DE2639834C2 - Mehrkanal-Tonaufnahme und -Wiedergabesystem - Google Patents
Mehrkanal-Tonaufnahme und -WiedergabesystemInfo
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- DE2639834C2 DE2639834C2 DE2639834A DE2639834A DE2639834C2 DE 2639834 C2 DE2639834 C2 DE 2639834C2 DE 2639834 A DE2639834 A DE 2639834A DE 2639834 A DE2639834 A DE 2639834A DE 2639834 C2 DE2639834 C2 DE 2639834C2
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Description
15
"jpl" | -TA'1 | Ml |
spl | Ml | |
jpN_ | _MN_ | |
umgesetzt werden, wobei spl, sp2 ... spNdie den
Lautsprechern zugeführten umgesetzten Signale, T eine Verzögerungszeit, A-' die inverse Matrix A der
akustischen Übertragungseigenschaften der akustischen Pfade zwischen den Lautsprechern und den
Ohren des Zuhörers und Ml, M2 ... MN die
Ausgangssignale der Mikrophone bedeuten, dadurch gekennzeichnet, daß die künstlichen
Ohren (IR, IL, 2R, 2L) um eine gemeinsame vertikale
Achse herum bezüglich der Schallquelle im Winkel zueinander versetzt sind, und daß unter Berücksichtigung
wenigstens zweier Drehwinkel des Kopfes des Zuhörers das Element in der j-ten Zeile
und der Xr-ten Spalte der Matrix A der Übertragungseigenschaft
des akustischen Pfades vom Jt-ten Lautsprecher (SPl ... SPA) zu demjenigen Ohr
(30L, 30R) des Zuhörers (30, 40) entspricht, dessen
Winkelposition bezüglich des jt-ten Lautsprechers (SPl ... SP4) der Winkelposition des y-ten künstlichen
Ohrs (IR, IL, 2R, 2L) bezüglich der Schallquelle
entspricht, wobei j und k ganze Zahlen von
1 bis N sind.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Mikrophone ungerichtete Mikrophone
sind.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß N gleich 3 ist, daß zwei der
Mikrophone vorne an einem zylindrischen Körper (132) mit einem Winkelabstand von 90° zueinander
angeordnet sind und das dritte Mikrophon hinten an dem Körper (132) mit gleichen Winkelabständen zu
den zwei vorderen Mikrophonen angebracht ist (Fig. 13).
4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kunstkopf mit einem
zylindrischen Körper (100) vorgesehen ist und daß die Mikrophone an ditrnetral gegenüberliegenden
Positionen am Umfang dieses Körpers (100) angebracht sind (F i g. 1OA, 10B).
5. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß N gleich 4 ist, und daß die
Mikrophone mit Winkelabständen von 90° angeordnet sind.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die
Übersprech-Unterdrückungsschaltung (5) N Eingangsanschlüsse
(U bis 14) aufweist, die an die Ausgänge der Mikrophone angeschlossen sind,
sowie TV Ausgangsanschlüsse (21 bis 24), die über einzelne Kanäle jeweils mit den Lautsprechern (SP 1
... SPN) verbunden sind, N Filterschaltungen (51 bis
54) mit einer jeweils speziellen Frequenzcharakteristik, TV-Addierer (71 bis 74) mit jeweils N Eingängen
und einem mit einem der N Ausgangsanschlüsse (21 bis 24) verbundenen Ausgang, und N Gruppen von
Verzögerungs- und Filterschaltungen (59 bis 70), die
jeweils N—\ Verzögerungs- und Filterschaltungen umfassen, von denen jede eine besondere Frequenz-
und Verzögerungscharakteristik besitzt, daß ferner jeder der N Eingangsanschlüsse (11 bis 14) der
Übersprech-Unterdrückungsschaltung (5) jeweils übsr eine der Filterschaltungen (51 bis 54) mit einem
Eingang der Addierer (71 bis 74) verbunden ist, und daß der Ausgang des jeweiligen Addierers über
einen der Inverter (81 bis 84) und eine der Verzögerungs- und Filterschaltungen (59 bis 70)
einer Gruppe mit einem anderen Eingang eines anderen Addierers verbunden ist
7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von vertikal im Abstand
angeordneten Kunstköpfen (1,2) vorgesehen ist, daß jeder dieser Kunstköpfe (1, 2) auf einer gemeinsamen
vertikalen Achse (3) angebracht und horizontal in einer besonderen Richtung bezüglich der Schallquelle
(31) derart ausgerichtet ist, daß jedes der künstlichen Ohren (IR, IL, 2R, 2L) eine bestimmte
besondere Winkelposition bezüglich der Schallquelle (31) einnimmt
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß zwei Kunstköpfe (1,2) vorgesehen sind, die
um 90° gegeneinander verdreht sind (F i g. 1).
9. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß drei Kunstköpfe (111,112,113) vorgesehen
sind, die um jeweils 60° gegeneinander verdreht sind (Fig. 11).
