DE3001007C2

DE3001007C2 - Einrichtung zum Aufnehmen stereophoner Signale

Info

Publication number: DE3001007C2
Application number: DE19803001007
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. 8000 München Oelmann
Original assignee: Kronester Walter Dipl Ing 8000 Muenchen
Current assignee: KRONESTER, WALTER, DIPL.-ING., 8000 MUENCHEN, DE
Priority date: 1980-01-12
Filing date: 1980-01-12
Publication date: 1984-04-26
Also published as: DE3001007A1; JPS56104598A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie allgemein bekannt ist.

Zur Aufnahme stereophoner Signale, welche zur raumbezogenen Wiedergabe, d. h. zur Wiedergabe mittels ortsfester Lautsprecher vorgesehen sind, lassen sich stereophone Mikrophonanordnungen verschiedener Art verwenden, z. B. Koinzidenzstereomikrophone und Laufzeitstereomikrophone, denen gemeinsam ist, daß der Abstand der beiden Mikrophone zueinander klein £egenüber dem Abstand der Mikrophonanordnung von den Schallquellen ist Solche Mikrophonanordnungen lassen sich allgemein durch ihre Richtcharakteristik

Ä (/, φ, δ) = (Λ,, (/, φ, δ), AJJ, φ, <5))

ίο beschreiben. Dabei sind An bzw. A_rc die Freifeld-Übertragungsfunktionen des linken bzw. rechten Mikrophons, die im allgemeinen von der Frequenz f, dem Seitenwinkel φ zu einer Bezugsrichtung und dem Erhebungswinkel δ über der Horizontalebene abhängen. Die Mikrophonrichtcharakteristik A (f, φ, δ) ist von der Entfernung der Schallquellen unabhängig, wenn voraussetzungsgemäß der Abstand der Schallquellen groß gegen die Abmessungen der Mikrophonanordnung ist.

Den stereophonen Lautsprecheranordnungen zur Wiedergabe raumbezogen stereophoner Signale ist gemeinsam, daß der Abstand der beiden Lautsprecher zum Hörerort groß gegenüber dem Kopfdurchmesser des Zuhörers und den Lautsprecherabmessungen ist. Von praktischer Bedeutung sind Lautsprecheraufstellungen, die mediansymmetrisch in bezug auf die Kopfposition des Zuhörers sind und eine Basisbreite von einigen Metern mit einem Basiswinkel von etwa 60' haben. Die Wirkung solcher stereophoner Lautsprecheranordnungen am Hörerorl läßt sich allgemein durch die Freifeldübertragungsfunktion Ci (f) und C₂ (f) sowie durch die Aufstellrichtung (<p\, δ\) und (φ₂, δ₂) der beiden Lautsprecher beschreiben. g>\ bzw. φ₂ sind dabei die Seitenwinkel zu einer Bezugsrichtung, während Ji bzw. δ₂ die Erhebungswinkel über der Horizontalebene jeweils für den ersten bzw. zweiten Lautsprecher bezogen auf den Hörerort sind.

Durch Filter mit den inversen Übertragungsfunktionen \IC\ (f) und UC₂(Q, die den beiden Lautsprechern vorgeschaltet werden können, läßt sich stets erreichen, daß die Freifeldübertragungsfunktionen der Lautsprecherap.ordnung bezogen auf den Hörerort frequenzunabhängig sind und daß der Laufzeitunterschied zum Hörerort ausgeglichen wird. Die Wirkung der Lautsprecher hängt dann nur noch von den Aufstellrichtungen (φ\, Ji) und ({P2, ^2)ab.

Bei der Wiedergabe der über Koinzidenz- oder Laufzeitmikrophone aufgenommenen stereophonen Signale mittels der erwähnten Lautsprecheranordnungen treten bekanntlich starke Verfälschungen hinsichtlich der Klangfarben, der Lokalisation und der zeitlichen Wahrnehmung der einzelnen ursprünglichen Schallquellen auf, was dazu geführt hat, daß bei qualitativ hochwertigen Aufnahmen räumlich verteilter Schallquellen zusätzliche Stützmikrophone und vielkanalige Mischpulte verwendet werden.

