DE2711299A1

DE2711299A1 - Tonwiedergabesystem

Info

Publication number: DE2711299A1
Application number: DE19772711299
Authority: DE
Inventors: Michael Anthony Gerzon
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1976-03-15
Filing date: 1977-03-15
Publication date: 1977-09-22
Also published as: JPH0520960B2; CA1061721A; JPS52134701A; NL7702790A; FR2345047A1; DE2711299C2; FR2345047B1; DK109277A; CH633400A5; US4095049A

Description

Ham·, 8000 München 40,

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po»«Khi« Dipl.-Ing. R. H. Bahr P.t..An«.

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Bahrpatente Herne PATENTANWÄLTE Babetzpat München

Telex 08229853 0*711000 Telex 5215380

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Ref.: MO 5896 In der Antwort bitte angeben

Zuschrift bitte nach:

München

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION London / England

Tonwiedergabesystem

Die Erfindung betrifft Tonwiedergabesysteme und insbesondere solche, die es einem Hörer ermöglichen, von sich über 360° Azimut erstreckenden Quellen kommenden Schall zu unterscheiden. Solche Systeme werden im folgenden als Grundschallsysteme bezeichnet. Die Erfindung ist auch auf Tonwiedergabesysteme dieser Art anwendbar, die es dem Hörer zusätzlich ermöglichen, Schall von in verschiedenen Höhen befindlichen Quellen zu unterscheiden.

Die DT-OS 2 204 668 und die DT-OS 2 512 287 betreffen Tonwiedergabesysteme, bei denen ein Kanal ein sog. Rundstrahlsignal und der andere Kanal ein sog. Azimutoder Phaseneignal überträgt, deren relative Phase gleich plus oder minus dem Azimutwinkel ist und dessen Verstärkung sich mit der Richtung nicht ändert. Die beiden Kanäle können auch Signale Übertragen, die lineare Kombinationen des Rundstrahlsignals und des Phasen-

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- fif -

signals sind. Systeme, die diese Art der Codierung verwenden, werden als drehsymmetrisch bezeichnet.

In der GB-PS 1 411 994 ist ein System dieser Art beschrieben, bei dem ein dritter Kanal zur verbesserung der Lokalisierung zugefügt wurde. Im Falle einer Schallplattenaufzeichnung überträgt dieser Kanal eire Modulation eines oder mehrerer Ultraschall-Hilftträger, wMhrend der erste der beiden Kanäle direkt auf die beiden Rillenwände aufgezeichnet wird und im Falle von FM-Rundfunk der dritte Kanal ein AM-Signal mit unterdrücktem Hilfsträger mit einem anderen Hilfsträgersiqnal moduliert. Daher kann der dritte Kanal einen beschränkten Frequenzbereich und/oder maximalen Amplitudenpeqel haben und für Rauschen oder andere Störungen empfindlicher als die anderen beiden Kanäle sein. Daher sollte die relative Verstärkung des dritten, dem Decoder zugeführten Kanal ohne wesentliche nachteilige Wirkung auf die Schallokalisierung verringert werden können.

In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß alle Azimutwinkel in der gleichen Richtung, d.h. entweder im Gegenuhrzeiger- oder im Uhrzeigersinn gemessen werden.

Die Erfindung schafft ein System _ZUr übertragung oder Aufzeichnung eines Azimutrichttons, bestehend aus einem Codierer, der mehrere Übertragungskanalsignale erzeugt, die sich aus komplexen linearen Kombinationen von Rundstrahlsignalkomponenten, Signalkomponenten mit Verstärkungen gleich dem Cosinus des codierten Tonazimutwinkels und Signalkomponenten mit Verstärkungen gleich dem Sinus des codierten Tonazimutwinkels zusammensetzen, das sich dadurch auszeichnet, daß der Codierer eine Phasen-Amplitudenmatrix zur Erzeugung des ersten, zweiten und dritten Übertragungskanalsignals aufweist, wobei das erste und zweite Übertragungskanalsignal zusammen nicht rotationssymmetrisch sind und das dritte über-

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-I-

'40'

tragungskanalsignal der Art ist, daß eine zweite Phasen-Amplitudenmatrix, die zu der ersten invers ist, drei aus dem ersten, zweiten und dritten Ubertragunqssignal wiedergewonnene Signale erzeugt, von denen das erste eine Rundstrahlverstärkung und das zweite und dritte eine Verstärkung gleich dem Cosinus bzw. Sinus des codierten Azimutwinkels ist, und auch in Abwesenheit des dritten Ubertragungssignals am Eingang der inversen Matrix drei modifizierte wiedergewonnene Signale der Art erzeugt, daß der Realteil des Verhältnisses der komplexen Verstärkung des zweiten modifizierten wiedergewonnenen Signal zu der komplexen Verstärkung des ersten modifizierten wiedergewonnenen Signals und der Realteil des Verhältnisses der komplexen Verstärkung des dritten modifizierten wiedergewonnenen Signals zu der komplexen Verstärkung des ersten modifizierten wiedergewonnenen Signals die orthogonalenKomponenten eines Vektors sind, der in Richtung des codierten Azimutwinkels für wenigstens derei vorbestimmte Azimutwinkel weist, die sich wenigstens über 180° erstrecken.

