DE2749015A1

DE2749015A1 - Quadrophonische tonsignalquelle

Info

Publication number: DE2749015A1
Application number: DE19772749015
Authority: DE
Inventors: Benjamin B Bauer
Original assignee: CBS Inc
Current assignee: CBS Broadcasting Inc
Priority date: 1976-11-02
Filing date: 1977-11-02
Publication date: 1978-05-11
Also published as: GB1593664A; GB1593663A; US4096353A; GB1593662A

Description

1°205 Dr. Dieter ν. Bezold 1

Dipl.-Ing. Peter Schütz

DIpI.-Ing. Wolfgang Heueier

β München 8G. Pestfach 860668

CBS Inc., New York, N.Y. (V.St.A.) Quadrophonische Tonsignalquelle.

Die Erfindung bezieht sich auf Quadrophonie-Tonsysteme und betrifft eine quadrophonische Tonsignalquelle, die aus von allen Seiten ringsherum einfallendem Schall zwei zusammengesetzte Tonsignale erzeugt, welche nach einer Dekodierung mittels eines geeigneten Vier-Kanal-Dekodierers zur Reproduktion der Richtungseigenschaften des ursprünglichen Schallfeldes geeignet sind.

Die Anmelderin hat früher bereits ein Mikrofonsystem zur Erzeugung

von Tonsignalen für die quadrophonische Wiedergabe erwogen, bei dem vier koaxiale Mikrofon-Wandler vorgesehen sind. Diese haben typischerv/eise Rotationsdiagramne mit im Enqlischen sogenannter "Limacon-Cestalt" entsprechen der Gleichung ρ (θ) = 0,3 + 0,7 cos 0, wobei ρ ein Bruchteil der größten Empfindlichkeit des Schallempfängers als Funktion der Winkelabweichung θ von der positiven Richtung der Rotationsachse bedeutet. Die Achsen größter Empfindlichkeit der vier Schallempfänger liegen typischerweise in der gleichen Ebene und sind in Azimutrichtung um eine gemeinsame Achse herum so angeordnet, daß eine der Einheiten, die Einheit Ll, nach -65°, eine zweite Einheit Rl nach +65°, eine dritte Einheit L2 nach -165° und eine vierte Einheit R2 nach +165° weist. Das Ausgangssignal jedes der beiden "vorderen" Schallempfänger Ll und Rl wird durch ein zugeordnetes Allpaß-Phasenschieber-Netzwerk geleitet, dessen Phasenverschiebungswinkel sich als Funktion Vder Frequenz ändert. In gleicher Weise wird das Ausgangssignal jedes der beiden "rückwärtigen" Schal!aufnehmer durch ein zugeordnetes Allpaß-Netzwerk geleitet, das

809819/0836

/2

einen Phasenverschiebungswinkel hat, der sich als Funktion (V- 90 ) der Frequenz ändert. Ein bestimmter Bruchteil des phasenverschobenen Ausgangs des Schallempfängers R2 wird vom phasenverschobenen Ausgang des Schallempfängers Ll subtrahiert und dadurch ein "Gesamt"- bzw. zusammengesetztes Tonsignal Lj erzeugt, während ein vorbestimmter Bruchteil des phasenverschobenen Ausgangs des Schallempfängers L2 von dem phasenverschobenen Ausgang des Schallempfängers Rl subtrahiert und dadurch ein zweites zusammengesetztes Signal Rj erzeugt wird. Die übertragbaren zusammengesetzten Tonsignale Lj und Rj stellen einen kodierten quadrophony sehen Ausgang dar, der für bestimmte räumliche Schalleinfaiisrichtungen dem SQ-Kode für die Richtungen links hinten, links vorne, mitte vorne, rechts vorne und rechts hinten entspricht; für die Richtung mitte hinten ist der Kode der gleiche wie für mitte vorne, so daß das erwogene Mikrofonsystem in seiner Wirkungsweise einem "vorwärtsorientierten" SQ-Kodierer entspricht. Das erwogene, beschriebene Mikrofonsystem ist besonders gut zur Aufzeichnung und/oder übertragung einer Theater-Aufführung geeignet, da bei ihm die Mitwirkenden um die Mikrofonanordnung herum ihre Stellungen einnehmen und sich frei bewegen können, wobei ihre jeweiligen Positionen anhand entsprechender Richtungen über einen großen Raumbereich reproduziert werden. Man kann zeigen, daß die jeweiligen polaren Limacon-Diagramme und ihre jeweiligen Richtungen größter Empfindlichkeit sowie die relativen Beiträge des "vorderen" Paares Ll und Rl und des "hinteren" Paares L2 und R2 über einen relativ großen Bereich veränderbar sind,ohne daß die angestrebte Kodier-Wirkung verloren geht.

Bei dem erwogenen Mikrofonsystem werden die vier Limacon-Oiagramme mittels vier Gradienten-Windlem und einem ungerichteten Wandler erhalten. Die Gradienten-Wandler sind koaxial zu einander mit ihrer positiven Richtung größter Empfindlichkeit unter den genannten Azimutwinkeln von + 65° und + 165° angeordnet, wobei jeder ungefährt 70 % des Signal ausganges bei Schall einfall aus diesen Richtungen und der gleichgerichtete Wandler den Rest von ungefähr 30 % desSignalausganges liefert, der gleichmäßig

80 98 T#f

zu den Ausgängen der vier Gradienten-Wandler addiert wird.

