-
SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM ANPASSEN EINES RAUMBEZOGEN
-
STEREOPHONEN PROGRAMMSIGNALS AN EINEN FREIFELDENT-ZERRTEN KOPFHÖRER.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus den DE-OSn
20 07 623, 22 44 162 und 25 57 516 bekannt.
-
Unter einem freifeldentzerrten Kopfhörer versteht man im allgemeinen
einen Kopfhörer, dessen Freifeldübertragungsmaß nach DIN 45 619 möglichst eben ist.
Mit solchen Kopfhörern gelingt es, bei einer mittleren Person dieselben Schallsignale
an den Trommelfellen zu erzeugen wie bei der Beschallung durch einen idealen Lautsprecher,
der einige Meter vor der Person in reflektionsarmer Umgebung steht. Die im Handel
erhältlichen Kopfhörer streben in der Regel diese Eigenschaft an und erreichen sie
auch mehr oder weniger gut (vgl. Fastl und Fleischer 1978). Bekannt ist auch die
Möglichkeit, durch ein elektrisches Filter das Freifeldübertragungsmaß eines Kopfhörers
zu verbessern. Für die folgenden Oberlegungen wird ein solcher freifeldentzerrter
Kopfhörer als verfügbar zugrundegel egt.
-
Das Programm-Material, das am häufigsten produ;iert und abgehört wird,
besteht nicht aus monophonen, sondern aus stereophonen Aufnahmen. Es ist zugeschnitten
auf eine Wiederyabe über zwei Lautsprecher eine Stereo-Standardaufstellung, nicht
auf einen Lautsprecher genau vor dem Hörer.
-
Daher ist es verständlich, daß dieses Programm-Material über handelsübliche
Kopfhörer nur unter deutlichem Qualitätsverlust abgehört werden kann; und zwar auch
dann, wenn dieser Kopfhörer nach DIN 45 619 freifeldentzerrt ist. Zur Verbesserung
der Kopfhörerwiedergabe ist es bekannt (DE-OSn 20 07 623, 22 44 162, 25 57 516),
mittels spezieller Anpassungschaltungen raumbezogen stereophone Programisignale
an Kopfhörer anzupassen, um bezüglich einer stereophonen Lautsprecher-Aufstellung
äquivalente oder genügend ähnliche Schallsignale an den Trommelfellen zu erzeugen.
Diese bekannten Anpassunqsschaltungen sind jedoch verhältnismäß aufwendig und an
die individuellen Eigenschaften des jeweiligen Benutzers nicht anpaßbar.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, eine Schaltungsanordnung
der eingangs erwähnten Art anzugeben, welche bei vergleichbarer Funktion einfacher
ausgebildet ist und an die individuellen Eigenschaften des jeweiligen Benutzers
angepaßt werden kann.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind sämtliche über
tragungs- und Verzögerungsglieder vor den additiven Koppelpunkten angeordnet, wodurch
sich ein einfacher Aufbau der übertragungsglieder ohne Beeinflussung der angestrebten
Gesamtfunktion der Schaltungsanordnung ergibt. Ferner kann mit Hilfe von vier Bedienelementen
eine Anpassung des mittels Kopfhörer abgehörten stereophonen Programmsignals an
die individuellen Eigenschaften des Benutzers vorgenommen werden, wodurch sich bei
handelsüblichen Kopfhörern eine wesentlich verbesserte stereophone Tonwiedergabe
erzielen läßt. Die bei der Ausführungsform nach Anspruch 2 vorgesehene Reziprozität
der Ubertragungsfunktion der ersten und zweiten Dbertragungsglieder ermöglicht einen
sehr ähnlichen und damit kostengünstigen Aufbau der Ubertragungsglieder sowie eine
Kompatibilität mit bereits eingeführten freifeldentzerrten Kopfhörern. Dabei bleibt
auch dann, wenn das Freifeldübertragungsmaß eines verwendeten Kopfhörers nicht eben
ist, die Anpassungsfunktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung im wesentlichen
erhalten.
