DE2918831C2

DE2918831C2 - Schaltungsanordnung zum Anpassen eines raumbezogen stereophonen Programmsignals an einen freifeldentzerrten Kopfhörer

Info

Publication number: DE2918831C2
Application number: DE19792918831
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Institut fuer Rundfunktechnik GmbH
Current assignee: KRONESTER, WALTER, DIPL.-ING., 8000 MUENCHEN, DE
Priority date: 1979-05-10
Filing date: 1979-05-10
Publication date: 1982-09-30
Also published as: DE2918831A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS 07 623 und der Zeitschrift »Radio Fernseher Elektronik«, Bd. 28,1979, Heft 4 bekannt.

Unter einem freifeldentzerrten Kopfhörer versteht man im allgemeinen einen Kopfhörer, dessen Freifeld-Übertragungsmaß nach DlN 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 (Zeitschrift »Acustica«, Vol. 39,1978, Seiten bis 187). Bekannt ist auch die Möglichkeit, durch ein elektrisches Filter das Freifeldübertragungsmaß eines Kopfhörers zu verbessern. Für die folgenden Überlegungen wird ein solcher freifeldentzerrter Kopfhörer als verfügbar zugrundegelegt.

Das Programm-Material, das am häufigsten produziert und abgehört wird, besteht nicht aus monophonen, sondern aus stereophonen Aufnahmen. Es ist zugeschnitten auf eine Wiedergabe über zwei Lautsprecher einer Stereo-Standardaufstellung, nicht auf einen Lautsprecher genau vor dem Hörer. Daher ist es verständlich, daß dieses Programm-Material über handelsübliche Kopfhörer nur unter deutlichem Qualitätsveriust abgehört werden kann; und zwar auch dann,

ίο wenn dieser Kopfhörer nach DIN 45 619 freif'ldentzerrt ist Zur Verbesserung der Kopfhörerwiedergabe ist es bekannt (DE-OS 20 07 623, 22 44 162, 25 57 516 sowie Zeitschrift »Acustica«, VoL 29,1973, Seiten 273 bis 277), mittels spezieller Anpassungsschaltungen raumbe-

zogenstereophone Programmsignale an Kopfhörer anzupassen, um bezüglich einer stereophonen Lautsprecher-Aufstellung äquivalente oder genügend ähnliche Schallsignale an den Trommelfellen zu erzeugen. Der Übertragungsfaktor dieser Kopfhörer soll dabei außer

den Kopfhörereigenschaften auch noch das Außenrohr der jeweiligen Versuchsperson bis zum Trommelfell umfassen (DE-OS 22 44 162 und Zeitschrift »Acustica«), wobei jedoch die Verwirklichung dieses Ziels offengelassen ist Bei einer weiteren bekannten Schaltung (US-PS 41 43 244), die allerdings von einer Aufnahme mittels Kunstkopf und einer Wiedergabe mittels Kopfhörer ausgeht, ist eine individuelle Anpassung der Kopfhörersignale an <:en tatsächlichen Kopf des Hörers möglich, wobei die für die Individualanpassung wichti-

gen Merkmale der Ohrsignale gemessen und hieraus die richtige Einstellung der Individualanpassung errechnet werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art anzugeben, welche auf einfache Weise 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 prfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den Ünteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 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.

ίο Die bei der Ausiührungsform nach Anspruch 2 vorgesehene Reziprozität der Übertragungsfunktion der ersten und zweiten Übertragungsglieder ermöglicht einen sehr ähnlichen und damit kostengünstigen Aufbau der Übertragungsglieder 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

Flg. I ein Blockschaltbild einer erfindüngsgefnäßen Schaltungsanordnung,
F i g. 2 ein Diagramm für den Dämpfungsverlauf eines

in einem Querzweig der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 vorgesehenen Übertragungsgliedes,

Fig.3a und 3b elektrische Schaltbilder der in den Längs- und Querzweigen der Schaltungsanordnung

20

nach F i g. 1 vorgesehenen Übertragungsglieder,

F i g. 4 ein schematisches Schaltbild eines Versuchsaufbaus mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und

Fig.5a und 5b Zeitdiagramme für den Verlauf der Ohrsignale am zugewandten bzw. abgewandten Ohr der Versuchspersopn gemäß F i g. 4.

In F i g. 1 sind die verschiedenen Schaltungsblöcke mit Funktionsbeschriftungen versehen, welche im einzelnen folgendes bedeuten: ι ο

Δτ = Nachbildung der interauralen Laufzeitdifferenz für eine Schalleinfallsrichtung von 30°; sie beträgt beispielsweise etwa 250 \is;

A₃(I)= Nachbildung der frequenzabhängigen Dämpfung am abgewandten Ohr für eine Schalleinfallsrichtung von 30° bezogen auf frontalen Schalleinfall und

A₂(I)= Nachbildung der frequenzabhängigen Verstärkung am zugewandten Ohr für eine Schalleinfallsrichtung von 30° auf frontalen Schalleinfall.