Es ist auch bekannt, die stereophone Mikrophonanordnung als Kunstkopf auszubilden. Die so gewonnenen Signale sind binaural, d. h. grundsätzlich zur Wiedergabe über Kopfhörer vorgesehen. Zur Lautsprecherwiedergabe solcher Signale sind aus der US-Patentschrift 41 18 599 und aus der DE-Offenlegungsschrift 26 27 437 Entkopplungsnetzwerke bekannt, die das akustische Übersprechen auf das vom jeweiligen Lautsprecher abgewandte Ohr des Zuhörers kompensieren. In der US-Patentschrift ist dieses Netzwerk Teil eines wiedergabeseitigen Netzwerks zur Verbreiterung der Stereobasis zweier Lautsprecher; die wiederzugebenden binauralen Signale werden in diesem Fall aus der monophonen

Aufnahme einer Schallquelle durch eine elektrische Ohrnachbildung für eine gewünschte Schalleinfallsrichtung der Schallquelle gewonnen. In der DE-Offenlegungsschrift sind die Entkopplungsnetzwerke Teile eines Quadrophoniesystems, die aufnahmeseitig hinter je- s weils einem von mehreren Kunstliöpfen angeordnet sind. In allen Fällen sind die elektrischen Entkopplungsfunktionen auf den nachfolgenden Zuhörer bezogen, d. h. das akustische Übersprechen wird so kompensiert, daß das Entkopplungsnetzwerk zusammen mit den beiden zugeordneten Lautsprechern wie ein Kopfhörer wirkt und so die binauralen Signale zu den Ohren des Zuhörers überträgt.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Signale stereophon aufgenommener Schallquellen unabhängig von den Übertragungsfunktionen eines wiedergabeseitigen Zuhörers zu entkoppeln und so eine richtungs-, klang- und zeittreue Aufnahme der Schallquellen zu erhalten.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs I gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die im Anspruch 1 definierte Entkopplungsanordnung ist von der Schaltungsstruktur und von den Übertragungsfunktionen her invers zu einer Matrix, die von den Freifeld-Übertragungsfunktionen des Stereomikrophons für zwei festgelegte Schalleinfallsrichtungen gebildet wird. Unter der Freifeld-Übertragungsfunktion wird in üblicher Weise das Verhältnis der elektrischen jo Mikrophonspannung zu dem Schalldruck verstanden, der bei ungestörtem Schallfeld am Mittelpunkt der Mikrophonanordnung herrschen würde. Wegen der inversen Ausbildung entsprechen die Ausgangssignale der Entkopplungsanordniing — wie weiter unten mit Bezug J5 auf F i g. 1 erläutert — den ursprünglichen Schallsignalen aus den beiden Bezugsrichuingen. obwohl die beiden Schallsignale in den Mikrophonsignalen nach Maßgabe der Richtcharakteristik der Mikrophone gemischt sind. Das Schallsignal, das beispielsweise aus der ersten Bezugsrichuing auf das rechte Mikrophon trifft, wird in der Entkopplungsanordnung in der Gegenkopplung vom linken auf den rechten Zweig nochmals erzeugt und löscht diesen Signalanteil im rechten Zweig aus. Entsprechend wird am Eingang des linken Zweigs der Entkopplungsanordnung derjenige Signalanteil ausgelöscht, der von, der Schalleinwirkung aus der zweiten Bezugsrichtung auf das linke Mikrophon herrührt. Übrig bleibt im linken Zweig das Schallsignal aus der ersten Bezugsrichtung, das auf das linke Mikrophon trifft und in der Entkopplungsanordnung entzerrt wird, sowie entsprechend im rechten Zweig das Signal aus der zweiten Bezugsrichtung.