Die Erfindung betrifft ein Mehrkanal-Tonaufnahme- und -Wiedergabesys*em mit aufnahmeseitig wenigstens
zwei jeweils an einem künstlichen Ohr angebrachten kopfbezogenen Mikrophonen, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Bekannte binaurale Tonaufnahmesysteme sind als geschlossener Kreis mit einem Tonwiedergabesystem
ausgebildet, bei dem zwei Mikrophone zur Aufnahme des ursprünglichen Tons jeweils mit zwei unabhängigen
Übertragungskanälen verbunden sind, die ihrerseits an zwei unabhängige Kopfhörermuscheln des Zuhörers
angekoppelt sind. Die Aufnahmemikrophone sind an einer der Form und den Abmessungen des menschlichen
Kopfs nachgebildeten Attrappe, einem Kunstkopf, an Stellen montiert, die den Ohren des menschlichen
Kopfes entsprechen. Der Zuhörer wird mittels eines Zweikanal-Tonwiedergabesystems scheinbar an den
Ort der Kopfattrappe versetzt Wegen der direkten Übertragung der Signale hat der Zuhörer einen
räumlichen Schalleindruck, gerade als säße er am Ort
des Kunstkopfes. Da vom Zuhörer das Tragen des Kopfhörers als unbequem empfunden wird, wurde
bereits angeregt, daß eine Zweikanal-Lautsprecherwiedergabe
unter Verwendung einer Kopfattrappe die
Vorteile des räumlichen Eindrucks des binauralen Systems ausnützen sollte. Dabei wird jedoch üblicherweise
ein stereophones Signalpaar durch zwei Lautsprecher wiedergegeben, die rechts und links vor dem
Zuhörer angeordnet sind. Dabei empfängt der Zuhörer an seinem Unken Ohr nicht nur das erwünschte linke
Signal, sondern aufgrund einer Tonbeugung bzw. -streuung am Kopf auch unerwünschterweise das rechte
Signal. Diese Erscheinung wird als akustisches Obersprechen
bezeichnet Das akustische Obersprechen kann durch eine elektronische Schaltung beseitigt
werden, wie sie von P. Damaske im Journal of the Acoustical Society of America, Band 50,1971, Nr. 4, Teil
II, Seiten 1109 bis 11 i5, unter dem Titei »Zweikanal-Stereophonie
mit Lautsprecherwiedergabe« beschrieben wurde. Eine Wiedergabe der binauralen Signale einer
Kopfattrappe mit -zwei Lautsprechern ist jedoch auch dahingehend problematisch, daß virtuelle Tonquellen
lediglich zwischen den beiden Lautsprechern erzeugt werden können, und daß daher schon eine geringfügige
Kopfbewegung des Zuhörers beim Zuhörer den Eindruck entstehen läßt, als wurden sich die Tonquellen
verschieben.
Ein System der eingangs genannten Art ist bereits in der DE-OS 26 27 437 als 4-Kanal-Tonaufnahme- und
-Wiedergabesystem beschrieben, bei dem ein vorderes kopfbezogenes Mikrophonpaar über eine vordere
Übersprech-Unterdrückungsschaltung und andererseits ein hinteres kopfbezogenes Mikrophonpaar mit einem
hinteren Lautsprecherpaar über eine hintere Übersprech-Unterdrückungsschaltung gekoppelt sind. Der
vordere und der hintere Kunstkopf sind in der gleichen Richtung ausgerichtet und hintereinander angeordnet
Damit bei Drehung des Kopfes des Zuhörers der natürliche Klangeindruck bzw. eine scheinbare räumliehe
Versetzung des erzeugten virtuellen Schallbildes vermieden wird, ist bei dieser bekannten Anordnung das
vordere binaurale Signal den vorderen Lautsprechern und das hintere Signal den hinteren Lautsprechern über
die entsprechenden Unterdrückungsschaltungen zügeführt Dadurch entsteht beim Zuhörer der Eindruck, daß
der Schall von vorne kommt, wenn das vordere Schallbild wiedergegeben wird, und andererseits, daß
der Schall von hinten kommt, wenn das hintere Schallbild erzeugt wird. Wenn jedoch der Zuhörer
seinen Kopf übermäßig dreht, dann zeigt sich bei diesem bekannten System in der Praxis trotz der getroffenen
Maßnahmen die sehr unerwünschte Erscheinung, daß scheinbar eine Versetzung des virtuellen Schallbildes
erfolgt, da bei diesem System die Signalumsetzung für die hinteren und die vorderen Signale getrennt erfolgt.
In der DE-OS 23 44 259 ist ein Mehrkanalsystem zur Aufnahme und Wiedergabe stereophoner Darbietungen
beschrieben, bei dem aufnahmeseitig wenigstens zwei kopfbezogene Mikrophonpaare vorgesehen sind, die
einem entsprechenden Paar von Lautsprechern zugeordnet sind, welche ihrerseits wiedergabeseitig um
einen Zuhörer herum angeordnet sind. Dabei werden die von den Mikrophonen erzeugten Signale kreuzweise
einer entsprechend angeordneten Zahl von Lautspreehern zugeführt, es wird jedoch das Problem der
akustischen Übersprech-Unterdrückung außer acht gelassen, denn es ist keine Schaltung zur Vermeidung
dieser unerwünschten Erscheinung vorgesehen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, ein System der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei dem die scheinbare Versetzung des virtuellen Schallbildes auch
bei starker Drehung des Kopfes des Zuhörers vermieden wird.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten
Merkmale gelöst
Bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung ist also vorgesehen, daß die Winkelpositionen der künstlichen
Ohren in bezug auf die originale Tonquelle den Winkelpositionen der Ohren des Zuhörers in bezug auf
die wiedergegebene virtuelle Tonque?le zugeordnet werden. Diese Zuordnung wird dadurch erreicht, daß
der Kunstkopf mit den N künstlichen Ohren und N Mikrophonen an eine Ubersprech-Unterdrückungsschaltung
angeschlossen ist, welche eine Umsetzung der von den Mikrophonen zugeführten Signale in solche
Ausgangssignale gemäß der angegebenen Matrixgleichung durchführt daß das akustische Übersprechen
trotz der erfindungsgemäß vorgesehenen Winkelausrichtung der künstlichen Ohren und der Wiedergabelautsprecher
vermieden wird.
