DE2944851C2 - Anordnung zur Aufnahme stereophoner Tonsignale - Google Patents

Description

Die Zusatzerfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Anordnung ist Gegenstand des Hauptpatents 29 32 330, welches seinerseits die aus der Literaturstelle Rundfunktechnische Mitteilungen, Band 22 (1978), H. 1, S. 22 —27, bekannte kopfbezogene Mikrophonanordnung zum Ausgangspunkt hat.

Als kopfbezogene Mikrophonanordnung kommt grundsätzlich sowohl eine Anordnung entzerrter Sondenmikrophone in den Gehörgängen einer Versuchsperson als auch ein Kunstkopf in Frage. Eine Sondenmikrophonanordnung ist z. B. aus Radio Mentor Electronic 42 (1976), Heft 3. S. 97 bis 100 bekannt, ein Kunstkopf z. B. aus der US-Patentschrift 41 43 244. Mit Hilfe entzerrter Sondenmikrophone in den Gehörgängen einer Versuchsperson können, mit bestimmten Einschränkungen, recht genaue elektrische Entsprechungen natürlicher Ohrsignale gewonnen werden (vgl. Radio Mentor Electronic a. a. O.). Dies gilt sowohl für die Richtcharakteristik, die häufig in Form von richtungs- und frequenzabhängigen interauralen Amplituden- und Laufzeitunterschieden dargestellt wird, als auch für die Frequenzbewertung durch die kopfbez.ogene Mikrophonanordnung, die häufig als Freifeldübertragungsfunktion oder Außenohr-Übertragungsfunktion bezeichnet wird.

Zwar gelingt es auch mit Kunstköpfen — durch die Nachbildung der Geometrie von Hals. Kopf und Ohrmuscheln und durch die Ankopplung von Mikrophonen in den Gehörgängen — zwei Mikrophonsignale zu gewinnen, deren richtungsabhängige Unterschiede gut mit den richtungsabhängigen interauralen Unterschieden beim natürlichen Hören übereinstimmen; anders als bei einer Sondenmikrophonanordnung weicht jedoch die Frequenzbewertung bei Kunstköpfen von der Frc quenzbewertung durch das natürliche Außenohr ab. wie z. B. aus der US-Patentschrift 41 43 244 zu entnehmen ist.

Zur Wiedergabe der kopfbezogenen Stereosignale ist es allgemein bekannt, eine verzerrungsfreie Kopfhöreranordnung zu verwenden, d. h. einen elektrisch entzerrten Kopfhörer, der die wiederzugebenden elektrischen Signale ohne lineare Verzerrungen in den Gehörgang des Zuhörers überträgt. Eine solche verzcrrungsfieie Kopfhöreranordnung wird deshalb im allgemeinen als ideal für die kopfbezogene Stereophonie angesehen.

Im Falle der Aufnahme durch einen Kunstkopf ist es aus der US-Patentschrift 41 43 244 zusätzlich bekannt, bei der elektrischen Entzerrung der Wiedergabeseite den frontalen Unterschied der Frequenzbewertung zwischen dem Kunstkopf und dem natürlichen Gehör auszugleichen. Dadurch erhält der Zuhörer auch im Fall einer Kunstkopfaufnahme Ohrsignale mit seiner natürlichen Frequenzbewertung. Eine möglichst genaue Entzerrung hilft Übertragungsfehler zu vermeiden. Als Bedingung für eine genaue Gesamtentzerrung gilt, daß die Übertragungsfunktion der gesamten Übertragungsstrecke vom Kunstkopf bis zum Kopfhörer gleich der natürlichen Außenohr-Übertragungsfunktion sein muß. Das Einhalten dieser Bedingung garantiert die originalgetreue Reproduktion der Klangfarbe einer Schallquelle und — in Verbindung mit der guten Nachbildung der interauralen Unterschiede — die Lokalisation.