Der Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung einer Tonsignalquelle mit einer Mikrofon-Anordnung und einer Kodierschaltung bzw. einem Matrix-System zur Erzeugung von zwei zusammengesetzten Tonsignalen zugrunde, die mit einer einfacheren und preiswerteren Mikrofon-Anordnung als das erwogene, oben erläuterte System auskommt, wobei die Tonsignale den von bekannten Quadrophonie-Systemen,gegebenenfalls auch dem sogenannten RM-Quadrophonie-System, verlangten Tonsignalen entsprechen und bevorzugt zur Festlegung der Richtungs-Stellung von umgebenden Schallquellen dienen sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten quadrophonischen Tonsignal quelle gelöst.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Mikrofon-Anordnung aus zwei Gradienten-Mikrofonen und einem einzigen ungerichteten Mikrofon vorgesehen, die auf einer gemeinsamen vertikalen Achse gehalten sind und bei denen die Achsen größter Empfindlichkeit der beiden Gradientenmikrofone unter einem Winkel von 90 zu einander stehen sowie einen Azimutwinkel von 0° bzw«, 90° einnehmen. Geeignete Bruchteile bzw. Anteile des Ausgangssignales eines der beiden Gradientenmikrofone werden mit geeigneten Anteilen des Ausgangssignales des anderen Gradienten-Mikrofones zur Erzeugung äquivalenter Gradienten-Diagramme kombiniert, die unter den genannten Winkeln von + 65 und + 165 angeordnet sind. Die letztgenannten äquivalenten Diagramme liefern einen Anteil des Ausgangssignales (von ungefähr 70 %), der mit einem Bruchteil oder Anteil (von ungefährt 30 %) des Ausgangssignales des ungerichteten Mikrofons zur Erzeugung der vier polaren Limacon-Diagramme kombiniert wird, die durch die normierte Limacon-Gleichung E = 0,3 + 0,7 cos θ gekennzeichnet sind. Die vier entstehenden Signale werden selektiv phasenverschoben und zur Erzeugung zweier zusammengesetzter, kodierter Tonsignale kombiniert, wie sie im SQ-Quadrophonie-Tonsystem angewendet werden.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die vorgenannte Anordnung aus zwei Gradienten-Mikrofonen und einem einzelnen ungerichteten

809819/0836

Mikrofon mittels eines im Handel befindlichen Mikrofones nachgebildet, das vier Limacon-Diagramme enthält, die der Gleichung m + (l-m)cosG mit 0<m<l gehorchen, wobei m typischerweise jedoch 0,5 beträgt. Es ist erkannt worden, daß durch entgegengesetzt paarweise Subtraktion dieser Ausgänge die beiden Gradienten-Diagramme und durch entgegengesetzt paarweise Addition das ungerichtete bzw. Kugel-Diagramm erhalten werden können, die dann in der oben erläuterten Weise zur Erzeugung der vier Limacon-Gleichungen 0,3 + 0,7 cosO herangezogen werden können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung produziert eine Mikrofon-Anordnung vier Limacon-Richtdiagramm, die gegen einander um jeweils 90° räumlich versetzt sind und jeweils durch die Gleichung E = 0,414 + 0,586 cosQ definiert sind, wobei θ die Winkel richtung, gemessen gegenüber der Richtung größter Empfindlichkeit, ist. Die den vier Limacon-Diagrannen entsprechenden Ausgangssignale werden selektiv phasenverschoben und zur Erzeugung der zwei zusammengesetzten Tonsignale kombiniert, welche die Eigenschaften der vom RM-Quadrophonie-System geforderten zusammengesetzten Tonsignale haben, um die Richtungsstellung umgebender Schallquellen festzulegen. Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 - eine Schemadarstellung des früher erwogenen, einleitend dargestei1 ten Mi krofonsystems,

Figur 2 - ein Blockschaltbild einer Tonsignalquelle nach der Erfindung,

Figur 3 - ein polares Empfindlichkeitsdiagramm der Mikrofon-Anordnung der Tonsignalquelle nach Figur 2,

Figur 4 - eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Tonsignalquelle nach Figur 2,

Figur 5 - eine Schemadarstellung einer anderen Tonsignal quelle nach der Erfindung,

809819/0836

Figur 6 - eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des RM-Kodiersystems auf der Basis der Nadelbewegung eines Schal IpIatten-Schneidkopfes oder -abtasters,

Figur 7 - mehrere Zeigerdiagramme zur Erläuterung der Herleitung der Tonsignalquelle nach Figur 8,

Figur 8 - ein Schemabild einer weiteren Tonsignalquelle nach der Erfindung zur Erzeugung zusammengesetzter Tonsignale, wie sie in RM-Quadrophonie-Systemen verwendet werden,

Figur 9 - mehrere Zeigerdiagramme zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Tonsignalquelle nach Figur 8.

Im folgenden werden zuerst die Grundlagen der Erfindung anhand von Figur erläutert, welche die eingangs erwähnte, von der Anmelderin früher erwogene Tonsignalquelle zeigt. Bei dieser sind vier Mikrofone mit zweiseitiger Richtcharakteristik und ein einzelnes ungerichtetes Mikrofon, also ein Mikrofon mit Kugelcharakteristik auf einer gemeinsamen vertikalen Achse gehalten. Die Ausgangssignale dieser Mikrofone werden so kombiniert, daß sich Rotationseliagramme in der sog. Limacon-Form ergeben, die jeweils der Gleichung ρ (θ) = 0,3 + 0,7 cos9 entsprechen, wobei ρ der Bruchteil der maximalen Empfindlichkeit des Schallempfängers als Funktion der Winkelabweichung θ von der positiven Richtung der Rotationsachse ist. Gemäß Figur 1 liegen die Achsen größter Empfindlichkeit der Mikrofon-Anordnung in einer gemeinsamen Ebene und sind so ausgerichtet, daß der Schallempfänger Ll nach -65 (d.h. ausgehend von der positiven Richtung im Gegenuhrzeigersinn) der Schallempfänger Rl nach +65 , und die Schallr empfänger L2 bzw. R2 nach -165° bzw. +165° weisen. Die Verbindungen mit den Wandlern, die diese Diagramme bilden, sind symbolisch durch die Leitungen 10, 12, 14 und 16 dargestellt, die ihrerseits an einen Kodierer angeschlossen sind. Der Kodierer umfaßt vier Allpaß-Phasenschieber-Netzwerke 20, 22, 24 und 26, von denen die beiden ersten eine Phasenverschiebung als Funktion W der Frequenz liefern, während die beiden anderen eine Phasenverschiebung erzeugen, die eine Funktion ("ψ- 90°) der Frequenz ist.