Dabei ist also eine Kopfattrappe vorgesehen, die in bezug zur Schallquelle zur Simulierung eines menschlichen
Kopfes nach Gestalt und Abmessungen ausgerichtet ist Diese Kopfattrappe ist mit JV künstlichen Ohren
ausgestattet welche im Winkel voneinander um die vertikale Achse derart beabstandet sind, daß jedes der
künstlichen Ohren eine ganz bestimmte Winkelposition bezüglich der Schallquelle annimmt, wenn die Kopfattrappe
bezogen auf ihre vertikale Achse in einer bestimmten Richtung ausgerichtet ist
Dieser einen Kunstkopf darstellende Aufbau ist mit N Mikrophonen ausgestattet die an den entsprechenden
Positionen der künstlichen Ohren angebracht sind und erste elektrische Signale abgeben, welche ihrerseits in N
Tonübertragungskanälen verarbeit werden. In einer Übersprech-Unterdrückungsschaltung werden diese
ersten Signale in zweite elektrische Signale umgeformt und zwar gemäß der angegebenen Matrixgleichung. Die
umgeformten Signale werden dann direkt den Widergabelautsprechern zugeführt.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Systems sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben-, in dieser zeigt
F i g. 1 in schematischer Form ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig.2 eine Draufsicht auf die Kopfattrappe aus
Fig. 1,
Fig.3A und 3B Draufsichten auf einen mit unterschiedlichen
Ausrichtungen seines Kopfes hinsichtlich einer Tonquelle in einem Klangfeld sitzenden hypothetischen
Hörer, die zur Illustration unterschiedlicher akustischer Übertragungscharakteristiken für verschiedene
akustische Pfade zwischen der Tonquelle und den Ohren des Zuhörers dienen, sowie Draufsichten der
Kunstköpfe der Fig. 1, die in der gleichen Stellung stehen wie der Zuhörer und in der gleichen Orientierungsrichtung
zur gleichen Schallquelle, um die akustischen Übertragungscharakteristiken zu den Ohren
des hypothetischen Zuhörers im originalen Schallfeld zu simulieren,
F i g. 4 und 5 Draufsichten zur Darstellung verschiedener Übertragungscharakteristiken bei der Tonwiedergabe,
Fig.6 eine Draufsicht, die die Übertragungscharakteristiken
bei einer Tonwiedergabe darstellt, bei der der Hörer in gleichen Abständen von den Lautspre-
ehern sitzt,
F i g. 7 ein detailliertes Schaltungsdiagramm der Übersprech-Unterdrückungsschaltung der Ausführungsform in F ig. 1,
F i g. 8 eine graphische Darstellung der Frequenzcharakteristik von Filtern, wie sie in der Schaltung in F i g. 7
verwendet werden,
F i g. 9 eine graphische Darstellung der Frequenzcharakteristiken von Verzögerungs- und Filterschaltungen,
wie sie in der Schaltung von F i g. 7 verwendet werden,
Fig. 1OA und 1OB Modifikationen der KopfattrappenausFig. 1,
F i g. 11 eine Modifikation der in F i g. 1 wiedergegebenen Ausführungsform,
Fig. 12 Draufsichten, die die Orientierung der
Kopfattrappen aus F i g. 11 wiedergeben,
Fig. 13 eine weitere Modifikation der Ausführungsform aus Fig. 1, und
Fig. 14 eine Schaltungsanordnung, bei der ein einzelnes Mikrophon Verwendung findet das in der
Nähe einer Schallquelle angeordnet ist, um simulierte Tonsignale zu erzeugen, wie sie von einer Kopfattrappe
erzeugt werden.