Eine Einrichtung zur Wiedergabe azimutaler Richttonsiqnale, die durch ein System nach einem der vorhergehenden Ansprüche übertragen oder aufgezeichnet werden, bestehend aus einem Decoder zur Erzeugung von Speisesignalen aus mehreren Ubertragungskanalsignalen, die an einer bestimmten Hörstelle über Lautsprecher Schalldruck und einen akustischen Geschwindigkeitsvektor hervorrufen, zeichnet sich dadurch aus,daß bei jeder Tonfrequenz der durch die Komponenten des komplexen akustischen Geschwindigkeit svektors, der eine 90°-Phasenbeziehung zu den Komponenten des akustischen Druckes hat, in eine decodierte Azimutwinkelrichtung weist, die im wesentlichen gleich der codierten Azimutwinkelrichtung für alle codierten Azimutwinkel ist.

Bekanntlich ist die Schallgeschwindigkeit eines entfernten Tons dem Zeitdifferential des akustischen Druckes dieses Tons rfffojiPKt/fl'lfU· i*^un<3 die Wirkung der

Differentiation ist die Anhobung hcher Frequenzen mit 6 dB/Oktave, begleitet von einer 90°-PhasenverSchiebung. Daher entspricht die zuvor erwähnte 9O°-Phasenbeziehung einer 0°- oder 18O°-Phasenbeziehung für elektrische Signale, die für den akustischen Druck urd die akustische Geschwindigkeit charakteristisch sind.

Der Decoder hat vorzugsweise eine sog. "modifizierte inverse Matrix", bestehend aus einer Phasen-Amplitudenmatrix, die zur Phasen-Amplitudeninatrix des Codierers invers ist, modifiziert durch Verstärkungsfaktoren, die frequenzabhängig sein können. Diese Faktoren können Eins sein, so daß die Amplitudenmatrix der Decodiereinrichtung exakt invers zur Amplitudenmatrix der Codiereinrichtung ist.

Die "modifizierte inverse Matrix" kann auch so ausgebildet sein, daß sie weitere Ausgangssignale wie ein viertes Ausgangssignal liefert, das gleich dem Signal ist, das für den um 90° phasenverschobenen akustischen Druck charakteristisch ist. Die Matrix kann auch so modifiziert sein, daß die Ausgangssignale reale lineare Kombinationen der zuvor erwähnten Matrixausgpngssignale sind.

Vorzugsweise ist der Codierer so ausgebildet, daß der Vektor, der sich aus den modifizierten wiedergewonnenen Signalen ergibt, in Richtung des codierten Azimutwinkels für sechs bestimmte Winkel weist, die symmetrisch zu einer Bezugsrichtung angeordnet sein können. Vorzugsweise sind diese sechs Azimutwinkel zu zwei orthogonalen Bezugsrichtungen symmetrisch. Zweckmäßigerweise betragen die Winkel 0°, 60°. 120°, 180°, -60° und -120°. Weiterhin wird vorgeschlagen, daß der Codierer derart ausgebildet ist, daß das erste und zweite libertragungskanalsignal Töne darstellen, denen ein Azimutwinkel Θ dadurch zugeordnet ist, daß die jeweiligen komplexen Verstärkungen das gleiche reale oder komplexe Vielfache von L_Vergtgrkung und R_Verstärkung sind, die gegeben sind durch:

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L_v = -j (a + jb) + -j (c + jd) cos θ + 1 (ej + f) sin « L_v = -j (a - jb) + -j (c - jd) cos θ + -j (ej - f) sin θ

^{oder r} Verstärkung ^{und Δ} Verstärkung' ^die gegeben sind durch

^- = a + c cos θ + je sin θ

/X _v = jb + jd cos θ + f sin θ

wobei j (=V-1) eine 90°-Phasenverschiebung darstellt und a, b, c, d, e und f reale Verstärkungen sind und das dritte Ubertragungskanalsignal eine Verstärkuna T_v hat, die gegeben ist durch

T_v = q (jg + jh cos θ - sin Θ)

wobei q eine komplexe Verstärkung ungleich Null ist und g und h reale Verstärkungen sind. Für die nachfolgende Bezugnahme werden die Größen u und ν wie folgt definiert:

₌ cf + ed ν=- ^be + ^af

^u bc - ad bc - ad

Wenn bei solchen Codiersystemen θ in -Θ, j in -j und L_v und Ry vertauscht werden, werden die folgenden Gleichungen abgesehen von einer möglichen Änderung der Gesamtphase von T nicht geändert. Daher werden solche Systeme im folgenden als "Codiersysteme mit Links/ Rechts-Symmetrie" bezeichnet.

Bei einem solchen Codiersystem mit Links/Rechts-Symmetrie sind die sechs vorbestimmten Azimutwinkel vorzugsweise symmetrisch um zwei orthogonale Bezugsrichtungen angeordnet und haben die V7erte θ = 0, + θ¹ , 180° + θ' und 180°. In diesem Falle sind die Verstärkungen g und h derart, daß:

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_Λ ( 1 + u² sin ² θ« h = ν

1 - (u/v)² cos² O¹]

h² (u (cos² 0* + v² sin² Q

g = f * 2 ,

1 + vh ( 1 + u sin Θ» )

In dem besonderen Fall, wenn die sechs vorbestimmten Azimutwinkel 0°, 60°, 120°, 180°, -60° und -120° sind, sind die Verstärkungen g und h gegeben durch:

h- ν

_₁ - - 3u² h

k - (u/v)²
ι² (u (1 ₊ 3v²)

1 + vh ( 4 +

Bei vielen praktischen Systemen wurde festgestellt, daß diese Werte von g und h durch die folgenden Formeln gut angenähert werden:

g = ü

1.65 + 2v + 0.35V + O.65U

h = IJ 1 + U²(1.12 - 0.12(v² - u²))

Bei Codiersystemen der Erfindung sollte der Koeffizient g von den obigen Werten nicht mehr als 50 % und der Koeffizient h nicht mehr als 25% abweichen.