Originalschallquelien in den beiden Bezugsrichtungen können also nach der Entkopplung mit ihren ursprünglichen Richtungen, ihren ursprünglichen Klangspektren und ihrer ursprünglichen Zeitbeziehung zueinander wiedergegeben werden, jeweils bezogen auf die Schallsignale, die sie am Aufnahmeort des Stereomikrophons hervorrufen. Für die beiden Bezugsrichtungen gelingt dies unabhängig von der Art des verwendeten Stereomikrophons. Für die übrigen Richtungen, also bei mehr als zwei räumlich verteilten Schallquellen, ist es vorteilhaft, wenn die Richtcharakteristik des Stereomikrophons der natürlichen Richtcharakteristik des Zuhörers möglichst ähnlich ist, d. h. wenn die stereophone Mikrophonanordnung ein Kunstkopf ist.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden also die Mikrophonsignale von lediglich zwei Mikrophonen mittels einer Entkopplungsanordnung bei der Aufnahme so umgewandelt, daß bei Lautsprecherwiedergabe der umgewandelten Signale das wiedergegebene Schallereignis dem ursprünglichen, räumlich verteilten Schallereignis klang-, zeit- und richtungsgetreu entspricht. Der Aufwand für die beiden Mikrophone und die Entkopplungsanordnung isi im Vergleich zu der eingangs erwähnten Aufnahmeeinrichtung mit zusätzlichen Stützmikrophonen und vielkanaligen Mischpulten und auch im Vergleich zu dem erwähnten Quadrophoniesystem um ein Vielfaches geringer, wobei die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erzielte Wiedergabequalität gegenüber diesem Stand der Technik zumindest gleich und eher noch besser ist, wie sich anhand praktischer Versuche gezeigt hat.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines allgemeinen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgebildeten, raumbezogen stereophonen Aufnahme- und Wiedergabeeinrichtung, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer bei der Einrichtung nach Fig. 1 alternativ verwendbaren Entkopplungsanordnung.

Die Einrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt auf der Aufnahmcseiie zwei Mikrophone 20, 30, deren Signale den Eingängen Mn und M_n- einer Entkopplungsanordnung 10 zugeführt werden. Die entkoppelten Signale an den Ausängen Li, L; der Anordnung 10 können auf einen geeigneten, zweikanaligen Tonträger aufgezeichnet oder über getrennte Rundfunktonkanäle gesendet werden. Auf der Empfangsseite sind für die beiden Übertragungs- bzw. Tonkanäle zwei Lautsprecher 40, 50 zur raumbezogen stereophonen Wiedergabe vorgesehen, denen Übertragungsglieder 80 bzw. 90 vorgeschaltet werden können, um eine frequenz- und laufzeitunabhängige Schallwandlung zu erzielen. Die Lautsprecher 40, 50 besitzen mit Bezug auf den Kopf 100 eines Zuhörers die Azimuthwinkel g<\ bzw. g<₂ und die Elevationswinkel ό\ bzw. rk Des weiteren sind mit Bezug auf die beiden Mikropone 20,30 der allgemeine Fall der Schallaufnahme einer Schallquelle S mit einer Schalleinfallsrichtung (9, ό) bezüglich eiiur strichpunktiert eingezeichneten, beliebigen Bezugsrichtung und der Fall zweier Schallquellen Si und S? mit den speziellen Schalleinfallsrichtungen (ςτι, ί)|) und (g>:, (h) in Fig. 1 veranschaulicht.

Die Entkopplungsanordnung 10 umfaßt vier spezielle Übertragungsglieder 15 —18, deren Übertragungsfunktionen nachstehend noch näher erläutert werden. Die Übertragungsglieder 15—18 sind in Form eines inversen Filters zusammengeschaltet, wobei das Übertragungsglied 15 im Längszweig 11 des linken Übertragungskanals und das Übertragungsglied 16 im Längszweig des rechten Übertragungskanals angeordnet sind. Zwischen den Eingängen Mn und M_rc und den Übertragungsgliedern 15 bzw. 16 ist jeweils ein Subtraktionsglied 13 bzw. 14 vorgesehen. Der negative Eingang des Subtraktionsgliedes 13 ist über das Übertragungsglied 18 mit dem Ausgang des Übertragungsgliedes 16 bzw. dem Ausgang Lj im Sinne einer Fückwärts-Gegenkoppli'ig verbunden, während der negative Eingang des Subtraktionsgliedes 13 über das Übertragungsglied 17 mit dem Ausgang des Übertragungsgliedes 15 bzw. dem Ausgang Li im Sinne einer Rückwärts-Gegenkopplung verbunden ist. Durch dit Entkopplungsanordnung 10 werden die Mikrophonsignale M = (Mi,, M_n-) so ent-