In der F i g. 1 ist ein stereophones Tonaufnahme- und -Wiedergabesystem dargestellt, das zwei Kopfattrappen
1 und 2 umfaßt von denen jede den menschlichen Kopf hinsichtlich Form und Abmessungen simuliert und
vertikal auf einem Stativ 3 in einem Klangfeld angeordnet ist Jede der beiden Kopfattrappen ist in
bezug auf die andere Kopfattrappe um einen Winkel von 90° verdreht und bildet einen Winkel von 45° mit
einer gegebenen Bezugsrichtung, die durch den Pfeil A in F i g. 2 wiedergegeben wird. Diese Anordnung stellt
eine weitgehende Annäherung an die in Fig.3A dargestellte Situation dar, in der der Hörer 30 unter
einem Winkel von 45° bezüglich der Referenzrichtung A in einem von einer Schallquelle 31 erzeugten
Schallfeld nach rechts blickt und in Fig.3B, wo der Hörer 30 unter einem Winkel von 45° zur Referenzrichtung A nach links blickt Die Schallwellen von der
Schallquelle 31 werden von beiden Ohren 3OL und 30/7
wegen der unterschiedlichen Übertragungswege, die sie durchlaufen, und der Beugung von Schallwellen über
dem Gesicht des Hörers mit unterschiedlichen Schallintensitäten und -phasen empfangen. Für eine quantitative
Diskussion der Erfindung werden die Übertragungscha- r
rakteristiken über die jeweiligen Schallpfade mit G\l
E2
und GiR für das linke Ohr 3OL und das rechte Ohr 3OR
\_E2
bezeichnet und die Schallintensitäten an den jeweiligen Ohren im Fall der Fig.3A durch Mu und Mir
wiedergegeben. In ähnlicher Weise stellen in Fig.3B
G2L und G2R die Übertragungscharakteristiken und M2L
und M2A die Schallintensitäten dar. Wird die Schallquelle
31 mit einem im Vergleich zur Höhe zwischen den Kopfattrappen 1 und 2 großen Abstand von der
Kopfattrappenanordnung aus F i g. i angeordnet, dann sind die Schallintensitäten an den rechten und linken
Ohren 1R, 1L und 2R, 2L der Kopfattrappen 1 bzw. 2 im
wesentlichen gleich den Schallintensitäten Mi R, MiL,
M2R bzw. M2U die an den Ohren des Hörers 30 «)
empfangen werden. Jede der Kopfattrappen besitzt zwei Mikrophone (nicht dargestellt), die an den den
Ohren des menschlichen Kopfes entsprechenden Stellen befestigt sind. Die Tonsignale dieser Mikrophone
werden mit den gleichen Bezugszeichen Mu, Mir, M2L
und M2R bezeichnet, wie sie zur Darstellung der
Schaltintensitäten der Fig.3A und 3B verwendet wurden, und werden einer Übersprech-Unterdrük
kungsschaltung 5 über entsprechende Eingangsanschlüsse 11, 12,13 und 14 zugeführt. Die konvertierten
Signale werden dann über Ausgangsanschlüsse 21, 22, 23 und 24 einem Vierkanal-Übertragungssystem 6
aufgekoppelt, das ein Verstärker, ein Radiosender und -empfänger oder ein Tonaufnahme- und -wiedergabegerät sein kann, und von dort über Anschlüsse 21', 22', 23'
bzw.24' auf Lautsprecher SPi, SP2, SP3 und SP* gegeben.
In F i g. 4 ist ein Hörer 40 mit gleichen Abständen von den Lautsprechern 5Pi, SP2, SP3und SPt angeordnet und
seine Blickrichtung bildet mit der links von ihm liegenden Bezugsrichtung A einen Winkel von 45°, so
daß er in Richtung des Lautsprechers SPi blickt Die
Tonsignale £u und £Ί« am linken bzw. rechten Ohr des
Hörers 40 von dem Lautsprechern SPi bis SP4 werden durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
[e'l ι=Γα"
E\RJ \_a*\
E\RJ \_a*\
"42 "43
sp 1
spl sp3 spA
wobei au, a\2, au und a^ die Ton- bzw. Schallübertragungscharakteristiken über die akustischen Wege
zwischen den Lautsprechern SPt, SP2, SP3 bzw. SP4 und dem linken Ohr des Hörers 40 und 341, a*2, an und Sm die
Schallübertragungscharakteristiken über akustische Wege zwischen den Lautsprechern SPi, SP2, SP3 bzw.
SP4 und dem rechten Ohr des Hörers 40 sind und sp 1, sp2, sp3 und φ 4 die Signale, die den betreffenden
Lautsprechern SPi bis SP4 zugeführt werden sollen.
In ähnlicher Weise befindet sich in F i g. 5 der Hörer 40 in gleichen Abständen von den Lautsprechern SPi bis
SPi und seine Blickrichtung schließt mit der rechts von ihm liegenden Bezugsrichtung A einen Winkel von 45°
ein, so daß er zum Lautsprecher SPi blickt Die Ton-
bzw. Schallsignale E2L und E2R am linken bzw. rechten
Ohr des Hörers 40 von den Lautsprechern SPi bis SP4 werden durch die folgende Gleichung gegeben:
O11 <J23 Ο24
«32 Ö33 "34
spl
sp3
wobei 321, ^22, ^23 und 324 die Ton- bzw. Schallübertragungscharakteristiken über die akustischen Wege
zwischen den Lautsprechern SPi SP2, SP3 bzw. SP4 und
dem linken Ohr des Hörers 40 und an, 332,333 und 334 die
Schallübertragungscharakteristiken über die akustischen Wege zwischen den Lautsprechern SPi, SP2, SP3
bzw. SPa und dem rechten Ohr des Hörers 40 bedeuten.