Die Eingangssignale für die Codiereinrichtung können von einer Mikrophonanordnung abgegeben werden, die eine Matrix hat und wenigstens drei Zwischensignale erzeugt, von denen das erste ein Rundstrahlsignal bestehend aus der Summe aller Azimutschallquellen mit gleichen Ver-

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Stärkungen, das zweite die Summe der Signale aller Azimutschallquellen, von denen jedes eine Verstärkung proportional dem Cosinus seines jeweiligen codierten Azimutwinkels , und das dritte ^di^e Summe der Signale aller Azimutschallquellen ist, von denen jedes eine Verstärkung proportional dem Sinus seines jeweiligen codierten Azimutwinkels ist.

Die Eingangssignale für die Codiereinrichtung können auch durch mehrere unabhängige monophone Signalquellen und eine Amplitudenmatrix-Mischeinrichtung erzeugt werden, die drei oder mehr Zwischensignale erzeugt, von denen das erste aus der Summe aller monophonen Signale mit gleichen Verstärkungen, das zweite aus der Summe aller monophonen Signale nach Verstärkung mit einer Verstärkung proportional dem Cosinus seines jeweiligen codierten Azimutwinkels und das dritte aus der Summe aller monophonen Signale nach Verstärkung mit einer verstärkung proportional dem Sinus seines jeweiligen codierten Azimutwinkels besteht.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß die Eingangssignäle aus vier Signalen LB, LF, RF und RB bestehen, die Schall links hinten, links vorne, rechts vorne und rechts hinten darstellen, und daß eine Amplitudenmatrix vorhanden ist, die drei Zwischensignale W, X und Y erzeugt, die gegeben sind durch:

W = m Zkp"¹ (LF +RF)₊ lk_ß~¹ (LB + RBl7 X = η /1[LF + RF)-I (LB + RBl7 Y = η f(LF - RF) + 1 (LB - RB)7

wobei m und η größer als Null und kp, k_R und 1 positive Verstärkungen der Art sind, daß

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Wenn U = O und ν = + 1, ist das System rotations symmetrisch.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 und 2 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 ein Blockschaltbild einer Codier- und Decodiereinrichtung, und

Figur 2 ein Blockschaltbild, aus dem eine Form der Decodiereinrichtung in Fig. 1 genauer hervorgeht.

In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß alle Azimutwinkel in Gegenuhrzeigerrichtung gemessen v/erden.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Tonwiedergahesystem, bei dem die Eingangssignale W, X und Y auf einen Codierer gegeben werden und die codierten Signale X., Δ und T über ein System 12 zu einem Decoder 14 übertragen werden, der eine "modifizierte inverse Matrix" hat, die Ausgangssignale W, X¹ und Y¹ erzeugt, sowie einen Ausgangskreis 16, der Ausgangssignale erzeugt, um nach geeigneter Verstärkung Lautsprecher zu speisen. Das System 12 kann aus einem Aufzeichnungs- und einem Wiedergabegerät oder einem Sender und einem Empfänger bestehen. Es ist ersichtlich, daß die Komponenten des Systeme 12 örtlich und/oder zeitlich getrennt werden können, und daß Signale, die sie durchlaufen, einer Dämpfung, Bandbegrenzung und/oder anderen Modifizierungsformen unterworfen werden können, so daß die

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Signale, die auf den Decoder gegeben werden, 21'* Δ ' und T¹ sind.

Das Eingangssignal W ist ein Rundstrahlsignal, während die Signale X und Y Verstärkungen proportional dem Cosinus und dem Sinus des codierten Schallazimutwinkels θ haben, der von einer ersten Bezugsrichtung aus gemessen ist.

Der Codierer 10 ist so ausgebildet, daß er entsprechen«? den folgenden Codiergleichungen arbeitet:

/ a c e.i

\qgü

wobei j (=v-1) eine. 90 -Phasenverschiebung darstellt und a, b, c, d, e, f, g, h und i gleiche VerstSrkunoen sind und q eine komplexe Verstärkung ungleich Null ist.

Die inverse Matrix 14 führt die Funktion der folgenden Decodiergleichungen durch:

Verst.

/a»

d«ö

i· /

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k₁ und kj sind positive Verstärkungen und k₃ und t reale Verstärkungen, wobei t die Verstärkung des dritten Kanals ist. Alle diese Verstärkungen können frequenzabhängig und so gewählt sein, daß die verschiedenen Aspekte der subjektiven Wiedergabe optimiert werden. Die Verstärkung k₃ ist eine Richtvorspannunqsverstärkung, wie sie in der DT-OS 2 649 525 beschrieben ist.

Wenn die Ausgangsmatrix 16 Signale für eine regelmäßige polygonale Lautsprecheranordnung erzeugen soll, sind die Ausgangssignale der Art, daß an Lautsprecher bei einem Azimutwinkel 0, gemessen von einer Bezugsrichtung aus, mit einem Signal P^ gespeist wird, das gegeben ist durch:

P^ = W¹ + 2X¹ cos 0 + 2Y¹ sin 0

Es ist zu beachten, daß bevor die Signale P-< erzengt werden, die Signale X¹ und Y¹ über eine RC-Hochpaßfilter geleitet werden können, um den Lautsprecherabstand auszugleichen, wie in der DT-OS 2 512 287 beschrieben 1st.

Für rechteckige Lautsprecheranordnungen mit Lautsprecherazimutwinkeln 0, 18O°-0, -18O°+0 und -0 können die jeweiligen Lautsprecherspeisesignale ^p _9oo_0, ^p _9oo₊0, ^p__9oo_0 und P «qO₊0 sein, wie in der DT-OS 2 512 2 87 beschrieben ist.