-
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Fig.
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Fig. 2 ein Diagramm
für den Dämpfungsverlauf eines in einem Querzweig der Schaltungsanordnung nach Fig.
1 vorgesehenen Obertragungsgl iedes, Fign. 3d elektrische Schaltbilder der in den
Längs- und Querzwei-und 3b gen der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 vorgesehenen
Obertragungsgl ieder, Fig. 4 ein schematisches Schaltbild eines Versuchsaufbaus
mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und Fign. 5a Zeitdiagramme für den
Verlauf der Ohrsignale am zugewandten und 5b bzw. abgewandten Ohr der Versuchsperson
gemäß Fig. 4.
-
In Fig. 1 sind die verschiedenen Schaltungsblöcke mit Funktionsbeschriftungen
versehen, welche im einzelnen folgendes bedeuten:
= Nachbildung
der interauralen Laufzeitdifferenz für eine Schalleinfallsrichtung von 30°; sie
beträgt beispielsweise etwa 250 ps; Aa (f) = Nachbildung der frequenzabhängigen
Dämpfung am abgewandten Ohr für eine Schalleinfallsrichtung von 30° bezogen auf
frontalen Schalleinfall, und Az (f) = Nachbildung der frequenzabhängigen Verstärkung
am zugewandten Ohr für eine Schalleinfallsrichtung von 30° auf frontalen Schalleinfall.
-
Die in Fig. 1 in Form eines Blockschaltbildes veranschaulichte erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung umfaßt zwei Längszweige 11, 21, die mit einer Eingangsklemme
10 bzw. 20 verbunden sind. An diesen Eingangsklemmen 10, 20 wird ein raumbezogen
stereophones Programnisignal, wie es beispielsweise d'irch Rundfunksendungen abgestrahlt
wird, angelegt.
-
In jedem der Längszweige 11, 21 befindet sich ein erstes einstellbares
übertragungsglied 1, dessen Ausgang zu einem Addierglied 13 bzw. 23 führt. Das Addierglied
13 ist ferner über einen Querzweig 22 mit der Eingangsklemme 20 verbunden, während
das Addierglied 23 ferner über einen Querzweig 12 mit der Eingangsklemme 10 verbunden
ist. Jeder Querzweig T2, 22 besteht aus einem Verzögerungsglied. 3 mit nachgeschaltetem
einstellbaren
übertragungsglied 2. Der Ausgang des Addiergliedes 13 führt zu einer Ausgangsklemme
30 und der Ausgang des Addiergliedes 23 führt zu einer Ausgangsklemme 40. Die Ausgangsklemmen
30, 40 können mit einem nicht dargestellten, freifeldentzerrten Kopfhörer verbunden
werden. Das Obertragungsglied 1 des Längszweiges 11 und das übertragungsglied 2
des Querzweiges 22 sind über ein gemeinsames, nicht dargestelltes Bedienglied gleichsinnig
verstellbar. Gleiches gilt für die übertragungsglieder 1 und 2 des Längszweiges
21 und des Querzweiges 12. Die Verzögerungsglieder 3 der Querzweige 12, 22 sind
über gesonderte nicht dargestellte Bedienelemente getrennt voneinander einstellbar.
-
Die vorstehend definierten Obertragungsfunktionen Aa (f) und Az(f)
der Obertragungsglieder 2 bzw. 1 sind vorzugsweise reziprok zueinander,
Infolge der vorgenannten inversen Beziehungen zwischen den übertragungsfunktionen
Aatf) und A (fr lassen sich die Obertragungsglieder t und 2 -sehr ähnlich aufbauen,
wie beispielhaft anhand von Fign 3a-und 3b veranschaulacSt ist Das in Figßa veranschauliche
0bertragungsglied 2 usfagt einen Operationsverstärker- OP, dessen (-)- Eingang
über
eine variable Impedanz Zl(f) mit dem Eingang 201 des Obertragungsgliedes 2 verbunden
ist. Der (+)-Eingang des Operationsverstärkers OP liegt auf Masse. Der Ausgang des
Operationsverstärkers OP ist einerseits mit dem Ausgang 202 des übertragungsgliedes
2 verbunden und ist Impedanz andererseits über eine ggf. variable/Z2(f) auf den
(-)-Eingang des Operationsverstärkers OP rückgekoppelt. Die Übertragungsfunktion
Aa(f) des übertragungsgliedes 2 lautet daher:
Das in Fig. 3b dargestellte übertragungsglied 1 ist ähnlich wie das Obertragungsglied
gemäß Fig. 3a aufgebaut, jedoch sind die variablen Impedanzen Zl(f) und Z2(f) vertauscht.