Aus den Gleichungen (1) und (2) erhält man folgende Beziehimg:
E2L | = A ■ | spl |
E2R | sp3 | |
E\R_ | φ4 |
A =
On
fl|4
«21 «22 "2.1 Ο24
O.ii Oj 2 0.13 Oy 4
O4I «42 Ο41 044
sp\ | = A'' | M, L |
spl | M2L | |
sp3 | M2R | |
so 4 | Mir | |
(4)
40
45
wobei A-' die zu A inverse Matrix ist
Die Matrix A enthält in gewissem Maß einen Zeitverzögerungsfaktor, so daß die zur Matrix A inverse
Matrix die Ausgangssignale den Eingangssignalen vorauseilen lassen würde. Das ist unrealistisch, und
daher muß in gewissem Maß eine Zeitverzögerung T eingeführt werden, wenn man die inverse Matrix A-1
realisiert Daher wird die Gleichung (4) in folgender Weise neu geschrieben:
spl | -T Α~λ | M\L |
spl | M2L | |
sp3 | M2R | |
spA | M1R | |
(5)
60
Die Obersprech-Unterdrückungsschaltung 5 wird so aufgebaut, daß sie der Gleichung (5) genügt
Setzt man Gleichung (5) in Gleichung (3) ein, so können die durch üiz. £1λ Ejtaaa Ent wiedergegebenen
Schallintensitäten in folgender Weise dargestellt werden:
bedeutet.
Das Element der zweiten Zeile und dritten Spalte der akustischen Transfermatrix A weist beispielsweise eine
Transfercharakteristik a23 auf, die die akustische
Transferbeziehung zwischen dem Lautsprecher SPi und dem linken Ohr des Zuhörers 40, wie in der F i g. 5
dargestellt, angibt, wobei die Winkelposition des linken Ohrs des Zuhörers bezüglich des Lautsprechers SPZ
der Winkelstellung des künstlichen Ohrs 2L bezüglich der Schallquelle 31 (vgl. Fig.3B) entspricht. Wenn N
Lautsprecher vorgesehen sind, dann hat die Transfermatrix N Zeilen und N Spalten und das Element der 2«
y-ten Zeile und k-ttn Spalte der Matrix stellt die
akustische Transfercharakteristik zwischen dem Ar-ten Lautsprecher und demjenigen Ohr des Zuhörers dar,
dessen Winkelposition bezüglich des Jt-ten Lautsprechers
der Winkelposition des y-ten künstlichen Ohrs bezüglich der Schallquelle 31 entspricht, wobei j und k
ganze Zahlen von 1 bis Nsind.
Der Zuhörer 40 in der Fig.4 würde den gleichen
Eindruck haben, als säße er an dar gleichen Stelle wie
der Kunstkopf 1 bezüglich der in Fig.3A gezeigten ju
Schallquelle 31, wobei sein Kopf in eine Richtung gerichtet ist, die der Ausrichtung des Kunstkopfes 1
bezüglich der Schallquelle 31 entspricht. Auch der Zuhörer 40 in der F i g. 5 hätte den gleichen Eindruck,
als säße er an der Stelle des Kunstkopfes 2 der F i g. 3B, wobei sein Kopf in eine der Schallquelle 31 entsprechende
Richtung orientiert ist Daher sind die Signale E\l E2L,
E2R und E] R gleich den Signalen Mn, M2L, M2R bzw. M\R
und es gilt die folgende Gleichung:
E21
= AT- A
"M1," | — T . | Mu. |
M2,. | — / | M21. |
M2,, | M2,, | |
M1 „_ | ||
Gemäß der oben erwähnten Anordnung, in der der Hörer 40 in F i g. 4 seinen Kopf unter 45° nach rechts
bezüglich der Referenzlinie A orientiert, empfängt er näherungsweise dieselben Signale, nämlich M\ l und Mi«
mit einer Zeitverzögerung T, die der Hörer 30 in F i g. 3A empfangen würde, der seinen Kopf in
derselben Richtung orientiert hat. In ähnlicher Weise empfängt er, wenn er seinen Kopf unter 45° nach links
bezüglich der Referenzlinie A orientiert, wie in F i g. 5 dargestellt, näherungsweise die Signale M2L und M2R mit
einer Zeitverzögerung T, die er empfangen würde, wenn er von der Schallquelle 31 in F i g. 3B sitzen würde und
seinen Kopf in derselben Richtung orientiert hätte.
Da sich der Hörer 40 in gleichen Abständen von den Lautsprechern befindet, ergeben sich aus einer Analyse
der F i g. 4 und 5 folgende Beziehungen:
AX - O1J - O43 = o2i = O3,
BX = d\ 1 = O22 = O33 = Ο44
CX = O]2 =O42 = O24 = O34
DX = 0|4 = α,, = o32 = o23
Aus dem obigen ergibt sich, daß unter der Annahme, daß der Hörer 40 direkt einen der Lautsprecher SPi bis
SPa ansieht, AX eine Übertragungscharakteristik über den Weg zwischen dem Frontlautsprecher (SP3 im Fall
der F i g. 4) und den Ohren des Hörers ist, während BX eine Charakteristik über dem Weg zwischen dem
Seitenlautsprecher (SP\ oder SPa im Fall der F i g. 3) und dem nächstgelegenen Ohr, CX eine Charakteristik über
dem Weg zwischen dem rückwärtigen Lautsprecher (SP2 im Fall der F i g. 4) und beiden Ohren und DX eine
Charakteristik über den Weg zwischen dem Seitenlautsprecher und dem am entferntesten gelegenen Ohr sind.