Verschiedene Codiermatrizen, bei denen die sechs vorbestimmten Winkel 0°, +60°, +120° und 180° sind, werden nun beispielsweise beschrieben. Die ersten drei davon sind sogenannte JT-Systerne, bei denen

u = - ~- = -0,354
{β

- - ³ 1,061

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Eine Alternative zu den vorbeschriebener JT-System.en ist das sogenannte HT-System, das auf dem BBC-2-Kanal-Matrix H-Codiersystem beruht, und bei dem

u = -0,170
ν = +1,473

Die Werte der verschiedenen Koeffizienten a bis i der Codiermatrix und die entsprechenden Koeffizienten a¹ bis i¹ der entsprechenden inversen Matrix für die Systeme 45JT, 55JT, 65JT und HT sind in der folgenden Tabelle I gezeigt.

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Tabelle I

System	45JT	" - ¹I	55JT	65JT	HT
a	0.9530	0.9694	0.9829	0.9915
b	-0.3029	-0.2457	-0.1842	-0.1305
C	0.2554	0.2191	0.1725	0.2030
d	0.8034	0.8643	0.9203	0.6580
e	0.0661	. 0.1104	0.1645	-0.1305
f	0.9593	1.0036	1.0412	0.9915
g	-0.1716	-0.1716	-0.1716	-0.0733
h	1.0000	1.0000	1.0000	0.6873
¹	-1.0000	-1.0000	-1.0000	-1.0000
a»	0.9857	. 0.9876	0.9876	0.9744
2b»	0.5228	0.4418	0.3654	0.2956
c»	0.1058	0.0575	0.0040	0.2129
2d»	-1.0785	-1.0450	-1.0181	-1.4286
e'	0.1667	0.1667	0.1667	0.0839
2f»	-1.0000	-1.0000	-1.0000	-1.4549
2g«	0.1846	0.1030	0.0265	0.0603
2h»	1.1148	1.0647	1.0195	1.0131
2i»	-0.9428 I	-0.9428	-0.9428	-0.9877
	709838/08	E 3

Die Faktoren 2 in der Tabelle I ergeben sich aus den Faktoren 2 in dem vorherigen Ausdruck für P_j. Der auftretende Schallazimutwinkel, der durch solche Decoder für eine Verstärkung t zwischen O und 1 erzeugt wird, stimmt entsprechend der Makita-Lokalisierungstheorie mit dem codierten Azimutwinkel bis aus 2° über ein. Für t = 0 und t = 1 ergeben solche Decoder Azimut winkel entsprechend der Makita-Theorie gleich dem codierten Azimutwinkeln für die sechs vorbestimmten Richtungen 0°, +60°, +120° und 180°.

Die Parameter k₁, k₂, k₃ und t in den vorherigen Decodiergleichungen haben bevorzugte Werte in Abhängigkeit von der Anzahl der verfügbaren Kanäle, der Kompliziert heit des Decoders und davon, ob die Frequenzabhängigkeit der Schallokalisierung durch das menschliche Ohr berücksichtigt wird. In dem speziellen Fall, wenn alle drei Kanäle für die vollen Bandbreiten verfügbar sind, kann k- = k« = t - 1 und k₃ = 0 gesetzt werden. Wenn W¹ eine Richtverstärkung 1 hat, hat X¹ eine Richtverstärkung cos θ und Y' eine Richtverstärkung sin Θ. Es wurde festgestellt, daß zufriedenstellende decodierte azimutale Ergebnisse entsprechend der Makita-Lokalisierungstheorie erhalten werden können, wenn:

Re -^r : Re = cos θ : sin θ

wobei Re "Realteil von" bedeutet. Wenn somit die Ausgangsmatrix 16 (Fig. 1) eine in geeigneter Weise aufgebaute Amplitudenmatrix ist, wird ein im wesentlichen richtiger Azimutwinkel unabhängig von den Werten von k₁, k-, k- und t erhalten, solange k-^0, K₂>0 und -0,2<t<1,4. Z.B. ist für eine regelmäßige polygonale Anordnung von wenigstens vier Lautsprechern, jeder auf einem Azimutwinkel 0, das Speisesignal für jeden Lautsprecher gegeben durch:

P₀ = W¹ + 2X¹ cos 0 + 2Y¹ sin 0

wie zuvor erläutert wurde.

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Wenn somit die Ausgangsmatrix 16 eine in geeigneter Weise aufgebaute Amplitudenmatrix ist, die eine geeignete Lautsprecheranordnung speist, werden im wesentlichen richtige Makuta-Azimutwinkel unabhängig von den Werten von k.,, k-, k₃ und t erhalten, solange k.., k₂ )> 0 und -0,2 <£ t <f 1,4.

Beispiele geeigneter Werte für diese Parameter zur JT-System-Codierung sind die folgenden, wobei ein halber Kanal ein Kanal ist, der nur für einen Teil des erforderlichen Frquenzbandes zur Verfügung steht.

Psychoakustisch ausgeglichener 3-Kanal-Decodierer: k₁ = k- - t = 1, k₃ = 0 bei Frequenzen <£ 400 Hz

k₁ = 1,2247, k₂ = 0,8660, t = 1, k₃ = 0 bei Frequenzen 400 Hz

2-Kanal-Decoder in Grundform
k₁ *= k₂ = 1, t = k₃ = 0

Psychoakustisch ausgeglichener 2-Kanal-Decodierer t = 0 und

k₁ = 0,6592, k₂ =1,2807, k₃ = 0,1545 bei Frequenzen 4; 400 Hz

k₁ = k₂ = 1, k₃ = 0,4175 bei Frequenzen ^> 400 Hz

2,5-Kanal-Decodierer in Grundform

k₁ = k₂ = t = 1, k₃ - 0 bei Frequenzen, für die drei Kanäle zur Verfügung stehen.

k| = k, = 1,1454, k₃ = 0, t = 0 wenn zwei Kanäle zur Verfügung stehen.