Die übertragungsfunktion Az (f) des Obertragungsgliedes 1 lautet daher:
Wie man aus einem Vergleich der Fign. 3a und 3b erkennt, lassen sich sämtliche Obertragungsglieder
der Schaltungsanordnung-gemäß Fig. 1 bis auf die erwähnte Vertauschung der Impedanzen
Z1,Z2 identisch erwirklichen, wodurch sich ein einfacher, kostengünstiger Aufbau
der Schaltungsanordnung ergibt.
-
Die Wahl der Impedanzen Z1, Z2 ergibt sich aus dem Diagramm gemäß
Fig. 2, welches den Verlauf der Dämpfungsfunktion Aa (f) darstellt.
-
Wie man hieraus erkennt, werden höhere Frequenzen stärker gedämpft
als tiefere Frequenzen. Diese Übertragungsfunktion kann beispielsweise mit Hilfe
mehrstufiger Resonanzschaltungen realisiert werden, auf die hier nicht im einzelnen
eingegangen zu werden braucht.
-
In Fig. 4 ist ein Versuchsaufbau unter Verwendung der mit 50 bezeichneten
Schaltungsanordnung nach Fig. 1 dargestellt. Der Versuchsaufbau enthält ferner einen
Signalgeber 60, einen freifeldentzerrten Kopfhörer 70, eine Versuchsperson 80 und
eine automatische Meß-und Regeleinrichtung 90.
-
Der Signalgeber 60 dient dazu, um in einfacher Weise akustische und
elektrische Signale bereitzustellen, mit deren Hilfe ein gegebenes Kopfhörersystem
50, 70 bei einer bestimmten Versuchsperson 80 auf dessen Freifeldentzerrung hin
überprüft werden kann. Die automatische Meß- und Regeleinrichtung 90 hat den Sinn,
in möglichst einfacher Weise die für die Individualanpassung wichtigen Merkmale
der Ohrsignale zu messen, die richtige Einstellung der Individualanpassung zu berechnen
und automatisch zu bewerkstelligen.-Der Signalgeber 60 enthält eine Schallquelle
601 und eine Spannungsquelle 602, die akustische bzw. elektrische Signale mit übereinstimmenden
Spektren abgeben.
-
Diese Signale können manuell einzeln ausgelöst werden oder nach einem
bestimmten Zeitmuster im Wechsel gesendet werden (z.B. jeweils 10 s für das akustische
und elektrische Signal, getrennt durch eine Pause von 5 s). Das gesendete Spektrum
soll möglichst den Frequenzumfang des Hörbereichs (20 Hz bis 15 kHz) abdecken (z.B.
Breitbandrauschen oder eine Folge von 10 kurzen Impulsen mit einer Impulsdauer von
etwa 25 µs).
-
Für das akustische Signal ist ein Schallpegel von etwa 70 dB in 3
m Entfernung (reflektionsarmer Umgebung) geeignet, für das elektrische Signal ein
Effektivwert von etwa 1 V bei einem Innenwiderstand von 4R.
-
Die Realisierung der Schallquelle 601 kann elektroakustisch (eingebauter
Lautsprecher oder elektrischer Ausgang für externen Lautsprecher), rein mechanisch
(z.B. Hammerwerk) oder durch eine Funkenstrecke erfolgen.