Wenn der Hörer 40 seinen Kopf dreht um sein Gesichi in der Richtung A (F i g. 6) auszurichten, dann
sind die Übertragungscharakteristiken zwischen dem Lautsprecher SPj und dem linken Ohr und zwischen
dem Lautsprecher SP3 und dem rechten Ohr näherungsweise (AX+ BX)Il und die Übertragungscharakteristiken
zwischen dem Lautsprecher SPi und dem rechten Ohr und zwischen dem Lautsprecher SP3 und dem
linken Ohr ungefähr (AX+DX)I2. In ähnlicher Weise
sind die Übertragungscharakteristiken zwischen dem Lautsprecher SP2 und dem linken Ohr und dem
Lautsprecher SP4 und dem rechten Ohr ungefähr gleich
(BX+CX)/2 und die zwischen dem Lautsprecher SP2
und dem rechten Ohr und dem Lautsprecher SP4 und
dem linken Ohr ungefähr gleich (CX+ DX)/2.
Die Schallintensitäten E3L und E3R am linken bzw.
rechten Ohr des Hörers 40 ergeben sich dann aus der folgenden Gleichung:
AX + BX
BX + CX
DX + AX CX + DX
Da E\ /, E2 ;., E2 κ und Et H durch folgende Gleichung
gegeben werden:
E2L
E2R
BX
CX
AX
DC
AX
BX
DX
CX
AX
DX
BX
CX
DX
XC
AX
BX
sp 1
spl sp 3
sp4
spl sp 3
sp4
(8)
ergibt sich für E3L und
Eil -
(9)
(10)
25
Es ist klar, daß der Hörer 40, wenn er seinen Kopf in der Richtung A in Fig.6 ausgerichtet hat, Signale
empfängt die näherungsweise gleich einem Mittelwert sind, der sich aus den empfangenen Signalen ergibt,
wenn der Kopf des Hörers in den in den F i g. 4 und 5 dargestellten Richtungen orientiert ist, so daß der Hörer
40 näherungsweise dieselben Signale empfängt, als ob er vor der ursprünglichen Schallquelle 31 sitzen würde und
seinen Kopf in der Richtung A orientiert hätte. Dieselbe Erklärung kann auf Situationen angewendet werden, in
denen der Hörer 40 seinen Kopf in irgendeiner Richtung zwischen den Lautsprechern 5P2 und SP3
ausgerichtet, so daß der Hörer im wesentlichen
dieselben Signale empfängt, die er auch empfangen würde, wenn er seinen Kopf im ursprünglichen
Schallfeld in den entsprechenden Richtungen ausrichten würde.
Zur Realisierung der Übersprech-Unterdrückungsschaltung
5 wird die Gleichung (5) in folgender Weise neu geschrieben:
TM2L=a2\ spl+a21
+042
Jp3+a14 sp4
sp3+a2t sp4
sp4
sp4
(H)
an
sp2=J-M2L-^ spl-^-sp3 -Si
O22
O22
O22
O22
XM2e-M vl _fe Sp2 - ** sp4
O33
O33
O33
O33
1x
044044
O(4
30
35
40
45
50
55
60
65
spl
sp2
sp3
sp4
O)
Die Übersprech-Unterdrückungsschaltung 5 erzeugt eine Vielzahl von Binaural-Signalen spl bis sp4, die,
wenn sie den Lautsprechern SPi bis SP4 zugeführt werden, für den im Schallfeld der Lautsprecher
befindlichen Hörer 40 einen Binaural-Effekt dadurch ergeben, daß sämtliche akustischen Übersprechsignale
ausgelöscht werden, wie z. B. die Signale über die Pfade mit den Transmissionscharakteristiken an und &u in
F i g. 4 und die Signale über die Pfade bzw. Wege mit
den Transistorcharakteristik a23 und a32 in F i g. 5, so daß
in Fig.6 die Übersprechsignale (AX+ DX)Il und
(CX+ DX)Il ausgelöscht werden. Die Übersprechunterdrückung wird erzielt, wenn die Gleichung (12) befriedet
wird.