koppelt, daß die entstehenden Lautsprechersignale C= (L\, L₂) alle Schallinformationen aus den speziellen Richtungen (<p\, ό\) und (^₂, O₂) getrennt enthalten. Eine Symmetrie der Lautsprecher 40, 50 ist im allgemeinen Fall nicht notwendig.

Für praktische Anwendungen kann man auf der Wiedergabeseite zwei der DIN-Norm entsprechende Lautsprecher in Stereostandardaufstellung zugrunde legen. Da diese Lautsprecher dann die gleiche Entfernung zum Hörerort und die gleiche, hinreichend frequenzunabhängige Freifeld-Übertragungsfunktion aufweisen, entfallen die Übertragungsglieder 80,90. Die Azimuthwin-

Tabelle 1

kel beragen in der Standardaufstellung φ\ = — 30° und {P2=+30°, die Elevationswinkel sind O₁=O₂ = O". Für diese beiden Schalleinfallsrichtungen müssen dann die Freifeld-Übertragungsfunktionen des linken und des rechten Mikrophons 20 bzw. 30 bekannt sein, um die Entkopplungsanordnung berechnen zu können.

Für die drei praktisch bedeutsamen stereophonen Mikrophonanordnungen gibt die Tabelle 1 die Übertragungsfunktion [F] der Entkopplungsanordnung an. Im Normalfall sind die Mikrophonanordnungen mediansymmetrisch, so daß die beschreibenden Matrizen deshalb symmetrisch bezüglich der Hauptdiagonalen sind.

Mikrophonanordnung

Koinzidenz-Stereomikrophon Laufzeit-Stereomikrophon Kunstkopf

Richtungsspezifische
Unterschiede zwischen
linkem und rechtem
Mikrophonsignal

Matrix [A] der vier
Freifeld-Übertragungsfunktionen der
Mikrophone 20,30

Übertragungsfunktion [F]
der Entkopplungsanordnung 10

Realisierung der
Übertragungsfunktion [F]

Reine Pegelunterschiede, z.B. L = 20 dB für -f, = φ ₂ = 30°

Reine Laufzeitunterschiede, z. B.
A τ = 200 (xs für
-<P\ = Pi = 30°

Spektrale Unterschiede (Abschattung hoher Frequenzen) und Laufzeitunterschiede K (Z) wie beim natürlichen Hören

,., _r*-3o°(Z) A₊₃₀=(Z)

_[F]

^{1 J}

V\ 0,lT'

Lo,i iJ

^{l J} p e—Ί-

Le-'"" iJ

VK._w{f)Ky, (Z)T¹

LJ

Dämpfungsglieder in den Laufzeitglieder in den frequenzabhängige Gegenkopplungszweigen Gegenkopplungszweigen Dämpfungsglieder sowie