Diese summarische Bedingung läßt sich jedoch nicht ohne weiteres anwenden, wenn die an der Schnittstelle zwischen Aufnahme- und Wiedergabeseite vorhandenen kopfbezogenen Stereosignale auf üblichen stereophonen Kanälen (Rundfunk, Tonband, Schallplatte) übertragen werden sollen. Die Wiedergabe erfolgt dann räumlich oder zeitlich getrennt von der Aufnahme. Die genauen Eigeschaften der Aufnahme- und der Wiedergabeseite sind in der Regel auf der jeweils anderen Seite nicht bekannt, wie die folgende Betrachtung der obcnerwähnten kopfbezogenen Übertragungsanordnungen zeigt.

Bei der Übertragung mit Sondenmikiophoncn und verzerrungsfreiem Kopfhörer müßte zur Durchführung der Entzerrung zunächst die sogenannte Bezugsebenc im Gehörgang genau definiert werden, also diejenige Stelle im Gehörgang, an der aufnahmeseitig der Schalldruckverlauf entnommen wird und bis zu der wiedergabeseitig der Kopfhörer verzerrungsfrei ist. Bereits diese Definition wäre aufgrund der anatomischen Gegcbenheiten im Ohrkanal sehr schwierig und wurde daher bis jetzt nicht vorgenommen. Wenn sie trotzdem gelänge, müßte die Kopfhöreranordnung des Zuhörers auf der Wiedergabeseite mit Hilfe einer Sondenmikrophonmcssung so entzerrt werden, daß sie keine linearen Vcrzerrungen aufweist. Zu diesem Zweck müßte das Sondenmikrophon so in den Gehörgang eingeführt werden, daß die Mündung der Sonde in der definierten Bc/.ugscbcnc liegt, ohne jedoch die Schallausbreitung unter dem Kopfhörer zu stören. Aufnahmeseilig müßten die Sondenmikrophone in ähnlicher Weise an einer Versuchsperson angeordnet werden.

Trotz dieses aufwendigen Entzerrungsverfahrens ware die erforderliche Genauigkeit nicht gegeben, da beim

wiedergabeseitigen Zuhörer die Ohrsignale der aufnahmeseitigen Versuchsperson reproduziert würden. Es ist jedoch bekannt, daß die individuellen Streuungen dieser Außenohr-Übertragungseigenschaft beträchtlich, d. h. größer als die entsprechenden Wahrnehmungsschwellen des Gehörs sind. Die Frequenzbewertung der Ohrsignale des jeweiligen Zuhörers würde daher von seiner natürlichen Frequenzbewertung erheblich abweichen. Nur bei Identität von aufnahmeseitiger Versuchsperson und wiedergübeseitigem Zuhörer wäre durch diese Art der Entzerrung eine originalgetreue Reproduktion der Hörereignisse zu gewährleisten.

Diese Schwierigkeiten bei aufnahmeseitig und wiedergabeseitig unterschiedlichen Außenohr-Übertragungsfunktionen können umgangen werden, wenn die Entzerrung gemäß der US-Patentschrift 41 43 244 vorgenommen wird. Dort wird auf die erwähnte Gesamtbedingung zurückgegriffen, um so die Unterschiede zwischen dem Kunstkopf und dem Zuhörer auszugleichen. Zu diesem Zweck werden wiederum Sondenmikrophone in den Gehörgängen des Zuhörers angeordnet Anschließend wird der Zuhörer zweifach beschallt, zunächst direkt von einer frontalen Schallquelle und dann über den Kunstkopf, ein einstellbares Entzerrerfilter und den Kopfhörer. Die jeweils gemessenen Ohrsignale werden im Zeit- oder Frequenzbereich miteinander verglichen und das Filter wird dann so eingestellt, daß die Ohrsignale in beiden Beschallungsfällen gleich sind.

Auf diese Art können für jeden individuellen Zuhörer Ohrsignale mit der natürlichen Frequenzbewertung er zeugt werden. Jedoch wäre es zur praktischen Durchführung dieses Entzerrungsverfahrens notwendig, bei jedem Zuhörer auf der Wiedergabeseite den Kunstkopf zur Verfügung zu haben.