-
Die Spannungsquelle 602 enthält einen Impuls- oder Rauschgenerator
603, dessen Ausgangssignal durch ein Formfilter 604 auf die gleiche spektrale Hüllkurve
wie das akustische Signal gebracht wird. Das so geformte elektrische Signal wird
lurch einen mechanisch oder elektrisch einstellbaren Pegelsteller 605 auf die Empfinj\lichkeit
des verwendeten Kopfhörers 70 eingestellt und durch einen Wahl schalter 606 auf
den rechten oder linken Kanal 50t bzw. 5R2 des Kopfhörersystems CO, 70 geführt.
Im Idealfall werden das akustische Signal (dargeboten unter 30" rechts} und das
elektrisehe Signal tdargeboten- über -den rechten Eingangs kanal 50f des Kopfhärersystems
50,
70 einschließlich richtig angepaßter Schaltungsanordnung 50 zu übereinstimmenden
Ohrsignalen führen. Entsprechendes gilt für die Schalleinfallsrichtung 30° links
und den linken Eingangskanal 502. Die automatische Meß- und Regeleinrichtung 90
enthält zwei Sondenmikrofone 901, 902, eine Meßeinheit 903 und einen Mikroprozessor
904. Die Sondermikrofone 901, 902 werden an beiden Ohren der Versuchsperson 80 so
angebracht, daß die Schlauchmündung etwa 3 mm in den Gehörgang ragt und die Lage
der Sonde durch das Aufsetzen des Kopfhörers 70 nicht verändert wird.
-
Die Funktion der Meß- und Regeleinrichtung 90 kann sehr verschieden
ausgestaltet sein, je nachdem, ob Breitbandrauschen oder Impulse als Reizsignale
verwendet werden oder ob die Analyse der Ohrsignale im Zeitbereich oder im Frequenzbereich
erfolgt. Der hier beschriebene Versuchsaufbau analysiert Impulsantworten im Zeitbereich.
Die ir den Gehörgängen bei Impulsanregung auftretenden Signale haben etwas vereinfacht
den in Fig. 5a, 5b dargestellten zeitlichen Verlauf. Für die vorgesehene Individualanpassung
ist es nicht notwendig, die Zeitfunktioren in allen Einzelheiten zu messen. Es genügt,
die Maxima amax und al nach Amplitude und zeitlichem Auftreten genau zu erfassen.
Die Zeitverschiebung tmax zwischem den Maxima am zugewandten und abgewandten Ohr
ergibt unmittelbar den interauralen Laufzeitunterschied ar.
-
Das Auftreten eines betonten weiteren Maximums mit der Amplitude al
ist die zeitliche Entsprechung des wellenföniigen Sepktrums des Ohrsignals gemäß
Fig. 2. Der zeitliche Abstand < vom ersten zum zweiten Maximum ist ein Maß für
den Frequenzabstand der Resonanzfrequenzen, während die Amplitudenrelation al/alax
ein Mab für die Welligkeit im #f Spektralbereich ist. Die Frequenzverstimmung f
läßt sich daher aus den Meßwerten für #1 errechnen.
-
Die Meßeinheit 903 hat demnach folgende Funktion: 1. Sie mißt die
Pegel der verschiedenen Spitzenamplituden amax,z' a1,zu amax, a und a1,a z . B.
auf 0,1 dB genau und die Zeitdifferenzen #max, #1,z und #1, a zwischen dem Auftreten
der verschiedenen Spitzenamplituden z.B. auf 1 us genau; 2. sie ist etwa 50 Ps nach
dem Hauptmaximum wieder meßbereit für das zweithöchste Maximum und enthält eine
Schwelle gegen Nebenmaxima und Störungen; 3. sie mißt in beiden Kanälen 905, 906
entweder getrennt und parallel oder im Zeitmultiplex seriell, wobei die zeitlichen
Verhältnisse = = 250 + 50 Os, #1 = 350 + 50 s die Mehrfachausnützung eines max 1
einzigen nicht dargestellten Spitzenspannungsmessers erlauben.