2,5-Kanal-Decodierer mit gleichmäßiger Richtverst^'rkung k₁ = k₂ = t = 1, k₃ = 0 wenn drei Kanäle zur Verfügung stehen

k₁ = k₂ = 1,2162, k₃ = 0,5077 wenn zwei Kanäle zur Verfügung stehen.

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Die Verstärkung ist innerhalb von 0,52 dB hinsichtlich der Richtung gleichmäßig.

Psychoakustisch ausgeglichener 2,5-Kanal-Decoder k₁ = k₂ = t = 1, k~ = O bei Frequenzen^ 400 Hz k₁ = 1,2247, k₂ = 0,8660, k₃ = O, t = 1 bei Frequenzen 5> 400 Hz, wenn drei Kanäle zur Verfügung stehen. k₁ = k₂ = 1,2162, k₃ = 0,5077, t = O bei HF, wenn zwei Kanäle zur Verfügung stehen.

2-Kanal-Decodierer in Grundform mit gleichmäßiger Richtverstärkung:

k₁ = 1 , k₂ = 1,15, k₃ = O,.3622, t = 0

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Decoders der zuvor beschriebenen Art. Die empfangenen Signale ^I ' und Δ ' werden auf Phasenkompensierkreise 20 und 22 gegeben, während das Eingangssignal T¹ auf einen Kreis mit einer relativen Verstärkung t gegeben wird. Die Ausgangssignale der Kreise 20, 22 und 24 werden auf einen WXY-Kreis gegeben, der von der in der DT-OS 2 512 2 87 beschriebenen Art ist, der mit einer Phasen-Amplitudenmatrix versehen sein kann und der vier Ausgangssignale w, χ, y und -jw erzeugt. Wenn die Verstärkung t des Kanals T 1 ist, hat das Signal w eine Rundstrah!verstärkung, die Signale χ und y haben Verstärkungen, die von dem Cosinus und. Sinus des Azimutwinkels des codierten Signals abhängen, und das Signal -jw ist b
Signal w.

-jw ist bis auf eine 90 -Phasennacheilüng gleich dem

Der WXY-Kreis kann eine Phasen-Amplitudenmatrix sein, die zu der Codiermatrix invers ist, jedoch mit einem zusätzlichen Ausgangssignal versehen ist, das dem Ausgangssignal w gleich, jedoch um 90° phasenverschoben ist.

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Die Ausgangssignale des WXY-Kreises 26 werden auf Verstärkungskreise 28, 30, 32 und 34 gegeben, die das Signal w mit der Verstärkung k.., die Signale χ und y mit der Verstärkung k₂ und das Signal -jw mit der Verstärkung k₃ verstärken. Das Ausgangssignal -JWk₃ des Kreises 34 wird mit dem Ausgangssignal yk~ des Kreises 32 in einem Addierer 36 kombiniert, um eine Richtvorspannung durchzuführen, die in der DT-OS 2 649 525 beschrieben ist, um das Signal Y¹ zu erzeugen. Die Eignale W (=wk₁) und X¹ (=xk₂) werden von den Kreisen 28 und 30 erzeugt und alle drei Signale W, X¹ und Y¹ werden auf die Ausgangsmatrix 16 gegeben, die die Form einer Amplitudenmatrix hat und Signale für eine zuvor beschriebene Lautsprecheranordnung erzeugt.

Wie zuvor beschrieben wurde, können die Verstärkungen k_1# kjt k_ und t frequenzabhängig sein, in welchem Falle die von den Kreisen 28, 30, 32 und 34 hervorgerufenen Phasenverschiebungen einander angepaßt sein müssen, und die Kreise 20 und 22 so ausgebildet sind, daß sie eine Phasenverschiebung gleich der des Verstärkungskreises 24 erzeugen. Z.B. kann der Kreis 24 ein Filter mit der komplexen Freguen zkennlin ie:

,2

1 - 0.23
(1 + 1.73 (τω) - (τω)²)²

sein, wobei die Zeitkonstante z.B. 75 usec beträqt. Hierbei sind die Phasenkompensationskreise 20 und 22 Allpaßnetzwerke mit den komplexen Frequenzkennlinien:

1 - 1.73 (τω) - (ctu)² 1 +1.73 (τω) - (τω)²

Die oben angegebenen Werte für k.., k,» k_ und t sind für jedes System geeignet,das die angegebenen Werte für u und ν in JT-Systemen hat.

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Die verschiedenen Stufen des Decoders in Fig. 2 können so geändert werden, daß die Verstärkungen an anderen Stellen bewirkt werden, vorausgesetzt, daß der Gesamtvorgang ungeändert bleibt. Zusätzlich können die Sicrnalwege von X¹ und Y¹ RC-Hochpaßfiltern mit -3dB-Frequenzen im wesentlichen gleich 54/d Hz enthalten, wobei d der Abstand in Metern der Lautsprecher von einem Bezugspunkt in dem Hörfeld ist, um unerwünschte Einwirkungen auf die Schallokalisierung durch die Krümmung des Schallfeldes vom Lautsprecher aus infolge endlicher Hörabstände auszugleichen.