Laufzeitglieder

Bei der in F i g. 2 dargestellten, verallgemeinerten Ausführungsform einer Entkopplungsanordnung sind in den linken und rechten Übertragungskanälen Mn, Ly bzw. M_n, L2 vor und hinter der hier mit iO* bezeichneten, »reduzierten« Entkopplungsanordnung weitere Übertragungsglieder 61, 71 bzw. 62, 72 angeordnet. Die Übertragungsfunktionen dieser weiteren Übertragungsglieder 61, 71,62, 72. nämlich Dn*(f). E,*(f), D_K*(f) und Ei*(f) enthalten abgespaltene Teile der Gesamtübertragungsfunktion [F] der Entkopplungsanordnung 10 gemäß F i g. 1. Mit dem Ausdruck »reduzierte« Entkopplungsanordnung ist demgemäß der um die abgespaltenen Teile der Gesamtübertragungsfunktion reduzierte Rest der Entkoⁿⁿ!un^crsanordnun^iT 10 ^ernäß F i g. 1 gemeint, der daher in F i g. 2 mit 10* bezeichnet ist. Vom Aufbau her unterscheiden sich die Entkopplungsanordnung 10 gemäß Fig. i und die reduzierte Entkopplungsanordnung 10* gemäß Fig.2 lediglich durch die jeweilige Übertragungsfunktion der Übertragungsglieder 15 bis 18, wie nachfolgend im einzelnen erläutert wird:

Die vor den Eingängen der reduzierten Entkopplungsnetzwerksanordnung 10* mit der Übertragungsfunktion [f*J angeordneten Übertragungsglieder 61,62 besitzen die Übertragungsfunktion

Lo z>*(z)J

während die hinter den Ausgängen der reduzierten Entkopplungsanordnung 10* angedeuteten Übertragungsglieder 71,72 die Übertragungsfunktion

_0

Et(Jy]

besitzen.

Die reduzierte Entkopplungsanordnung 10* besitzt dann die Übertragungsfunktion [F*]:

rc·* =

9\,

IJf(Z, 9i, δ₂)Ύ^ι

AUf

An (Z, 92, * D*{f) ■ EHf) AM, 92,' ■ DHf)

D*(f)Ef(f).

Die Kettenschaltung der drei Übertragungsblöcke 60,10* und 70 mit den Übertragungsfunktionen [D*], [F*] und [E*] ergibt wieder die gewünschte Entkopplungsfunktion [F]=[Ä]~^x:

[F<1 · [El

LO D*(/)J

L/UZ, ρ,, Oi)-DZ
wobei sich [FJ nach Aufspaltung der Matrix [F*] wie folgt ergibt: A₁₁If, 92, S₂)DfKf)- EfIA)T¹ [EHf) (f]
EHf) A_re(f,92,ö₂)-D*(f)-Ef(f)j Lo Ef(Z)J'

[DHf) 0~| [DHf) Ο]"¹ VA„{f,fuöi) A₁,-(Z, fj, WT¹ pf(Z) OT¹ [£,*(/) Oi Lo D-(Z)J Lo DS(Z)J Ur(Z, ίΊ, <5.) A,_t(f 92,0₂)J Lo Ef(Z)J Lo Ef(ZXJ

-ß

Die Tabelle 2 enthält die sieben möglichen Vereinfachungen der Entkopplungsanordnung 60, 10*, 70 nach F i g. 2, die dadurch entstehen, daß bestimmte Paare von Übertragungsfunktionen gleich eins gesetzt werden. In der ersten Zeile der Tabelle 2 ist der in F i g. 1 dargestellte Fall der Entkopplungsanordnung 10 enthalten, der sich dadurch auszeichnet, daß alle der Entkopplungsanordnung vor- und nachgeschalteten Übertragungsglieder 61, 71, 62, 72 die Übertragungsfunktion eins besitzen. Alle Entkopplungsanordnungen gemäß Tabelle 2 sind bezüglich der Übertragungsfunktion [F] äquivalent, jedoch nicht hinsichtlich der baulichen Ausgestaltung.