Wie in F i g. 7 dargestellt, umfaßt die Übersprech-Unterdrückungsschaltung
5 Filter 51 bis 54 und verschiedene Verzögerungs- und -Filterschaltungen 59 bis 70. Die
Filter 51,52,53 und 54 sind mit ihren Eingangsanschlüssen
mit den Eingangsanschlüssen U bis 41 der Übersprech-Auslöschschaltung 5 verbunden und ihre
Ausgangsanschlüsse sind jeweils mit einem der Eingangsanschlüsse der Addierer 71, 72, 73 bzw. 74
verbunden. Die Filter 51 bis 54 sind so ausgelegt, daß sie spezielle Frequenz-Ansprechcharakteristiken T/au,
TZa22, TZa33 bzw. TZa^ besitzen. Da, wie oben beschrieben,
ai 1 = a22 = S33 = aw, kann näherungsweise gesagt
werden, daß jedes Filter so ausgelegt wird, daß es eine Ansprechcharakteristik TZBX besitzt, wie in Fig.8
dargestellt
Der Ausgangsanschluß des Addierers 72 ist über einen Inverter 82 und eine Verzögerungs- und
-Filterschaltung 59 mit einem zweiten Eingangsanschluß des Addierers 71 verbunden und der Ausgangsanschluß
des Addierers 73 ist über einen Inverter 83 und eine Schaltung 60 mit einem dritten Eingangsanschluß des
Addierers 71 verbunden, während der Ausgangsanschluß des Addierers 74 über einen Inverter 84 und eine
Schaltung 61 mit einem vierten Eingangsanschluß des Addierers 71 verbunden ist In ähnlicher Weise ist der
Ausgang des Addierers 71 über einen Inverter 81 und eine Schaltung 62 mit einem zweiten Eingangsanschluß
des Addierers 72 verbunden, dessen dritter und vierter Eingangsanschluß mit den Ausgängen der Schaltungen
63 und 64 verbunden sind, deren Eingänge jeweils mit
£F ιΠν€Γΐ€Γ ου ltZ
(12)
In ähnlicher Weise ist der Addierer 73 mit seinem zweiten, dritten und vierten Eingangsanschluß mit den
Ausgängen der Schaltungen 65,66 bzw. 67 verbunden,
deren Eingangsanschlüsse mit den Ausgängen der Inverter 81, 82 bzw. 84 verbunden sind, und ist der
Addierer 74 mit seinem zweiten, dritten und vierten Eingangsanschhiß mit den Ausgängen der Schaltungen
68,69 bzw. 70 verbunden, deren Eingangsanschlüsse mit
den Ausgängen der Inverter 81,82 bzw. 83 verbunden
sind.
Die Verzögerungs- und -Filterschaltungen 59 bis 61 sind so ausgelegt, daß sie Frequenz- und Zeitverzöge
rungscharakteristiken arrfaw, a\if*n bzw. au/an oder
näherungsweise CXZBX, AXZBXbzw. ßXZBXbesitzen,
deren Kurven in der Fig.9 dargestellt sind. Die
Il
Schaltungen 62 bis 64 sind so ausgelegt, daß sie Frequenz- und Verzögerungscharakteristiken a2i/a22,
a2}/a22 bzw. a24/a22 oder näherungsweise AX/BX,
DX/BXbzw. CX/BXbesitzen. In ähnlicher Weise haben
die Schaltungen 65 bis 67 Frequenz- und Verzögerungs- ; Charakteristiken a^laa oder AX/BX, 832/233 oder
DX/BX bzw. au/a» oder CX/BX und besitzen die
Schaltungen 68 bis 70 Frequenzansprech- und Verzögerungscharakteristiken *4i/a44 oder DX/BX, a^la^ oder
CXVB-Ybzw. a«/344 oder AX/BX. Die Verzögerungszeiten
für AX/BX, CX/BX und DX/BX sind näherungsweise
350 Mikrosekunden, 350 Mikrosekunden bzw. 700
Mikrosekunden über das Spektrum des gesamten Frequenzbereiches.
Daher erscheinen die Signale sp 1 bis sp4 an den η
Ausgangsalischlüssen 21 bis 24 der Übersprechunterdrückungsschaitung
5 und werden über die Übertrager 6 den Lautsprechern SPi bis SR, jeweils zugeführt. Die
Signale sp 1 bis sp 4 werden dann von den Lautsprechern
SP\ bis SP4 über die betreffenden akustischen
Wege dem linken und dem rechten Ohr des Hörers 40 zugeführt, der sie als Signalintensitäten Eil, E\r, Eil und
£2« in Übereinstimmung mit Gleichung (3) empfängt.
Wenn der Hörer im Zentrum der Lautsprecher SPi
bis SP4 sitzt, so wird er den Eindruck haben, als ob er den ursprünglichen Ton am Ort der Kopfattrappen 1 und 2
hören würde und ein Drehen seines Kopfe&wird keine Verschiebung der virtuellen Schallquellen zur Folge
haben, wie sie bei der dem Stand der Technik entsprechenden binauralen Lautsprecherwiedergabe
auftritt.
Bei einer Abwandlung der in F i g. 1 wiedergegebenen Ausführungsform, wie sie in den Fig. 1OA und 1OB
dargestellt ist, werden die Kopfattrappen 1 und 2 durch einen zylindrischen Kopf 100 ersetzt, der mit einem
ersten Paar von Ohrmuscheln 101 L und 101/? und einem
zweiten Paar von Ohrmuscheln 102L und 102/? versehen ist Die Ohrmuscheln 101 L und 101 R sind
einander diametral gegenüberliegend angeordnet. In ähnlicher Weise sind die Ohrmuscheln 102L und 102/? 40
einander diametral gegenüberliegend angeordnet und gegen die Ohrmuscheln 101 L und 101/? um 45° versetzt
Mikrophone 103L und 103/? sind innerhalb des
zylindrischen Kopfes in Stellungen angeordnet, die der linken und der rechten Ohrmuschel 101L und 101/? 45
entsprechen, um Signale Mil bzw. Mi« zu erzeugen, und
es sind Mikrophone 104L und 104/? an Stellen befestigt,
die der linken und rechten Ohrmuschel 102L und 102/? entsprechen, um Signale M2L bzw. M2R zu erzeugen.