Eine allgemein angewandte Methode zur Codierung von gerichtetem Schall auf vier Kanäle (die mit LB, LF, RF und RB bezeichnet sind), ist die sog. "paarweise Mischung", durch die einem auf den Azimutwinkel θ codierten Schall die in der Tabelle II für jeden der vier Kanäle angegebenen Verstärkungen zugeordnet werden.

Tabelle II

LB LF RF RB

cos sin(A^-O)

cos(i35°-e) sin(i35°-Q)

sin(225°-9)
0 .
0

cos(225°-0)

cos(-45°-0) sin(-45°-ö)

Es ist nicht möglich, Rundstrahlsignale (d.h. Signale mit einer Richtverstärkung gleich 1) aus diesen Signalen zu erhalten, jedoch können die Signale W, X und Y mit ausreichender Genauigkeit für die Zwecke der Erfindung dadurch erhalten werden, daß:

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LF + RF LB

+ RB j ^CB ^J

wobei 0,707 ^k_p/1 und 0,707 ^ k und:

B-

χ =

Y =

(-LB + LF + RF - RB)

(LB +LF-RF-RB)

obwohl die Codierung unter Verwendung dieser Signale für alle Azimutwinkel nicht völlig richtig ist, können die Koeffizienten k_ und k„ so gewählt werden, daß bestimmte ausgewählte Azimutwinkel richtig codiert werden. Die aus W, X und Y abgeleiteten codierten Signale, die so erhalten werden, können dann gemäß der Erfindung decodiert werden.

Eine die Höhe einer Schallquelle betreffende Information kann jedem 3-Kanal-System dadurch beigegeben werden, daß ein vierter Kanal Q zugefügt wird, der die erforderliche Zusatzinformation enthält. Unter Verwendung der obigen Schreibeweise haben die vier Kanäle Richtverstärkungen, die gegeben sind durch

-. W

Verst.¹

je f

iq 0

COS θ COSn L

sin θ cos»?

\ sinn

wobei s eine komplexe Verstärkung für den Kanal Q und "£ der Höhenwinkel gegenüber der Horizontalen ist. Diese Information kann dann für die horizontale Wiedergabe unter Verwendung der zuvor beschriebenen Decoder aus den· Signelen in den ersten drei Kanälen unter Vernach-

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lässigung des Kanals Q erhalten v/erden.

Eine Wiedergabe unter Berücksichtigung der Höhe kann durch Verwendung einer geeigneten Lautsprecheranordnung dadurch erhalten werden, daß die Signale W, X¹ und Y¹ aus den Signalen 51 , Δ und T abgeleitet werden, wie zuvor beschrieben wurde, wobei k.. = k~ = 1, k_ = O, t = 1, so daß ihre Richtverstärkungen 1, cos θ cos -o und sin θ cos y sind, und daß weiterhin das Signal Z¹ = s Q abgeleitet wird, das die Richtverstärkung sin·» hat. Für regelmäßige polyedrische Lautsprecheranordnungen wird der Lautsprecher mit Richtcosinus p., q. und r. mit dem Signal :

k'W + ^p₁X¹ + ^q₁Y¹ + ^r₁Z'

gespeist, wobei ki und kl positive Verstärkungen sind, die sich mit der Frequenz ändern können. Diese Verstärkungen können z.B. k.. = 1 und kl = 3 für Frequenzen wesentlich unter 400 Hz und ki = vT? und kl = \J 6 fi\r Frequenzen wesentlich über 400 Hz betrager..

Im allgemeinen können die decodierten Signale W, X¹ , Y' und Z¹ aus Σ. , Δ , T, Q durch eine Phasen-Amplitudenmatrix derart abgeleitet werden, daß

y I y ' 9 I

^Re — ^{: Re} — ^{: Re} ~

= cos θ cosw : sin θ cos -n : sin-n

wodurch eine im wesentlichen korrekte Richtwiedergabe entsprechend der Makita-Schallokalisierungs-Theorie sichergestellt wird. Z.B. können W, X¹, Y¹ wie bei irgendeinem der vorher beschriebenen 3-Kanal-Decoder erzeugt und Z¹ kann so gewählt werden, daß es ein geeignetes reales Vielfaches von s~ Q ist.

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Im Falle der Wiedergabe über einen Kubus von acht Lautsprechern in Richtungen mit Richtcosinus p", q", r" gleich +p¹, +q'» +*"' für bestimmte Werte p¹ , q' , r' sind die zugehörigen Lautsprecherspeisesignale:

k¹., w^f + Ik^ x'/p" + ^2 YVq" + -jk^z'/r"

für positive Koeffizienten k^, k£. Die Ausgangsmatrix solch eines kubischen Decoders kann wie die in der DT-OS 2 512 287 beschriebene sein.

Bei jeder Ausführungsform können die Signale L und P anstelle der Signale Σ. und Λ übertragen werden, wobei die Beziehung zwischen beiden Signalpaaren folgende ist:

In ähnlicher Weise können die Phasen-Amplitudenmatrizen bzw. WXY-Kreise der Decoder so aufgebaut sein, daß.sie die Signale L und R anstelle der Signale H und Averarbeiten.

Alle Verstärkungen, Phasenverschiebungen, Filter und Matrixkreise können in· anderer Weise angeordnet, in mehrere Stufen aufgeteilt und/oder kombiniert sein und Gesamtverstärkungen oder -Phasenverschiebungen, die parallele Signalwege gleich beeinflussen,können eingeführt werden, um die Gesamtarbeitsweise der Codierer oder Decoder zu ändern. Wenn die Decoderverstärkungen k.., k₂, k- nicht frequenzabhängig sind, können Teile des Decoders nach einer gewünschten Filterung der Eingangssignale 5_', Δ ' oder Σ ', Δ ', T¹ oder L¹, R' oder L¹, R¹, T¹ als einzige feste Phasen-Amplitudenmatrix ausgebildet werden.