809819/0836 _/6

Ein prozentualer Anteil von ungefähr 70 % des phasenverschobenen R2-Signales vom Phasenschieber-Netzwerk 24 wird in einer Additionsverbindung 30 mit dem phasenverschobenen Ll-Signal vom Phasenschieber-Netzwerk 20 summiert und dadurch an einem Ausgangsanschluß 32 ein erstes zusammengesetztes Tonsignal L_T erzeugt. In entsprechender Weise werden ungefähr 70 % des phasenverschobenen L2-Signales vom Phasenschieber-Netzwerk 26 in einer zweiten Additionsverbindung 34 mit dem phasenverschobenen Rl-Signal vom Phasenschieber-Netzwerk 22 summiert und dadurch ein zweites zusammengesetztes Tonsignal Ry an einem Ausgangsanschluß 36 erzeugt. Man kann zeigen, daß die Ausgangs-Tonsignaie L-, und Ry mit Signalen äquivalent sind, wie sie vom SQrQuadrophoniesystem zur Nachbildung der Richtungs-Stellung von Schallquellen, die eine Mikrofon-Anordnung umgeben, verlangt werden, wobei die Wahl eines prozentualen Anteiles von 70 % für die Ausgänge von L2 und R2 eine von mehreren möglichen Modifikationen darstellt.

Mit der Erfindung ist eine Tonsignalquelle geschaffen, die hinsichtlich Funktion und Wirkungsweise der zuvor erläuterten Tonsignalquelle äquivalent ist, jedoch anstatt vier Gradienten-Mikrofone und ein einzelnes ungerichtetes Mikrofon zu benötigen, mit zwei Gradienten-Mikrofonen und einem einzelnen ungerichteten Mikrofon auskommt. Eine entsprechende Anordnung zeigt Figur 2. Hier sind zwei Gradienten-Mikrofone 40 und 42 auf einer gemeinsamen vertikalen Achse X-X so gehalten, daß ihre Achsen größter Empfindlichkeit unter einem Azimutwinkel von 90° bzw. 0° ausgerichtet sind, was mit anderen Worten bedeutet, daß die Gradienten-Mikrofone zu einander unter einem Winkel von 90° stehen. Die Mikrofon-Elemente sind so dicht wie möglich neben einander angeordnet und außerdem in enger Nachbarschaft mit einem ungerichteten Wandlerelement 44. Wenn die Azimutrichtung von 0 willkürlich als Referenzrichtung festgelegt wird, ergibt es sich ohne weiteres, daß sich die Ausgangsspannung des Gradientenelementes 42 für eine Schallwelle bestimmten Schalldruckpegels mit dem Cosinus des Einfallswinkels gegenüber dem Azimut um die Achse X-X, gemessen von aus, ändert, während sich die Ausgangsspannung des Gradientenelementes 40 bei der gleichen Schallwelle als Sinusfunktion des Einfallswinkels ändert. Diese Signale sind mit E bzw. E bezeichnet, während die Ausgangsspannung

809819/0836

^2749ÜI5

des ungerichteten Mikrofones 44, die bei der genannten Schallwelle vom Azimut unabhängig ist, mit E~ bezeichnet ist. Unter der Annahme einer Normierung der Spannungen Ε_ς (0°), E_$ (90°) und E_Q auf 1 für die erwähnte Schallwelle zeigt das Polardiagramm nach Figur 3 die Art und Weise, in welcher die verschiedenen Signale kombiniert werden müssen, um den Erfindungszweck zu erreichen.

In Figur 3 ist die Spannung EfO⁰) durch den Pfeil 50 dargestellt, der in die 0 -Richtung weist und Einheitslänge hat. Entsprechend ist die Spannung E (90°) durch den Pfeil 52 dargestellt, der in 90 -Richtung weist und ebenfalls Einheitslänge hat. Die Pfeile 50 und 52 sollen nicht als Zeiger eines Zeigerdiagramms verstanden werden. Sie stellen einfach die Größen der Ausgangsspannungen der jeweiligen Wandler für die jeweilige Schalleinfallsrichtung dar. Da es Ziel der Erfindung ist, eine Tonsignalquelle zu schaffen, die in ihrer Wirkung derjenigen nach Figur 1 äquivalent ist, muß ein äquivalentes Gradienten-Element geschaffen werden, das in einer Richtung θ orientiert ist, also mit den Winkeln, unter weichen die Limacon-Diagramme der Figur 1 ausgerichtet sind, was durch Kombination prozentualer Anteile der Signale E. und E in geeigneten Verhältnissen geschieht. Definiert man die prozentualen Anteile von E und E durch die Faktoren k_ bzw. k , ergeben

CS CS

sich Polardiagramme zu den jeweiligen Gradienten-Mikrofonen für diese prozentualen Ausgänge, die in Figur 3 bei 54 und 56 gezeigt und die durch die Gleichungen

^kc^Ec ^{= k} _c ^E _c(°°)^cose (^fUr Diagramm 54) k_sE_$ = k_sE_s(90°)sin0 (für Diagramm 56)

definiert sind.

Wie man sieht, ist eine Keule jedes Diagramms positiv und die andere negativ, wie es durch die + und - Zeichen angedeutet ist. Der Nulldurchgang der Diagramme befindet sich dort, wo sich die positiven und negativen Kreise schneiden, d.h. an den Punkten 58 bzw. 60. An diesen Punkten ist k_c E_c = k_s E₅, und es gilt, da E_c(0°) = E_s(90°) = 1 ist,

tanQ

E_c(0°)cos0 cos9

809819/0836 _/8

Indem man einfach k_$ = sin9 und k_c = cosO macht, wird der Maximalwert der Spannung des neugebildeten Gradientenmusters 57-57 zu E(O)= COS²O + sin²O = 1.