Die in F i g. 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 Programmsignal, wie es beispielsweise durch Rundfunksendungen abgestrahlt wird, angelegt In jedem der Längszweige 11,21 befindet sich ein erstes _sq 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 12,22 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 Ausgangsklcnme 40. Die Ausgangsklemmen 30, 40 können mit einem nicht dargestellten, freifeldentzerrten Kopfhörer verbunden werden. Das Übertragungsglied 1 des Längszweiges 11 und das Übertragungsglied 2 des Querzweiges 22 sind über ein gemeinsames, nicht dargestelltes Bedienglied gleichsinnig verstellbar. Gleiches gilt fßr 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 verstehend definierten Übertragungsfunktionen AJf) und A.{[) der Übertragungsglieder 2 bzw. 1 sind vorzugsweise reziprok zueinander, d. h.:

Masse. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist einerseits mit dem Ausgang 202 des Übertragungsgliedes 2 verbunden und ist andererseits über eine ggf. variable Impedanz Z₂(f) auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP rückgekoppelt Die Übertragungsfunktion A„(f) des Übertragungsgliedes 2 lautet daher:

A (f\ -

55

AAJ) =

AAJ)

Infolge der vorgenannten inversen Beziehungen zwischen den Übertragungsfunktionen A/f) und AJf) lassen sich die Übertragungsglieder 1 und 2 sehr ähnlich aufbauen, wie beispielhaft anhand von F i g. 3a und 3b veranschaulicht ist Das in Fig.3a veranschaulichte Übertragungsglied 2 umfaßt einen Operationsverstärker OP, dessen invertierender Eingang über eine _b5 variable Impedanz Z\(f) mit dem Eingang 201 des Übertragungsgliedes I verbunden ist Der nichtinvertierende Eingang des Opervionsverstärkers OP liegt auf Das in Fig. 3 b dargestellte Übertragungsglied 1 ist ähnlich wie das Übertragungsglied gemäß Fig. 3a aufgebaut, jedoch sind die variablen Impedanzen Z1 (J) und Z₂(Z) vertauscht. Die Übertragungsfunktion A-(J) des Übertragungsgliedes 1 lautet daher:

AAf)

Z₁(J)

Wie man aus einem Vergleich der Fig.3a und 3b erkennt lassen sich sämtliche Übertragungsglieder der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 bis auf die erwähnte Vertauschung der Impedanzen Z\, Z₂ identisch verwirklichen, wodurch sich ein einfacher, kostengünstiger Aufbau der Schaltungsanordnung ergibt

Die Wahl der Impedanzen Z\, Z₂ ergibt sich aus dem Diagramm gemäß Fig.2, welches den Verlauf der Dämpfungsfunktion Aa(I) 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 F i g. 4 ist ein Versuchsaufbau unter Verwendung der mit 50 bezeichneten Schaltungsanordnung nach F i g. 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 Spannunesquelle 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 10s für das akustische und elektrische Signal, getrennt durch eine Pause von 5 s). Das gesendete Spektrum foil möglichst den Frequenzumfang des Hörbereichs (20 Hz bis 15 kHz) abdecken (z.B. Breitbandrauschen oder eine Folge von 10 kurze.- Impulsen mit einer Impulsdauer von etwa 25 us). 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 I V bei einem Innenwiderstand von 4 Ω. 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 durch einen mechanisch oder elektrisch einstellbaren Pegelsteller 605 auf die Empfindlichkeit des verwendeten Kopfhörers 70 eingestellt und durch einen Wahlschalter 606 auf den rechten oder linken Kanal 501 bzw. 502 des Kopfhörersystems 50, 70 geführt. Im Idealfall werden das akustische Signal (dargeboten unter 30° rechts) und das elektrische Signal (dargeboten über den rechten Eingangskanal 501 des Kopfhörersystems 50,70 einschließlich richtig angepaßter Schaltungsanordnung 50) /.u riutrieiriSiimmcMucü 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 Sondenmikrofone 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 in den Gehörgangen bei Impulsanregung auftretenden Signale haben etwas vereinfacht den in Fig. 5a, 5b dargestellten zeitlichen Verlauf. Für die vorgesehene Individualanpassung ist es nicht notwendig, die Zeitfunktionen in allen Einzelheiten zu messen. Es genügt, die Maxima a,-j, und a_t nach Amplitude und zeitlichem Auftreten genau zu erfassen. Die Zeitverschiebung r_m.,, zwischem den Maxima am zugewandten und abgewandten Ohr ergibt unmittelbar den interauralen Laufzeitunterschied At.

Das Auftreten eines betonten weiteren Maximums mit der Amplitude a\ ist die zeitliche Entsprechung des wellenförmigen Spektrums des Ohrsignals gemäß F i g. 2. Der zeitliche Abstand η vom ersten zum zweiten Maximum ist ein Maß für den Freqnen7?bstand der Resonanzfrequenzen, während die Amplitudenrelation a\ia_m2x ein Maß für die Welligkeit im Spektralbereich ist. Die Frequenzverstimmung-^'iäßt sich daher

aus den Meßwerten für Τ\ errechnen.