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Claims

Ansprüche

fi.ySystem zur übertragung oder Aufzeichnung eines Azimutrichttons, bestehend aus einem Codierer, der mehrere Übertragungskanalsignale erzeugt, die sich aus komplexen linearen Kombinationen von Rundstrahlsignalkomponenten, Signalkomponenten mit Verstärkungen gleich den Cosinus des codierten Tonazimutwinkels und Sirrnalkomponenten nit Verstärkungen gleich dem Sinus des codierten Tonazimutwinkels zusammensetzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Codierer eine Phasen-Amplitudenmatrix zur Erzeugung des ersten, zweiten und dritten übertragunqskanalsignals aufweist, wobei das erste und zweite Übertragungskanalsignal zusammen nicht rotationssymmetrisch sind und das dritte übertragungskanalsicmal derart ist, daß eine zveite Phasen-Amplitudenmatrix, die zu der ersten invers ist, drei aus dem ersten, zweiten und dritten Ubertragungssignal wiedergewonnene Signale erzeugt, von denen das erste eine Rundstrahlverstärkung und das zweite und dritte eine Verstärkung gleich dem Cosinus bzw. Sinus des codierten Azimutwinkels ist, und auch in Abwesenheit des dritten Übertragungssignals am Eingang der inversen Matrix drei modifizierte wiedergewonnene Signale derart erzeugt, daß der Realteil des Verhältnisses der komplexen Verstärkung des zweiten modifizierten wiedergewonnenen Signals zu der komplexen Verstärkung des ersten modifizierten wiedergewonnenen Signals und der Realteil des Verhältnisses der komplexen Verstärkung des dritten modifizierten wiedergewonnenen Signals zu der komplexen Verstärkung des ersten modifizierten v/iedergewonnenen Signals die orthogonalen Komponenten eines Vektors sind, der in Richtung des codierten Azimutwinkels für wenigstens drei vorbestimmte Azimutwinkel weist, die sich wenigstens über 180 erstrecken.

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2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Codierer derart ausgebildet ist, da/³ das erste und zweite Ubertragungskanalsignal Töne darstellen, denen ein.Azimutwinkel θ dadurch zugeordnet ist, daß die jeweiligen komplexen Verstärkungen das gleiche reale oder korn-

plexe Vielfache von Lv_erstarkung und Verstärkung ^sind' die gegeben sind durch

L_v = -1 (a + jb) + Ί (c + jd) cos θ + ^ (ej + f) sin θ L_v = -J (a - jb) + j (c - jd) cos θ + ^ (ej - f) sin θ

^oder ^Verstärkung ^{und A} Verstärkung' ^die <^^{eben sind} durch

ΣΓ _v = a + c cos θ + je sin θ /^y = Jb + jd cos O + f sin θ

wobei j (=\|-1) eine 90°-Pasenverschiebung darstellt und a, b, c, d, e und f reale Verstärkungen sind und das dritte Ubertragungskanalsignal eine Verstärkung T hat, die gegeben ist durch

T = q (jg + jg cos θ + i sin Θ)

wobei q eine komplexe Verstärkung ungleich-Null ist, ct und h reale Verstärkungen sind und i = -1 .
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungen g und h derart sind, daß

h - v"¹⁽ ₍ 1 + u² sin ² θ' ψ ( 1 - (u/v)² cos² Θ¹)

- h² ju (cos² Θ' + v² sin² Θ ¹ J •.^{9 = 1 + vh} ( 1 ₊ u² sin² θ· )

wobei:

cf + ed _v=_
^u bc ad

bc - ad bc - ad

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4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

-1 < 4 + 3u² j?
h = ν ( )

( 4 - (u/v)

J u(1+ 3v²) j ²

J ^vh ( 4 ₊ 3u²
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß a = 0,9530, b = -0,3029, c = 0,2554, d = 0,8034,

e = 0,0661, f " 0,9593, g = -0,1716, H = 1,0000 und i = -1,0000.
6. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß a = 0,9694, b = -0,2457, c = 0,2191, d = 0,8643,

e = 0,1104, f = 1,0036, g = 0,1716, h = 1,0000
i = 1,0000.
7. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß a = 0,9829, b = -0,1842, c = 0,1725, d = 0,9203,

e = 0,1645, f = 1,0412, g = -0,1716, h = 1,0000 und i = -1,0000.
8. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß a = 0,9915, b « -0,1305, C= 0,2030, d = 0,6580,

e = -0,1305, f = 0,9915, g.= -0,0733, h = 0,6873 und i = -1.0000.
9. System nach einem der vorhergeherden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale für den Codierer von einer Mikrophonanordnung abgeleitet werden, die wenigstens drei Zwischensignale erzeugt, von denen das erste ein Rundstrahlsignal, bestehend aus der Summe aller Azimutschallquellen mit gleicher Verstärkung, das zweite die Summe der Signale aller Azimutschal1-quellen, von denen jedes eine Verstärkung proportional dem Cosinus seines codierten Azimutwinkels, und das dritte die Summe der Signale aller Azimutschallquellen