Die Entzerrung einer kopfbezogenen Übertragungsstrecke ist also nach dem Stand der Technik darauf angewiesen, daß die verwendete kopfbezogene Aufnahmeanordnung entweder dem Zuhörer von vorneherein in der Frequenzbewertung sehr ähnlich ist oder auf der Wiedergabeseite verfügbar ist.

Eine Möglichkeit, hier Abhilfe zu schaffen, ist im Hauptpatent dargestellt.

Gemäß dem Hauptpatent 29 32 330 wird als kopfbezogene Mikrophonanordnung ein Kunstkopf verwendet, dessen richtungsabhängige interaurale Übertragungsfunktionen weitgehend mit der natürlichen Richtcharakteristik übereinstimmen. Diesem Kunstkopf ist aufnahmeseitig ein Klangfilter nachgeschaltet, welches so dimensioniert ist, daß sein Frequenzgang die Außenohr-Übertragungsfunktion des verwendeten Kunstkopfs aufhebt. Das Klangfilter enthält eine Kettenschaltung von Brücken-T-Gliedern mit frequenzunabhängiger Eingangs- und Ausgangsimpedanz, deren Anzahl gleich der Anzahl der zu entzerrenden Maxima und Minima ist.

Zur Wiedergabe setzt die Anordnung nach dem Hauptpatent den in der Literaturstelle Rundfunktechnische Mitteilungen ebenfalls verwendeten frcifeldentzerrten Kopfhörer voraus. Die Freifeldentzerrung dieses Kopfhörers bezieht sich auf frontalen Schalleinfall, wie er in DIN 45 500 für die Entzerrung des Standardkopfhörers vorgesehen is'.. Es ist im Stand der Technik jedoch auch bekannt, daß die Entzerrung eines Kopfhörers nicht unbedingt auf frontalen Schalleinfall bezogen sein muß. So wurde beispielsweise laut »radio fernsehen clckironik«, Bd. 28 (1979), H. 5, S. 457 eine Entzerrung des Kopfhörers für 30° vorgeschlagen (also für den Winkel, unter dem üblicherweise die Wiedergabelautsprecher angeordnet sind).

Die Fig. 1 zeigt ein typisches Beispiel für das Freifeldübenragungsmaß G\([) eines Kopfhörers, der nicht für frontalen Schalleinfall freifeldentzerrt ist (ausgezogene Kurve). Es ist allgemein bekannt, daß die Frequenzbewertung des natürlichen Außenohrs ein ausgeprägtes Minimum bei etwa 8 bis 10 kHz aufweist, das für frontalen Schalleinfall charakteristisch ist. Da dieses typische Minimum bei anderen Schalleinfa'lsrichtungen fehlt, zeigen Vergleichsmessungen für nichtfrontalen Schalleinfall, bezogen auf frontalen Schalleinfall, stets eine entsprechende Pegelanhebung in diesem Bereich. Beispielsweise ist in dem Buch »Das Ohr als Nachrichtenempfänger« (2. Aufl., E. Zwicker und R. Feldtkeller, Stuttgart, 1967, S. 122) das Ergebnis einer Vergleichsmessung zwischen diffusem und frontalen Schalleinfall dargestellt, das eine entsprechende Höhenanhebung aufweist. Diese für nichtfrontalen Schalleinfal! charakteristische Höhenanhebung tritt im Freifeldübertragungsmaß Cf(O eines Kopfhörers, der nicht nach DfN 45 500 für frontalen Schalleinfall freifeldentzerrt ist, in analoger Weise auf.

Unter Umständen kann es also vorteilhaft sein, die raumbezogene Entzerrung des Kopfhörers auf einen anderen Schalleinfall zu beziehen als den frontalen gemäß DlN 45 500. Jedoch wird man zur meßtechnischen Kennzeichnung zweckmäßigerweise auch in diesem Fall das Freifeldübertragungsmaß Gr(f) eines Kopfhörers gemäß DIN 45 619 heranziehen, welches bei frontalem Schalleinfal! gemessen wird.