Die Meßeinheit 903 hat demnach folgende Funktion:

1. Sie mißt die Pegel der verschiedenen Spitzenamplituden a™,^. a·: j-, a_mat, a und a, „ z. B. auf 0,1 dB genau und die Zeitdifferenzen r_m„, T\j und t\j zwischen dem Auftreten der verschiedenen Spitzenampiituden z. B. auf 1 \is genau;

2. sie ist etwa 50 μ5 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

V_n,,, = 250 ± 50° s, η = 350 ± 50 μδ die Mehrfachausnützung eines 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 STARTi am Signalgeber 60;

3. sie errechnet die Stellgrößen durch Vergleich mit den sieben Medianwerten bei Kopfhörerbcschallung nach erfolgter Betätigung einer weiteren Drucktaste START2 am Signalgeber 60 gemäß

Al.

AL

A ι - A ι.,

Dabei bedeutet:

AL: der Pegelunterschied des elektrischen Signals, der für gleiche Schallpegel der Freifeld- und der Kopfhörerbeschallung erforderlich ist.

die Frequenzverstimmung der 1. und 2.

Übertragungsglieder, die für eine Angleichung der Übertragungsmaße beider Beschallungsarten erforderlich ist.

At: die Laufzeitverstellung der Verzögerungsglieder, die für eine Angleichung der interauralen Laufzeitunterschiede beider Beschallungsarten erforderlich ist.

a: Pegel einer Spitzenamplitude in den

Impulsantworten.

r: Zeitraum zwischen zwei Spitzenam^iitu-

den in den Impulsantworten.

Δ-. Unterschied zwischen Kopfhörer- und

Freifeldbeschallung

Index

z: am zugewandten Ohr
a: am abgewandten Ohr
max: bezogen auf das Hauptmaximum der

Impulsantworten

!: bezogen auf das erste Nebenmaximum der Impulsantworten

sie verstellt zlL,—^und Δτ nach einer Kopfhörerbe-

schallung, wobei nach der Freifeldbeschallung eine Grobeinstellung auf mittlere Werte und nach der Kopfhörerbeschaiiung eine Feineinstellung erfolgt;

5. sie vertauscht bei Änderung der Beschallungsrichtung (Ortswechsel des akustischen Signalgebers, Kanalwechsel des elektrischen Signalgebers) die MeOkanäle 905, 906 sowie die Stellkanäle 907 gegen 9OC und 909 gegen 910.

Mit Hilfe der beschriebenen Individualanpassung gestattet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, auf baulich einfache, kostengünstige Weise übliche ra ν "bezogen stereophone Programmsignale ohne Qualitätsverlust über freifeldentzerrte Kopfhörer abzuhören. Die hierfür geeigneten Kopfhöhrer sollen ein nach DIN 45 619 möglichst ebenes Freifeldübertragungsmaß besitzen, was praktisch für sämtliche marktgängigen Kopfhörer zutrifft. Darüber hinaus 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 erfolgen, das bezüglich der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 invers ist. Diese inverse Ausbildung läßt sich bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besonders leicht und exakt durchführen, da die Übertragungsglieder 1 und 2 einander reziprok sind. Durch Kettenschaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 und der dazu inversen Schaltungsanordnung lassen sich die Wirkungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vollständig wieder aufheben, wodurch die aufnahineseitige 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.

Hierzu 5 Blatt Zcichnuncen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Anpassen eines raumbezcgenen stereophonen Programmsignals an einen freifeldentzerrten Kopfhörer, bei der in Längszweigen eines linken und rechten Übertragungskanals jeweils ein erstes Übertragungsglied angeordnet ist, und bei der in Querzweigen, welche den linken mit dem rechten sowie den rechten mit dem linken Übertragungskanal additiv koppeln, jeweils ein Verzögerungsglied mit nachgeschaltetem zweiten Übertragungsglied angeordnet ist, wobei sämtliche übertragungsglieder der Quer- und Längszweige vor der additiven Kopplung der Längs- und Querzweige angeordnet sind, und wobei das erste Übertragungsglied die frequenzabhängige Verstärkung am zugewandten Ohr und das zweite Übertragungsglied die frequenzabhängige Dämpfung am abgewandten Ohr für eine SchalleinfaJlsrichtung von 3)" bezogen auf frontalen Schalleinfall nachbilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktionen des ersten und zweiten Übertragungsgliedes (1, 2) jedes der additiv miteinander gekoppelten Zweigpaare gleichsinnig einstellbar sind und daß die Laufzeit jedes Verzögerungsgliedes (3) für sich einstellbar ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion (Aj(O) der ersten Übertragungsglieder (1) umgekehrt proportional der Übertragungsfunktion (AJ(O) der zweiten Übertragungsglieder (2) ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten übertragungsglieder (1) einen Operationsverstärker (OP) aufweisen, dessen invertierender Eingang »nit einer ersten, variablen Impedanz (Z₁) beschaltet ist und dessen Ausgang über eine zweite, ggf. variable Impedanz (Z₂) auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt ist, und daß die zweiten Übertragungsglieder (2) ähnlich wie die ersten Übertragungsglieder (1), jedoch mit vertauschter erster und zweiter Impedanz (Z\, Z₂) aufgebaut sind.