Die gerade erläuterte Beziehung führt zu dem in Figur 4 gezeigten Diagramm zur bequemen Veranschaulichung des Matrixsystems, das zur Erzeugung der in Figur 1 gezeigten Richtdiagramme benötigt wird. Die Spannungen E_c(0°) und E (90°) sind wiederum durch Pfeile 50* bzw. 52' angedeutet; zusätzlich enthält das Diagramm Pfeile, welche die Gradietenwandler-Spannungen Ll(bei-65°), Rl(bei+65°), L2(bei-165°) und R2(bei+165 ) darstellen, wobei diese den in gleicher Weise bezeichneten Richtdiagrammen in Figur 1 entsprechen. Durch Projektion der diese Spannungen darstellenden Pfeile auf die Achsen O⁰-180° und +90°—90 erhält man die folgenden zugeordneten Koeffizienten der benötigten Matrix:

Gradienten-Komponente k k

Llg(-65°) cos -65° = 0,423 sin -65° = -0,906

Rlg(+65°) cos +65° = 0,423 sin +65° = 0,906

L2g(-165°) cos -16b° = -0,966 sin -165° = -0,259

R2g(+165°) cos 165° = -0,966 sin +165° = 0,259

Es können also die geeigneten Richtungen der vier Limacon-Diagramme nach Figur 1 mit der in Figur 2 gezeigten Mikrofon-Anordnung erhalten werden, in dem die Signale E und E nach Maßgabe der in obiger Tabelle angegebenen Koeffizienten mit einander kombiniert werden. Hierzu wird das Signal E_$ den Eingängen zweier Verstärker 70 und 72 zugeführt, deren Verstärkungsfaktoren auf 0,906 bzw. 0,259 eingestellt sind. Das Signal E_c wird den EingangsanschiUssen zweier weiterer Verstärker 74 und 76 zugeführt, deren Verstärkungsfaktoren auf 0,423 bzw. 0,966 festgelegt sind. Die Ausgangssignale dieser vier Verstärker werden in Obereinstimmung mit obiger Tabelle in entsprechenden Additionsverbindungen 78, 80, 82 und mit einander kombiniert, wobei an der Additionsverbindung für jedes Ausgangssignal ein weiterer Faktor von 0,7 für die Addition wirksam wird. Genauer gesagt und anhand eines Beispiels dargelegt,wird das 0,7-fache

809819/0836

27A9015

des Ausgangssignales des Verstärkers 70 (das 0,906 E beträgt) in der Additionsverbindung 78 vom 0,7-fachen des Ausgangssignales des Verstärkers 74 subtrahiert. Der Rest von 30 % bzw. dem 0,3-fachen jedes Ausgangssignales wird von der Spannung E_Q vom ungerichteten Wandler 44 beigetragen, in dem das 0,3-fache dieser Spannung jeder Additionsverbindung 78, 80, 82 und 84 als ein Eingangssignal zugeführt wird. Durch den geschilderten Summationsvorgang erhält man insgesamt die gewünschten Limacon-Diagramme gemäß Figur 1, die in Figur 2 mit Ll, Rl, L2 und R2 bezeichnet sind. Diese Signale werden einem Kodier-Abschnitt zugeführt, der in jeder Beziehung dem Kodierer 18 nach Figur 1 gleicht und die gewünschten kodierten zusammengesetzten Ausgangstonsignale Ly und R, an Ausgangsanschlüssen 32' bzw. 34' abgibt.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt in der Erkenntnis, daß es durch geeignete Einstellung einer handelsüblichen Mikrofon-Anordnung und durch eine sachgerechte Kombination der Ausgangssignale der Mikrofon-Anordnung möglich ist, die gewünschten kodierten zusammengesetzten Tonsignale L, und R_T zu erzeugen. Beispielsweise umfaßt ein handelsübliches Mikrofon der Firma Georg Neumann GmbH, Berlin, vier unabhängige Einheiten mit Kardioid (oder Li ma con'- Di ag ramm , die um jeweils 180 gegeneinander versetzt sind, jedoch eingestellt werden können, so daß sich ihre jeweiligen Achsen unter gegenseitigen Winkeln von jeweils 90° ausrichten lassen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß bei einer Justierung des handelsüblichen Mikrofons derart, daß seine Achsen jeweils unter einem Winkel von 90° zu einander stehen, wie es in Figur 5 gezeigt ist, die Möglichkeit besteht, die drei Signale E , E und Eq abzuleiten, die mit der anhand von Figur 2 erläuterten Mikrofon-Anordnung erhalten werden und die nach geeigneter Modifizierung und Kombination, wie es in Figur 2 gezeigt ist, die richtig kodierten, zusammengesetzten Tonsignale Lj und Ry ergeben. Wenn man im einzelnen zwei der Wandler eines solchen Mikrofons, die die Polar-Diagramme 90 bzw. 92 haben, in der Richtung 0°-180° ausrichtet, gelten für diese Kardioid-Diagramme die Gleichungen 0,5+05cosO bzw. 0,5-0,5cos9„ Das Signal, das dem Diagramm 92 entspricht, wird in einer Additionsverbindung 94 von dem Signal subtrahiert, das dem Diagramm 90 entspricht, wodurch an einem Ausgangsanschluß 96 eine Spannung E = cosO