Die Aufgabe der Zusatzerfindung besteht darin, wie beim Hauptpatent die kopfbezogene Mikrophonanordnung ohne Sondenmikrophonmessungen an wiedergabeseitigen Zuhörern zu entzerren, d. h. insbesondere: die Entzerrung der Aufnahmeseite soll zeitlich und örtlich völlig getrennt von der Entzerrung der Wiedergabeseite erfolgen können. Im Gegensatz zum Hauptpatent soll sich aber die Entzerrung an der Schnittstelle zwischen Aufnahmeseite und Wiedergabeseite auf nichtfrontalen Schalleinfall beziehen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die Zusatzerfindung weist alle Vorteile auf, die auch der Erfindung nach dem Hauptpatent zu eigen sind.

Da die Bestimmung des aufnahmeseitig zu entzerrenden Kunstkopf-Übertragungsmaßes nach üblichen Mikrophon-Meßverfahren erfolgen kann (DIN 45 591) und da die Bestimmung des Freifeld-Übertragungsmaßes des wiedergabeseitig zu entzerrenden Kopfhörers nach dem üblichen Kopfhörermeßverfahren erfolgen kann (DIN 45 619), sind wie bei der Anordnung nach dem Hauptpatent sowohl für die aufnahmeseitige als auch für die wiedergabeseitige Entzerrung keine Messungen mit Sondenmikrophonen notwendig. Dennoch ist für jeden Zuhörer eine individuell genaue Entzerrung und Reproduktion der Hörerereignisse möglich, weil bei Bedarf der wiedergabeseitige Kopfhörer individuell genau entzerrt werden kann. Der Frequenzgang Gi{f), der den Unterschied zum Hauptpatent charakterisiert, kann außerdem durch einen Vergleich zweier Messungen des Außenrohr-Übertragungsmaßes des Kunstkopfs für frontalen und für nichtfrontalen Schalleinfall bestimmt werden, weil die Richtcharakteristik de? Kunstkopfs voraussetzungsgemäß mit der natürlichen Richtcharakteristik weitgehend übereinstimmt. Am einfachsten bestimmt man den Frequenzgang Gi{f)m\\ Hilfe eines Kunstkopfs nach dem Hauptpatent, der für frontalen Schalleinfall entzerrt ist. Gi{f)eve\b\ sich hirr-

bei durch eine einzige Messung am Kunstkopf, und zwar entweder eine Messung des nichtfrontalen Schalleinfalls oder des entsprechend entzerrten Kopfhörers, der dem Kunstkopf aufgesetzt wird. Die Kopfhörermessung am geeichten Kunstkopf stimmt im Rahmen der Meßgenauigkeit mit der Kopfhörermessung durch den subjektiven Lautheitsvergleich nach DIN 45 500 überein. Die erreichbare Meßgenauigkeit ist bei diesen Methoden nicht schlechter als wenn Gp(0durch Sondenmikrophonmessungen an Versuchspersonen bestimmt würde.

Ein besonderer Vorteil liegt darin, daß die Erfindung einen zweckmäßigen Weg für die Standardisierung der Aufnahmeseite weist, die in der kopfbezogenen Stereophonie noch ungelöst ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die innere Geometrie des Kunstkopfs (Gehörgang, Trommelfell, Art und Ankopplung des Schallwandlers), die im Gegensatz zur äußeren Geometrie von Hals, Kopf und Ohrmuscheln bekanntlich keinen Einfluß auf die Richtcharakteristik, sondern nur Einfluß auf die Frequenzbewertung hat, bei der konstruktiven Ausgestaltung abgestimmt werden kann auf die aufnahmeseitige elektrische Filterung, so daß entweder die innere Geometrie oder das Klangfilter vereinfacht werden können.

Vorteilhaft ist ferner, daß der Kunstkopf aufgrund der elektrischen Kompensation im gesamten Hörfrequenzbereich von etwa 40 Hz bis etwa 15 kHz genau entzerrt werden kann.

Die Erfindung hat auch den Vorteil, daß die gesamte kopfbezogene Übertragungsstrecke für die besonders kritische frontale Schalieinfallsrichtung besonders genau entzerrt werden kann, ohne das schwer meßbare und individuell stark streuende frontale Außenohr-Übertragungsmaß des Zuhörers auf der Wiedergabeseite explizit kennen zu müssen.