-
Die Steuereinheit 904 errechnet aus den Meßwerten a und r für Freifeld-
und Kopfhörerbeschallung die Stellgrößen für die vier Bedienelemente der Schaltungsanordnung
50. Im einzelnen führt sie folgende Funktionen aus: 1. Sie errechnet pro Beschallungsfall
aus beispielsweise 10 Impulsmessungen die sieben Medianwerte; 2. sie speichert diese
sieben Medianwerte (drei vom zugewandten Ohr, vier vom abgewandten Ohr) für Freifeldbeschallung
nach erfolgter Betätigung einer Drucktaste START 1 am Signalgeber 60; 3. sie errechnet
die Stellgrößen durch Vergleich mit den sieben Medianwerten bei Kopfhörerbeschallung
nach erfolgter Betätigung einer weiteren Drucktaste START 2 am Signalgeber 60 gemäß
folgender mathematischer Beziehungen:
Dabei bedeutet:
#L : der Pegel unterschied des elektrischen Signals,
der für gleiche Schall pegel der Freifeld- und der Kopfhörerbeschallung erforderlich
ist.
-
die Frequenzverstimmung der 1. und 2. übertragungsglieder , f die
für eine Angleichung der Obertragungsmaße beider Beschallungsarten erforderlich
ist.
-
## : : die Laufzeitverstellung der Verzögerungsglieder, die für eine
Angleichung der interaural en Laufzei tunterschiede beider Beschallungsarten erforderlich
ist.
-
a : Pegel einer Spitzenamplitude in den Impulsantworten.
-
Zeitraum zwischen zwei Spitzenamplituden in den Inpulsantworten.
-
Unterschied zwischen Kopfhörer- und Freifeldbeschallung Index z :
am zugewandten Ohr a : am abgewandten Ohr max : bezogen auf das Hauptmaximum der
Impulsantworten " 1 : bezogen auf das erste Nebenmaximum der Impulsantworten
4.
sie verstellt #L, #f und ## nach einer kopfhörerbeschallung, wobei f nach der Freifeldbeschallung
eine Grobeinstellung auf mittlere Werte und nach der Kopfhörerbeschallung eine Feineinstellung
erfolgt; 5. sie vertauscht bei Anderung der Beschallungsrichtung (Ortswechsel des
akustischen Signalgebers, Kanalwechsel des elektrischen Signalgebers) die Meßkanäle
905, 906 sowie die Stellkanäle 907 gegen 908 und 909 gegen 910.
-
Mit Hilfe der beschriebenen Individualanpassung gestattet die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung, auf baulich einfache, kostengünstige Weise übliche raumbezogen
stereophone Programmsignale ohne Qualitätsverlust über freifeldentzerrte Kopfhörerabzuhören.
Die hierfür geeigneten Kopfhörer sollen ein nach DIN 45 619 möglichst ebenes Freifeldübertragungsmaß
besitzen, was praktisch für sämtliche marktgängigen Kopfhörer zutrifft. Darüberhinaus
können über dieselbe Wiedergabeanordnung auch solche kopfbezogen stereophone Programmsignale
abgehört werden, die aus Gründen der Kompatibilität in raumbezogen stereophone Signale
umgewandelt werden. Diese Umwandlung kann zweckmäßigerweise durch ein Netzwerk erfalgen-
das bezüglich der Schaltungsanordnung gemäß Fig 1 invers ist Diese inverse Ausbildung
läßt sich bei der erfindungsgemäßen Cchaltungsanordnung besonders leicht und exakt
durchführen, da die Obertragungsglieder t und 2 einander reziprok sind Durch Kettenschaltung
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 und der dazu inversen Schaitungsanordnung
lassen sich die Wirkungen der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
vollständig wieder aufheben, wodurch die aufnahmeseitige Umwandlung von kopfbezogen
stereophonen Signalen in raumbezogen stereophone Signale vollständig rückgängig
gemacht wird und damit die gewohnte kopfbezogene Stereophonie von der erfolgten
Umwandlung nicht beeinträchtigt wird.
-
Leerseite