809819/0836

.43· 2749Ü 15

entsteht. Die beiden anderen Wandler, deren Richtdiagramme bei 98 und 100 dargestellt sind, werden in der Richtung +90° und -90° ausgerichtet und folgen den Gleichungen 0,5+0,5 sinO bzw. 0,5-0,5sin9. Das dem Limcon-Diagramm 100 entsprechende Signal wird in einer Additionsverbindung 102 von dem dem Diagramm 98 entsprechenden Signal subtrahiert, wodurch an einem Ausgangsanschluß 104 eine Spannung E_s=sin9. Wenn die beiden, jeweils einem der beiden Paare entsprechenden Signale addiert werden, ergeben sie eine Spannung Eq = 1. Auch wenn die allen vier Diagrammen entsprechenden Signale summiert werden, und zwar jeweils mit einem Koeffizienten von 0,5, entsteht als Ergebnis E«. Die letztgenannte Summierung ist in Figur 5 dargestellt, wo die vier den Diagrammen entsprechenden Signale jeweils mit einem Koeffizienten von 0,5 in einer Additionsverbindung 106 zusammen addiert werden, wodurch an dem Ausgangsanschluß 108 die Spannung E_Q entsteht. Darauf hinzuweisen ist, daß es auch genügt hätte, zwei beliebige andere Signale, die zwei einander gegenüberliegenden Richtdiagrammen entsprechen, mit Koeffizienten von 1,0 zu addieren, um E_Q zu erhalten. Die in Figur 5 gezeigte Verwendung aller vier Signale wird jedoch vorgezogen, da sie mögliche Pegeländerungen durch Alterung der Bauteile usw besser kompensiert. Die erhaltenen Signale Ε_ς, E_s und E_Q haben eine solche Sinus-ZCosinus-bzw.ungerichtete Charakteristik, daß sie, wenn man sie dem Matrix- und. Kodiersystem nach Figur 2 zuführt, zusammengesetzte Tonsignale Ly und R^ ergeben, die die für ein SQ-Quadrophoniesystem geforderten Eigenschaften haben.

Selbstverständlich können auch andere Mikron-Kombinationen als die zuvor erläuterten zur Erzielung eines gleichen Ergebnisses verwendet werden. Beispielsweise müssen die zwei Diagramm-Paare, die in Figur 2 und 5 gezeigt sind, nicht notwendig unter 90° zu einander angeordnet sein, und es können geeignete Modifikationen der Koeffizienten in Figur 2 zur Berücksichtigung der Winkel-Veränderung angewandt werden. Auch müssen die Diagramme nach Figur 5 nicht notwendig der Gleichung 0,5+0,5cos9 (Kardioide) folgen, sondern können irgendein anderes Mitglied der Limacon-Familie sein, die durch die allgemeine Gleichung m + (Um) cosö mit 0^m<1 gegeben ist. Weitere mögliche Abwandlungen, mit denen das Erfindungsziel erreicht wird, dürften dem Fachmann nach Kenntnis der Er-

/11 809819/0836

findung zugänglich sein.

Obwohl insoweit das Konzept, eine Mikrofon-Anordnung und eine geeignete Kombinier-Schaltung zur Erzeugung von zwei quadrophonisch kodierten Tonsignalen zu verwenden,unter Bezugnahme auf das SQ-Quadrophoniesystem erläutert wurde, ist es auch zur Erzeugung zusammengesetzter kodierter Tonsignale mit anderen Eigenschaften, z.B. solcher Tonsignale geeignet, die im RM-Matrix-Quadrophoniesystem angewandt werden. Obwohl sich der RM-Kode (RM steht für "Reguläre Matrix") nicht in dem Maße wie der SQ-Kode durchgesetzt hat, wird er von manchen bevorzugt, so daß es erstrebenswert ist, daß auch den Benutzern dieses Kodes ein System zur Verfügung steht, das die Plazierung einer Mikrofon-Anordnung inmitten einer Schallquelle also so, daß der Schall von allen Seiten eintrifft, erlaubt.

Bevor eine quadrophonische Tonsignalquelle für diesen Zweck beschrieben wird, dürfte es sinnvoll sein, kurz das entsprechende Matrix-System zu erläutern. Zwar sind verschiedene Kodier-Matrix-Nctzwerke entwickelt worden, welche zwei Ausgangssignale erzeugen, die entsprechend dem RM-Kode kodiert sind und den Richtungs-Eingangssignalen von verschiedenen Signalquellen entsprechen. Jedoch reproduziert nach Kenntnis der Anmelderin keines dieser Systeme den RM-Kode in idealer Form. Deshalb sei dieser Kode unter Bezugnahme auf die Bewegung der Nadel eines Schal 1-platten-Schneidkopfes oder -Abtasters erläutert. Figur 6 zeigt die Stirnansicht eines Schallplatten-Schneidkopfes oder -Abtasters, wobei die Pfeile L und R Bewegungsrichtungen bezeichnen, die Signalen ausschließlich des linken Kanales bzw. ausschließlich des rechten Kanales entsprechen. Die Ruhestellung der Nadel liegt in der Mitte des Kreises und ist mit 0 bezeichnet. Im Falle eines Signales, das der "Mitte rechts" (CR)-Richtung entstammt, erfolgt beim RM-Kode die Nadelbewegung auf der Linie 0-k (von der angenommen sei, daß sie Einheitslänge habe); die Bewegung hat keine Komponente in Richtung der linken (L)-Achse 0-1. Deshalb erzeugt ein "Mitte rechts"-Signal ausschließlich im rechten R-Kanal ein Signal. In gleicher Weise erfolgt im Falle eines "Mitte links"(CL)-Signa-

/12 809819/0836

les die Bewegung nur entlang der Achse 0-1, welche ebenfalls Einheitslänge haben soll; es gibt keine Komponente entlang der rechten (R)-Achse. Deshalb erzeugt ein Signal, das von "Mitte links" stammt,ausschließlich ein linkes (L)-Signal mit einer Relativgröße von Einheitswert.