Dies geschieht dadurch, daß das individuell gemessene Freifeld-Übertragungsmaß des wiedergabeseitigen Kopfhörers sehr genau den vorgesehenen Frequenzgang Ch{f) aufweist und gleichzeitig die erfindungsgemäße elektrische Filterung sehr genau nach der Vorschrift des kennzeichnenden Teils realisiert wird.

Ein beachtlicher Vorteil ist auch, daß die erfindungsgemäß entzerrten Kunstkopfsignaie zur Übertragung über gebräuchliche stereophone Kanäle und zur Wiedergabe über Lautsprecher wesentlich besser geeignet sind als übliche, mit einer Frequenzbewertung behaftete Kunstkopfsignale. Damit wird die für eine breitere Anwendung des Verfahrens bedeutsame Kompatibilität zur konventionellen raumbezogenen Stereophonie verbessert. Der zusätzliche Vorteil gegenüber dem Hauptpatent besteht darin, daß die Kompatibilität zur raumbezogenen Stereophonie weiter verbessert werden kann, weil der Raumbezug der Signale an der Schnittstelle besser an den nichtfromalen Schaileinfall zweier Stereoiautsprecher angepaßt werden kann. Im Prinzip ist die erfindungsgemäße Entzerrung auf jede dem Fachmann bekannte Lautsprecherbeschallung anwendbar.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Frequenzgänge eines nicht für frontalen Schalleinfall freifeldentzerrten Kopfhörers (mit ausgezogener Linie gezeichnete Kurve) sowie eines nach DIN 45 500 freifcldenl/crrten Kopfhörers (mil gcsirichelter Linie gezeichnete Kurvu):

F i g. 2 die Frequenzgänge der Summe AL(f) aus den Freifeldübertragungsmaßen JLk(O eines bekannten KuiiStkopfes für frontalen Schalleinfall und des in F i g. 1 zugrundegelegten Kopfhörers mit frequenzabhängigem Freifeldübertragungsmaß (mit ausgezogener Linie gezeichnete Kurve) sowie des Übertragungsmaßes ALi(Q der erfindungsgemäß vorgesehenen Filteranordnung (mit gestrichelter Linie gezeichnete Kurve), und

F i g. 3 ein elektrisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäß vorgesehenen Filtcranordnung.

ίο In Fig. 1 sind zur Veranschaulichung die unterschiedlichen Frequenzgänge von Kopfhörern mit frequenzabhängigem und frequenzunabhängigem Freifeldübertragungsmaß dargestellt. Wie man hieraus erkennt, zeigt der mit durchgezogener Kurve angedeulete Kopfhörer mit frequenzabhängigem Freifeldübertragungsmaß gegenüber dem mit gestrichelter Kurve angedeuteten Kopfhörer mit frequenzunabhängigem Freifeidübertragungsmaß eine Höhenanhebung bei einer Frequenz von ca. 10 kHz. Die Summe aus diesem Frequenzgang und dem Frequenzgang eines Kunstkopfes des Typs KU 80 der Firma Neumann GmbH, Berlin, ergibt den in Fig. 2 mit ausgezogener Linie dargestellten Frequenzgang. Die der Zusatzerfindung zugrunde liegende Überlegung besteht darin, diese Frequenzgangsumme von Kunstkopf und Kopfhörer gegenläufig mit Hilfe einer Filteranordnung zu kompensieren, wie in F i g. 2 mit der gestrichelt eingezeichneten Kurve angedeutet ist. Die Überschwinger der ausgezogenen Kurve sind zur Erläuterung des Erfindungsgedankens vernachlässigbar.