Werden mehr als 4 Kanäle, z. B. 6 Kanäle, gewünscht,
so werden drei Kopfattrappen 111, 112 und 113 aufeinandergestapelt, wie es in F i g. 11 dargestellt ist,
wobei die Köpfe in verschiedenen Richtungen ausgerichtet sind, so daß die obere Attrappe Ul unter einem
Winkel von 60° bezüglich der mittleren Attrappe 112 nach links blickt und die untere Attrappe 113 unter
einem Winkel von 60° bezüglich der mittleren Attrappe 112 nach rechts blickt, wie es in der Fig. 12 dargestellt
ist Es werden Signale Mu. M1R, Mu, M2R und Mm, M3r
jeweils von den linken und rechten Mikrophonen (nicht dargestellt) erzeugt, die in den Kopfattrappen 111,112
und 113 montiert sind, und werden dem Konverter 500 zugeführt, der ähnlich dem in Fig.7 dargestellten
aufgebaut ist Lautsprecher SPi bis SPt sind an den
Scheiteln eines Sechsecks angeordnet, wie die Figur zeigt. Der Hörer befindet sich an einem Punkt M mit
gleichen Abständen von den Lautsprechern SPi bis SP6.
In der in Fig. !1 wiedergegebenen Ausführungsform empfängt der Hörer ein Ton- bzw. Schallsignal, das ihm
einem Eindruck vermittelt, als ob er am Ort der Kopfattrappe 112 sitzen würde, wenn er in die Richtung
A blickt, die den Winkel halbiert, der von den Linien gebildet wird, die SPi, Mund SP6 verbinden, und wenn er
bezüglich der Richtung A um bis zu 60° nach rechts oder nach links blickt, so empfängt er ein Signal, das ihm
einen Eindruck vermittelt, als ob er am Ort der Kopfattrappe 113 bzw. 111 sitzen würde.
Die vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen können noch auf die verschiedenste Weise
modifiziert werden. Zum Beispiel kann ein Dreikanal-Stereophoniesystem dadurch realisiert werden, daß ein
Satz von drei Mikrophonen 131, 132 und 133 an einer Kopfattrappe oder einem zylindrischen Körper 130
angebracht wird, ähnlich dem, wie er in der Fig. 1OA dargestellt ist, so daß die Mikrophone 131 und 132 an
der Vorderseite der Kopfattrappe 130 und das Mikrophon 133 an dessen Rückseite angeordnet sind,
wie es in Fig. !3 dargestellt ist. Bei dieser Anordnung ermöglichen die Frontmikrophone 131 und 132 eine
Simulation der in der F i g. 3A wiedergegebenen Situation, während das rückwärtige Mikrophon 133 eine
Annäherung der in der F i g. 3B dargestellten Situation ermöglicht, wobei lediglich ein Ohr zur Aufnahme der
akustischen Energie verwendet wird. Ein Dreikanal-Konverter 134, der in ähnlicher Weise aufgebaut ist, wie
der in F i g. 7 dargestellte, dient dazu, die von dem Mikrophonen 131 bis 133 kommenden Signale zu
empfangen. Die \usgangssignale des Konverters 134 werden einem Satz von drei Lautsprechern SPi, SPi und
SP3 zugeführten, wobei die Lautsprecher SPi und SP2 vor dem Hörer 135 und der Lautsprecher SPi hinter
dem Hörer angeordnet sind.
Bei den vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen werden die ursprünglichen Schallquellen unter
der Verwendung einer Vielzahl von aufeinandergestapelten Kopfattrappen aufgenommen, von denen jede
hinsichtlich Form und Abmessungen den menschlichen Kopf simuliert und bei denen sich an den den
Trommelfellen entsprechenden Stellen Mikrophone befinden, oder unter Verwendung eines zylindrischen
Körpers, der mit Mikrophonen ausgerüstet ist, die paarweise einander diametral gegenüber angeordnet
sind und von denen jedes als Schallsammler eine die menschliche Ohrmuschel simulierende Ohrmuschel
aufweist Es ist auch möglich, den menschlichen Kopf auf elektronische Weise zu simulieren, indem man ein
Mikrophon 140 in der Nähe der Schallquelle 141
anordnet und das aufgenommene Tonsignal einer Vielzahl von Schaltungen 142,143,144 und 145 zufährt
deren Eingangsanschlüsse miteinander mit dem Ausgang des Mikrophons (vgL Fig. 14) verbunden sind.
Jede der Schaltungen 142 bis 145 kann einen Phasenschieber, Filter und Abschwächer umfassen, um
eine der Frequenzcharakteristiken Gu. Gi r, Gil und
G2R zu ergeben and ein Ausgangssignal Mil, Mia M2L.
M2R zu erzeugen, das jeweils ähnlich dem an den
Konverter 5 der F i g. 1 angelegten Signal ist
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Mehrkanal-Tonaufnahme- und -Wiedergabesystem
mit aufnahmeseitig wenigstens zwei jeweils an einem künstlichen Ohr angebrachten kopfbezogenen
Mikrophonen, bei dem jedes Mikrophon mit jeweils einem von wiedergabeseitig um den Zuhörer
herum angeordneten Lautsprechern über eine Obersprech-Unterdrückungsschaltung verbunden ι ο
ist, in der zur Kompensation des akustischen
Obersprechens die Ausgangssignale der Mikrophone gemäß der Beziehung
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