Ein "Mitte vorne" (CF)-Signal führt zu einer Nadel bewegung entlang der Achse 0-m; es hat zwei Komponenten 0-a und 0-b in Richtung der L- bzw. R-Achse. Da 0-m Einheitslänge hat, sind diese Komponenten, die unter einem Winkel von 45° relativ zur Achse 0-m stehen, jeweils 0,707 Einheitslängen (cos 45° · Einheitslänge ) lang .

Ein "links vome"(LF)-5ignal führt beim RM-Kode zu einer 22,5°-Modulation LF, welche ersichtlicherweise eine Komponente 0-c mit der Länge cos 22,5 = 0,92 für den linken Kanal und eine Komponente 0-d hat, die gegenüber LF um 62,5° verdreht ist und deshalb eine Länge von cos 62,5° = 0,38 hat. Deshalb führt ein normiertes LF-Signal beim Rtf-Kode zu einem Ausgang von 0,92 Einheiten im LT (links gesamt)-Kanal und von 0,38 Einheiten im rechten Kanal. Wenn man dem Kreis weiter folgt,lassen sich spezielle Modulationen in gleicher Weise identifizieren und ebenso die Paarungen der Signale Lj und Rj, die den verschiedenen Schalleinfallsrichtungen entsprechen. Die Signal-Paare, die acht Kardinal-Richtungen am Umfang des Kreises entsprechen, sind graphisch in Figur 7 dargestellt.

Zusammengesetzte Signale, deren Komponenten dem RM-Kode entsprechen, werden mit der Tonsignalquelle gemäß Figur 8 erhalten. Diese umfaßt ein Bündel bzw. eine Anordnung von vier Limacon-Mikrofonen, deren Limacon-Diagramme jeweils der Gleichung 0,414 + 0,586 cus0 folgen, wobei 0 die gegenüber der Richtung höchster Empfindlichkeit gemessene Winkel richtung ist. Die Mikrofone sind so angeordnet, daß ihre Richtungen größter Empfindlichkeit jeweils um 90 zu einander versetzt sind. Selbstverständlich sind bei der tatsächlichen körperlichen Verwirklichung die akustischen Zentren der vier Mikrofone vorzugsweise auf einer geiiieinsamen vertikalen Achse angeordnet und nicht, wi'p es in Figur 8 lediglich der Übersichtlichkeit halber dargestellt ist, von einander getrennt. Die relative Empfindlichkeit dieses Diagramms in acht räumlichen Richtungen wird durch Radiusvektoren innerhalb der Limacon-Diagramme angedeutet. Hierbei sei darauf hingewie-

809819/0836

27 A 90

sen, daß die Empfindlichkeit in der 135 -Richtung in Bezug auf die Richtung größter Empfindlichkeit jeweils 0 ist. Dies hat eine noch zu erläuternde Bedeutung.

Die Signale, welche den beiden "vorderen" Limacon-Diagrammen Ll und Rl entsprechen, werden jeweils einem AlIpaß-Phasenschieber-Net7werk 120 bzw. 122 zugeführt, von denen jedes eine übertragungscharakteristik 0 hat, die eine Funktion der frequenz ist. Die den Li macon-Diagrammen L2 und R2 entsprechenden Ausgangssignale werden jeweils einem Phasenschieber-Netzwerk 124 bzw. 126 zugeführt, die beide ebenfalls Allpaß-Verhalten haben, sich jedoch von den Netzwerken 120 und 122 insofern unterscheiden, als das Net7-werk 124 eine Phasenverschiebung erzeugt, die sich um 90° von der Phasenverschiebung des Netzwerkes 120 unterscheidet, und ferner insofern, als das Netzwerk 126 eine Phasenverschiebung erzeugt, die sich um -90 von der vom Netzwerk 122 hervorgerufenen Phasenverschiebung unterscheidet. Die phasenverschobenen Signale, die an den Ausgängen der Netzwerke 120 und erscheiren, werden mit einander zur Erzeugung eines zusammengesetzten oder "Gesamf'-Ausganges für den linken Kanal am Anschluß 128 zusammengesetzt, während die Ausgangssignale der Netzwerke 122 und 126 in gleicher Weise zur Erzeugung eines kodierten Signales für den rechten Kanal am Ausgangsanschluß 130 zusammengesetzt werden.

Es soll nun gezeigt werden, und zwar unter Bezugnahme auf die Figuren 8 und 9, daß die erläuterte Mi'-rofon-Anordnung in Verbindung mit den Phasenschieber-Netzwerken zusammengesetzte Signale L. und R_T liefert, die die Eigenschaften RM-kodierter Signale haben. Aus Figur 8 ist für den Fall eines "Mitte vorne" (CF)-Signales ersichtlich, daß die beiden "vorderen" Mikrofone Ll und Rl bei einem akustischen Signal von Einheitsstärke jeweils einen Ausgang von 0,828 Einheiten erzeugen und diese beiden Ausgängen gleichphasig sind, da die Mikrofone identisch sind. Dieses Ergebnis is"i: in Figur 9Λ mittels zweier Pfeile wiedergegeben, die in der Spalte Lj bzw. Rj gezeichnet und jeweils eine Länge von 0,828 Einheiten haben.