Die in F i g. 3 anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellte Filteranordnung besteht aus der Kettenschaltung eines Bandpasses 10 und zweier Bandsperren 20, 30, wobei die Schaltungsbestandteile 10,20 und 30 durch senkrechte gestrichelte Linien voneinander getrennt sind. Der Bandpaß 10 und die Bandsperren 20,30 sind in Form von Brücken-T-Gliedern ausgebildet. Der Querzweig des Bandpasses 10 umfaßt einen Parallelschwingkreis mit einer Induktivität L\, einer Kapazität C und einem ohmschen Widerstand R], ferner einen Serienwiderstand Ri. Der Brückenzweig des Bandpasses 10 umfaßt einen Serienschwingkreis mit einer Induktivität Li, einer Kapazität Ci und einem ohmschen Widerstand R„ ferner einen Paraiieiwiderstand «4. Der Längszweig des Bandpasses 10 umfaßt zwei ohmsche Widerstände R. Dies gilt in gleicher Weise auch für die Längszweige der beiden Bandsperren 20 und 30.

Bei der ersten Bandsperre 20 umfaßt der Querzweig einen Serienschwingkreis mit einer Induktivität L^ einer Kapazität Cs und einem ohmschen Widerstand R^. Der Brückenzweig der Bandsperre 20 umfaßt einen Parallelschwingkreis mit einer Induktivität Lt. einer Kapazität Cb und einem ohmschen Widerstand R_b.

Bei der zweiten Bandsperre 30 umfaßt der Querzweig einen Serienschwingkreis mit einer Induktivität L₇, einer Kapazität C- und einem ohmschen Widerstand R₇. Der Brückenzweig der Bandsperre 30 umfaßt einen Parallelschwingkreis mit einer Induktivität L₈, einer Kapazität Cs und einem ohmschen Widerstand Rh-

Dem Eingang 11 der Filteranordnung nach F i g. i ist zur Impedanzanpassung ein ohmscher Widerstand Ri₁ vorgeschaltet.

Aufgrund der ausschließlichen Verwendung passiver Bauelemente zeigt die Filtcranordnung nach F i g. 3 kein

h") Eigcnriiuschcn.

Die Wirkungsweise der Filteranordnung nach I· i g. i ist am besten aus dem Frequenzgang gemäß F i g. 2 (gestrichelt eingezeichnete Kurve) ersichtlich. Der Biind-

palt 10 bewirkt die Anhebung des Frequenzgangs bei 10 kHz, während die Bandsperren 20,30 die Absenkungen bei 1,4 kHz bzw.4,2 kHz bewirken.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

10

15

30

35

-(O

45

50

55

60

65

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Aufnahme stereophoner Tonsignale, die zur Tonübertragung auf üblichen stereophonen Kanälen und zur anschließenden Wiedergabe über einen Kopfhörer vorgesehen sind, der die gleiche Übertragungsfunktion wie das äußere menschliche Ohr aufweist, mit einem Kunstkopf, dessen richtungsabhängige interaurale Übertragungsfunktionen weitgehend mit der natürlichen Richtcharakteristik übereinstimmen, und nut einem aufnahmeseitigen Kiangfilter für die Kunstkopfsignale, dessen Frequenzgang invers zur Außenohr-Übertragungsfunktion des verwendeten Kunstkopfs ist und das eine Kettenschaltung von Brück^n-T-Gliedern mit frequenzunabhängiger Eingangs- und Ausgangsimpedanz enthält, deren Anzahl gleich der Anzahl der zu entzerrenden Maxima und Minima ist, nach Patent 29 32 330, dadurch gekennzeichnet, daß der wiedergabeseitig vorgesehene Kopfhörer nicht für frontalen Schalleinfall entzerrt ist also ein frequenzabhängiges Freifeld-Übertragungsmaß (Gf(F)) aufweist und daß der Frequenzgang {ALt{f)) des Klangfilters (10, 20, 30) invers zur Frequenzgangsumme (AL(f)) des frontalen Außenohr-Übertragungsmaßes (ALk(O) des verwendeten Kunstkopfs und des Freifeld-Übertragungsmaßes (Gift)) des vorgesehenen Kopfhörers dimensioniert ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücken-T-Glieder des Klangfilters einen Bandpaß (10), eine erste Bandsperre (20) und eine zweite Bandsperre (30) darstellen.