19 in die Kanäle Ik, 15 eingeführt, welche den Verlust hoher Frequenzen durch den Filter 12 kompensieren und die allgemeine spektrale Balance der Wiedergabe wieder herstellen.

Ein besonderes technisches Beispiel der Erfindung wird in Pig. 5 dargestellt. Hier werden die Funktionen des Subtraktionsgliedes 4, des Hochtonpassfilters 11 und des Phasenumkehrers 13 von dem Transformator 20 übernommen, dessen Primärwicklung 22 über einen Serienwiderstand zwischen die beiden stereophonischen Kanäle geschaltet ist. Die Induktanz der Primärwicklung 22 und der Widerstand 21 bilden den Hochpassfilter 11. Die zwei in umgekehrter Phase geschalteten Sekundärwicklungen 23, 24 führen das Differenzsignal den Addiergliedern I₃ 2 mit gleicher Amplitude, aber in umgekehrter Phase zu. Die Elemente 25, 26, 27, 28, 29 mit dem Widerstand 21 geben ein Ausführungsbeispiel für den progressiv wirkenden Hochpassfilter 12.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   Zitfeikanalgerät zur Verarbeitung stereophonischer Signale, dadurch gekennzeichnet, daß es in jedem Kanal · ein Addierglied (1 bzw. 2) aufweist, welches zu den üblichen Stereophonischen Signalen (14, 15) ''bearbeitete" Signale (16, 17) addiert, wobei die "bearbeiteten" Signale durch .folgende Elemente des Geräts erzeugt werden: Ein Addierglied (3) mit Tiefpassfiltern (7, 8, 9, 10), welche bei tiefsten Frequenzen den Summenton aus den eingehenden stereophonischen Signalen mit gleicher Amplitude an die Addierglieder (1, 2) liefern, und ein Stubtraktionsglied (4) mit Hochpassfilter (11) und l80°-Phasenumkehrer (13)_s die im Mittel- und Hochfrequenzbereich den Differenzton der Stereosignale mit gleicher Amplitude, aber umgekehrter Phase an die Addierglieder (1, 2) liefern.
2. 2. Zweikanalgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Tiefpassfilter (12) aufweist, welcher die Amplitude des Differenztons mit zunehmender Frequenz progressiv reduziert.
3. 3. Zweikanalgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es in den üblicherweise die Stereosignale (14, 15) führenden Kanälen Hochfrequenzanhebeglieder (18, 19) aufweist.

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4. 4. Zweikanalgerät nach einem der Ansprüche I₃ 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es in den üblicherweise Stereosignale führenden Kanälen (14, 15) Hochpassfilter (5, 6) aufweist.
5. 5. Zweikanalgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Transformator (20) aufweist, dessen Primärwicklung (22) über einen Widerstand (21) zwischen beide Stereoeingänge geschaltet ist, und dessen zwei Sekundärwicklungen (23₅ 24) in umgekehrter Phasenlage an die Addierglieder (1, 2) angeschlossen sind.

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