Für ein "rechts vorne" (RF)-Signal, das aus der +45°-Richtung einfällt, erzeugt das Mikrofon Ll ein Ausgangssignal von 0,414 Einheiten und das

8098 19/0836

27A9UI5

Mikrofon L2 ein Ausgangssignal von 0,72 Einheiten, wobei letzteres negativ ist. Wenn diese gleichphasigen bzw. um 90 phasenverschobenen Komponenten mittels der Phasenschieber-Netzwerke 120 und 124 kombiniert werden, wird ein Zeiger Ly mit einer relativen Länge von 0,450 erhalten. Die Kombination dieser Komponenten ist in Figur 9B dargestellt; da der Ausgang des Mikrofones L2 negativ ist, ist der Zeiger Lj als nacheilend gegenüber dem Ausgang des Mikrofones Ll gezeigt, und nicht als voreilend. Der Ausgang des Mikrofones Rl für ein "rechts vorne" (RF)-Signal ist 1,0, während der Ausgang des Mikrofones R2 eine relative Amplitude von 0,414 hat. Wenn diese Ausgänge in der in Figur 9B gezeigten Weise mit einander kombiniert werden, entsteht ein "Gesamf'-Ausgangssignal Rj, das eine Amplitude von 1,08 hat. Ersichtlicherweise sind diese Signale L-, und R-j. mit einander in Phase und haben die relativen Längen von 0,450 und 1,08. Mit Ausnahme der absoluten Längen entspricht dieses Signal-Paar dem in Figur 7 für die RF-Richtung dargestellten Signal-Paar.

Für eine Schalleinfallsrichtung von 90°, d.h. für ein Mitte-rechts-Signal (CR) sind die Ausgänge der Mikrofone Ll und L2 beide 0, während die Ausgangssignale der Mikrofone Rl und R2 jeweils eine relative Amplitude von 0,828 haben. Aufgrund der Wirkung der Phasenschieber-Netzwerke 126 und 122 werden diese Signale mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 90° kombiniert, was zu einem Gesamt-Tonsignal Rj führt, dessen relative Amplitude 1,17 beträgt und das in Figur 9C dargestellt ist. Wiederum stimmt das Signal-Paar mit Ausnahme der Größe des Signales Rj, mit den Signalen für die CR-Stellung nach Figur 7 überein.

Geht man in Umfangsrichtung des Kreises weiter und bestimmt die relativen Amplituden der von den vier Mikrofonen jeweils erzeugten Mikrofonsignale sowie kombiniert diese in den erläuterten Phasenschieber-Netzwerken, ergibt sich, wie es die Figuren 9D-9H einschließlich zeigen, daß die Ausgangsspannungen Lj und Rj für verschiedene Schallankunftsrichtungen die gleichen wie die in Figur 7 für die entsprechenden Richtungen gezeigten sind, mit Ausnahme eines Unterschiedes in der absoluten Größe. Letzteres ist jedoch nicht von Bedeutung: wenn man nämlich alle Werte der Lj- und

/15 809819/0836

2749ÜI5

p in Figur 9 durch den Faktor 1,17 dividiert, worden die relativen Ausgänge Ly und Rj bezüglich ihrer relativen Größe und ihrer Phasen identisch mit den in Figur 7 für entsprechende Ankunftsrichtungen gezeigten. Diese Teilung kann gewünschtenfalls durch eine geeignete Bedämpfung der Lj- und Rj-Signale hinter den Ausgangsanschlüssen 128 und 130 der Tonsignalquelle nach Figur 8 erreicht werden.

Die vier Limacon-Diagramme nach Figur 8 lassen sich nach einer geringfügigen internen Modifikation des erwähnten handelsüblichen Mikrofons der Firma Neumann GmbH erreichen. Alternativ können sie, dem Vorbild der Ausführungsformen nach Figur 2 und 5 folgend, durch eine modifizierte Matrix-Bildung erzielt werden, die dem Fachmann nach Kenntnis der Erfindung möglich sein dürfte.

Mit der erfindungsgemäßen quadrophonisehen Tonsignalquelle können also zusammengesetzte Tonsignale Lj und Rj erhalten werden, wie sie von vierkanaligen Matrix-Tonsystemen, namentlich dem SQ- und dem RM-System, verlangt werden. Hierzu umfaßt die erfindungsgemäße Tonsignalquelle eine einzige Mikrofon-Anordnung und geeignete Netzwerke zur Kombination der Mikrofonsignale von den Ausgängen der Mikrofone der Anordnung. Durch geeignete Wahl der Komponenten lassen sich mit gleichartigen Tonsignalquellen auch andere zusammengesetzte Tonsignale entsprechend einem bestimmten Kode erzeugen. Die erhaltenen Tonsignale sind zur unmittelbaren Aufzeichnung auf Magnetband oder Ansteuerung eines Schal IpIatten-Schneid-Kopfes nach dem SQ- oder dem RM-System geeignet. Die neue Tonsignalquelle erfüllt demnach die gleiche Funktion wie das übliche Mehrfach-Mikrofon- und Kodier-System zur SQ- oder RM-Aufzeichnung und Rundfunkübertragung.

809819/0836

Claims

Ansprüche

1. Quadrophonische Tonsignalquelle mit einer Mikrofon-Anordnung

und einem Matrixsystem, das auf zwei Kanaan zwei zusammengesetzte Tonsignale Ly und R,- führt, die jeweils bestimmte Amplitudenanteile von drei oder mehr, entsprechende akustische Signale im Ausm?ß deren Vorhandenseins wiedergebenden Richtungs-Eingangssignalen in bestimmten Phasenbeziehungen enthalten und mittels eines dem Matrixsystem angepaßten Dekodierers in drei oder mehr Ausgangssignale überführbar sind, von denen jedes eines der Richtungs-Eingangssignale als vorherrschende Hauptkompcnente enthält, gekennzeichnet durch eine Anordnung mehrerer, eng benachbart gehaltener Mikrofone mit Limacon-Richtcharakteristiken, die bei Aufstellung innerhalb eines Gchallfeides mehrere Mikronfonsignale erzeugen, deren relative Amplituden j?weils ein Maß für die Einfallsrichtung eines akustischen Signales relativ zu einer Referenzrichtung sind, und durch eine Schaltung mit mehreren Allpaß-Phasenschieber-Netzwerken, welche die Mikrofonsignale erhalten und diese mit bestimmter Amplituden- und Phasenbeziehung zur Erzeugung der beiden Tonsignale Ly und Rj miteinander kombinieren.

2. Tonsignalquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofon-Anordnung zwei GradiÄenmikrofone umfaßt, von denen ein erstes mit seiner Achse größter Empfindlichkeit in Referenzrichtung und ein zweites mit seiner Achse größter Empfindlichkeit in einer gegenüber der Referenzrichtung um einen Azimutwinkel von 90° gedrehten Richtung ausgerichtet ist und deren Mikrofonsignale sich hinsichtlich ihrer Amplitude mit dem Cosinus bzw. Sinus des Azimut-Einfallswinkels zwischen der Referenzrichtung und der EinfallsrichT tung eines akustischen Signales ändern, daß die Mikrofon-Anordnung ferner ein ungerichtetes Mikrofon umfaßt, dessen Mikrofonsignal hinsichtlich seiner Amplitude von der Einfallsrichtung des akustischen Signales unabhängig ist, und daß die Schaltung eine Einrichtung zur Kombination eines bestimmten Anteils des dritten Mikrofonsingales vom ungerichteten Mikrofon mit jeder von vier ausgewählten Kombinationen

809819/0836

2749ÜI5

aus bestimmten Anteilen des ersten und des zweiten Mikrofonsignales von den beiden Gradientenmikrofonen zur Erzeugung von vier Zwischensignalen umfaßt, von denen jedes einem bestimmten Limacon-Empfindlichkeitsdiagramm entspricht, das der Gleichung E=k+(l-k)cosO folgt und deren Richtungen größter Empfindlichkeit unter bestimmten verschiedenen Winkeln gegenüber der Referenzrichtung verlaufen.

3. Tonsignalquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofon-Anordnung eine Gruppe von vier Wandlern umfaßt, von denen jeder ein Limacon-Empfindlichkeitsdiagramm gemäß der Gleichung E = 0,5 + 0,5 cosO hat und deren Richtungen größter Empfindlichkeit gegeneinander um jeweils einen Azimutwinkel von ungefähr 90 verdreht sind, wobei die Richtung maximaler Empfindlichkeit eines ersten Wandlers mit der Referenzrichtung zusammenfällt und die relativen Amplituden der Mikrofonsignale der Wandler jeweils eine Funktion des Einfallswinkels zwischen der Referenzrichtung und der Einfallsrichtung eines akustischen Signales sind, daß die Schaltung eine Einrichtung zur Kombination der Mikrofonsignale von den beiden Wandlern, die auf der mit der Referenzrichtung zusammenfallenden Achse angeordnet sind, zu einem ersten Signal umfaßt, dessen Amplitude sich mit dem Cosinus des Einfallswinkels ändert, daß die Schaltung eine Einrichtung zur Kombination der Mikrofonsignale von den beiden Wandlern, die auf der gegenüber der Referenzrichtung um 90° gedrehten Achse angeordnet sind, zu einem zweiten Signal umfaßt, dessen Amplitude sich mit dem Sinus des Einfallswinkels ändert, daß die Schaltung eine Einrichtung zur Kombination ausgewählter Mikrofonsignale der vier Wandler zur Erzeugung eines dritten Signales umfaßt, dessen Amplitude unabhängig von der Einfallsrichtung eines akustischen Signales ist, und daß die Schaltung eine Einrichtung zur Kombination eines bestimmten Anteils des dritten Signales mit jeder von vier ausgewählten Kombinationen aus bestimmten Anteilen des ersten und zweiten Signales zur Erzeugung von vier Zwischensignalen umfaßt, von denen jedes einem bestimmten Limacon-Empfindlichkeitsdiagramm entspricht, deren Richtungen größter Empfindlichkeit unter bestimmten verschiedenen Winkeln gegenüber der Referenzrichtung verlaufen.

809819/083$

4. Tonsignalquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofon-Anordnung ein Bündel von vier Mikrofonen umfaßt, die jeweils ein Limacon-Enpfindlichkeitsdiagramm im wesentlichen entsprechend der Gleichung E = 0,414 + 0,586 cos0 haben, wobei |9 der Winkelabstand von der Richtung größter Empfindlichkeit ist und daß die Mikrofone mit ihren Richtungen größter Empfindlichkeit gegeneinander um jeweils einen Azimutwinkel von ungefähr 90° und gegenüber der Referenzrichtung um einen Winkel von ungefähr 45° verdreht sind, wobei die Mikrofonsignale der beiden unter -45 bzw. -135 gegenüber der Referenzrichtung ausgerichteten Mikrofone zwei erste Zwischensignale und die Mikrofonsignale der beiden anderen, unter +45° und +135° gegenüber der Referenzrichtung ausgerichteten Mikrofone zwei andere Zwischensignale darstellen.

5. Tonsignal quelle nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwei der Phasenschieber-Netzwerke umfassende Einrichtung zur relativen Verschiebung der Phase zweier erster Zwischensignale um einen bestimmten Phasenwinkel und zur Kombination der phasenverschobenen zwei ersten Zwischensignale zum Tonsignal Lj vorgesehen ist, und daß eine zwei weitere der Phasenschieber-Netzwerke umfassende Einrichtung zur relativen Verschiebung der Phase der zwei anderen Zwischensignale um einen bestimmten Phasenwinkel und zur Kombination der phasenverschobenen zwei anderen Zwischensignale zum Tonsignal Rj vorgesehen ist.

6. Tonsignalquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Phasenwinkel ungefähr 90° beträgt.

7. Tonsignalquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei ersten Zwischensignale Empfindlichkeitsdiagramme definieren, deren richtungen größter Empfindlichkeit mit der Referenzrichtung einen Winkel von ungefähr -65° bzw. ungefähr +165° einschließen, und daß die zwei anderen Zwischensignale Empfindlichkeitsdiagramme definieren, deren Richtung größter Empfindlichkeit mit der Referenzrichtung einen Winkel von ungefähr +65° bzw. ungefähr -165° einschließen.

809819/0836