Tabelle 2

Teilmatrizen Äquivalenz [D*]

1*1-1

ρ ο] Lo υ ρ ο] Lo ij [DiAf)

LO D₁Af)- p oi Lo υ

Π/Λ(Ζ,ίΊ,<5.) Oi

Lo MArAf, 9::, O₂)A

A₁Af, ϊ>2,

E₂(Z)T¹ J

[AiAf, 9x, οχ) AiAf, 92,

LAi(Z, 9X, ö\) ArAf, 92,

[AiAf, 9\,ö\)- Ei (Z) LArAf, Φχ,δύ-EAf)

[A₁, (Z, f ι, <5.) · D₁₁ (Z) A_n (Z, Ψ₂, O₂) ■ D_n (Z)"¹''

1 An (Z, ϊ>2, Ö₂)IA_re(f, ΐ>₂,

ArAf, 9Χ, Οχ)ΙAiAf, <ΡΧ, Οχ)

AiAf, 92, O₂)IAiAf, 9χ, J, ί>₂, O₂)

LArAf, 9Χ,

AiAf, 91,O₁)/ArAf, 9χ,δ_χ) Π

I/AM,

Oi ΓΑ, (Z, Pi,

',fi,ii)J Ll

(Z,

Λ,(Z, 91,

r(Z, f 1, O_x)J ρ 01 Lo υ [E, (Z) Oi

Lo E₂ (Z)J ρ 01 Lo υ υ A₁Af, ψχ,

ρ öl Lo U

f, fι, <5,)

ρ οι Lo U

οΐ

(Z, ί>2, <5₂)J

Oi ,ft,«J

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Aufnehmen stereophoner Signale, welche zur raumbezogenen Wiedergabe, insbesondere mittels zweier getrennt aufgestellter Lautsprecher vorgesehen sind, mit zwei Aufnahmt:- mikrophonen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrophonsignale einer Entkopplungsanordnung (10) zugeführt werden, bei der in Längszweigen (11,12) eines linken (Mn, L₁) und eines rechten (M_m Lt) Übertragungskanals jeweils ein Subtraktionsglied (13 bzw. 14) mit nachgeschaltetem Übertragungsglied (15 bzw. 16) angeordnet ist und bei der in Querzweigen, welche den Ausgang (L\) des linken Übertragungskanals (Mn, Lt) mit dem negativen Eingang des im Längszweig (12) des rechten Übertragungskanals (M_re, L2) angeordneten Subtraktionsgliedes (14) sowie den Ausgang (L₂) des rechten Übertragungskanals (M_m Li) mit dem negativen Eingang des im Längszweig (11) des linken Übertragungskanals (Mn, Li) angeordneten Subtraktionsgliedes (13) verbinden, jeweils ein Gegenkopplungsglied (17, 18) enthalten ist, daß das Übertragungsglied (15) im Längszweig (11) des linken Übertragungskanals (Mn, L]) die inverse Freifeldübertragungsfunktion des linken Mikrophons (20) für die der Aufstellrichtung eines ersten Lautsprechers (40) entsprechende Schalleinfallsrichtung nachbildet, daß das Übertragungsglied (16) im Längszweig (12) des rechten Übertragungskanals (M_rc, L₂) die inverse Freifeldübertragungsfunktion des rechten Mikrophons (30) für die der Aufstellrichtung eines zweiten Lautsprechers (50) entsprechende Schalleinfallsrichtung nachbildet, daß das am Ausgang (L₂) des rechten Übertragungskanals (M_n-, L₂) angeschlossene Gegenkopplungsglied (18) die Freifeldübertragungsfunktion des linken Mikrophons (20) für die der Aufstellrichtung des zweiten Lautsprechers (50) entsprechende Schalleinfallsrichtung nachbildet und daß das am Ausgang (Li) des linken Übertragungskanals (Mn, Li) angeschlossene Gegenkopplungsglied (17) die Freifeldübertragungsfunktion des rechten Mikrophons (30) für die der Aufstellrichtung des ersten Lautsprechers (40) entsprechende Schalleinfallsrichtung nachbildet.

2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß in den linken und rechten Übertragungskanälen vor und/oder hinter der um abspaltbare Teile ihrer Gesamtübertragungsfunktion reduzierten Entkopplungsanordnung (10*) weitere Übertragungsglieder (61, 71 bzw. 62, 72) angeordnet sind, deren Übertragungsfunktionen die abgespaltenen Teile der Gesamtübertragungsfunktion der Entkopplungsanordnung (10) enthalten.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Mikrophone (20,30) in einem Kunstkopf angeordnet sind.