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ist, von denen jedes eine Verstärkung proportional dem Sinus seines codierten Azimutwinkels hat.
10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale des Codierers von mehreren unabhängigen monophonen Rignalquellen und einer Amplitudenmatrix-Mischeinrichtung erzeugt werden, die drei oder mehr Zvischensignale abgibt, von denen das erste aus der Summe aller monophoner Signale mit gleichen Verstärkungen, das zweite aus der Summe aller monophonen Signale, nach-dem jedes einer Verstärkuno proportional dem Cosinus seines codierten Azimutwinkels unterworfen wurde, und das dritte aus der Summe aller monophonen Signale besteht, nachdem jedes einer Verstärkung proportional dem Sinus seines codierten Azimutwinkels unterworfen wurde.
11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale aus- vier Signalen LB, LF, RF und RB bestehen, die Schall links hinten, links vorne, rechts vorne und rechts hinten darstellen, und daß eine Amplitudenmatrix vorhanden ist, die drei Zwischensignale W, X und Y erzeugt, die gegeben sind durch:

W = m /k_p ~¹ (LF + RF) + 1k_ß ~¹ (LB + RBj/ X = η /TlF +RF)-I (LB + RBJ>7 Y = η /TLF - RF) + 1 (LB - RB]7

wobei m und η größer als Null und k„, k_, und 1 positive Verstärkungen derart sind, daß

2 ² ^ k_B 4= 1
1 ^E 1

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12. Einrichtung zur Wiedergabe azimutaler Richttonsignale, die durch ein System nach einem der vorhergehenden Ansprüche übertragen oder aufgezeichnet werden, bestehend aus einem Decoder zur Erzeugung von Speisesignalen aus mehreren Ubertragungskanalsignalen, die an einer bestimmten Hörstelle über Lautsprecher Schalldruck und einen akustischen Geschwindigkeitsvektor hervorrufen, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Tonfrequenz der durch die Komponenten des komplexen akustischer Geschwindigkeitsvektors, der eine 90 -Phasenbeziehuna zu den Komponenten des akustischen Druckes hat, in eine decodierte Azimutwinkelrichtung weist, die im wesentlichen gleich der codierten Azimutwinkelrichtung für alle codierten Azimutwinkel ist.
13. Einrichtung zur Wiedergabe azimutaler Richttonsignale, die durch ein System nach Anspruch 2 übertragen oder aufgezeichnet werden, bestehend aus einem Decoder zur Erzeugung von Lautsprecherspeisesignalen aus mehreren Ubertragungskanalsignalen, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisesignale für den Lautsprecher bei einem Azimutwinkel τ die Form hat:

^pY= Z^^ki ⁺ 2ük₂öcosY + (2£ k₂ - af k₃) jsin J +. 2d« k₂jcos Y + (2W k₂ + c¹ k^ ₁ j + 21» k₂JcosT + (2i« k₂ + e» K₃)sinY

wobei Φ = V für eine regelmäßige polygonale Anordnung und γ = 90° -φ¹, 90° + φ ', -90° -4>· und -90° +φ¹ für die jeweiligen Azimutwinkel Φ = <f ', 180° -φ Ί -180° +P' und -<p' einer rechteckigen Anordnunq, wobei k.., kj positive Verstärkungen sind, k₃ eine reale Verstärkung ist, t eine Verstärkung der Art ist, daß 0,2 iC 5 C 1f⁴» und wobei die realen Verstärkunaen β¹, 2bV, c¹, 2d', e\, 2f·, 2g¹, 2h¹, 21' zu den Verstärkungen a, b, c, d, e, f, g, h, i der Codiergleichungen durch die Matrixgleichung

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a¹ = o, 9857, 2b' 2d' = -1 ,0785, e' 2g' = o, 1846, 2h'

in Beziehung stehen und wobei q die komplexe Verstärkung des Signals T in den Codiergleichungen ist und ^^- ' , ^ ' » T¹ den Signalen J~ , £\ ι ^T bzw. den Signalen L + R, L - R, T proportional sind.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß

= 0,5228, c' = 0,1058, = 0,1667, 2f' = -1,0000, = 1 ,1148, 2i' = -0,9428.
15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß

a¹ = 0,9876, 2b¹ = 0,4418, c' - 0,0575, 2d' = -1,0450, e' = 0,1667, 2V = -1,0000, 2g' = 0,1030, 2h' = 1,0647, 2i' = -0,9428.
16. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß

a' = 0,9876, 2b¹ = 0,3654, c¹ = 0,0040, 2d' = -1,0181, 3¹ = 0,1667, 2f = -1,0000, 2g¹ = 0,0265, 2h' = 1,0195, 2i' « -0,9428.
17. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß

a' = 0,9744, 2b¹ = 0,2956, c' = 0,2129, 2d·'*= -1,4286, e¹ = 0,0839, 2V » -1,4549, 2g¹ = 0,0603, 2h' = 1,0131, 2i' - -O,9877.
18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Decoder eine modifizierte inverse Matrix bestehend aus einer Phasen-Amplituden-

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- vr -

matrix aufweist, die zu der Phasen-Amplitudenmatrix des Codierers invers ist, modifiziert durch VerstMrkunqsfaktoren.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die modifizierte inverse Matrix ein viertes Ausgangssignal gleich dem Signal erzeugt, das den akustischen Druck, phasenverschoben um 90°, darstellt.
20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor, der aus den modifizierten wiedergewonnenen Signalen abgeleitet wird, in Richtung des codierten Azimutwinkels für sechs vorbestimmte Winkel weist, die relativ zu einer Bezugsrichtunq symmetrisch angeordnet sind.
21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Azimutwinkel relativ zu zwei orthogonalen Bezugsrichtungen symmetrisch sind.
22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die sechs Winkel 0°, 60°, 120°, 180°, -60° und -120° sind.

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