DE3009498A1

DE3009498A1 - Mikrophonsystem zur erzeugung von signalen fuer allrichtungsklanguebertragung und -wiedergabe

Info

Publication number: DE3009498A1
Application number: DE19803009498
Authority: DE
Inventors: Benjamin B Bauer
Original assignee: BAUER IDA
Current assignee: BAUER IDA
Priority date: 1979-03-12
Filing date: 1980-03-12
Publication date: 1980-09-25
Also published as: GB2045586A; CA1135196A; JPS55143089A; US4262170A

Description

1A-3186
C-1437

Ida BAUER

Stamford, Connecticut,

U.S.A.

Mikrophonsystem zur Erzeugung von Signalen für Allrichtungsklangübertragung und -wiedergabe

Die Erfindung betrifft Allrichtungsklangsysterne und insbesondere eine kompakte Anordnung von Mikrophonen und eine Signalkombinationsschaltung zur Bildung von Signalen, welche geeignet sind für Verwendung in einem kompatiblen Vier-Kanal-Radiosender- und -empfangssystem, wie es in einer weiteren Patentanmeldung des Anmelders beschrieben ist. Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung der in den US-PSen 4 072 821 und 4 096 353 beschriebenen Erfindungen dar. Diese Patentschriften beschreiben Ausführungsformen eines Systems zur Erzeugung von Zwei-Kanal-SQ-Signalen. Letztere entsprechen Richtungsschallsignalen, welche aus verschiedenen Kompaßrichtungen auf die Mikropongruppe auftreffen. Die codierten Signale können decodiert werden unter Verwendung der Decoder, welche in der oben erwähnten Patentanmeldung des Anmelders beschrieben

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sind und in der 4-2-4-Betriebsweise arbeiten. Die vorliegende Erfindung lehrt die Erzeugung einer neuen Funktion T mit den in den oben erwähnten Patentschriften beschriebenen Mikrophonsystemen. Diese Funktion erlaubt die Übertragung und Decodierung der Richtungssignale gemäß der 4-3-4-Betriebsweise oder der ö-3-4-Betriebsweise.

In der oben erwähnten Patentanmeldung des Anmelders wurde ein Allrichtungsklangwiedergabesystem beechrieben. Dieses nimmt richtungs-identifizierte Signale auf, welche den Eingängen der dort beschriebenen Codiergeräte zugeführt werden. Diese Zufuhr erfolgt entweder diskret oder durch Kanalisierung dieser Signale zwischen zwei oder mehreren Anschlüssen zur Erzielung des Effekts von Zwiechenrichtungen. Dieses Verfahren der Codierung der Signale wird in der Aufzeichnungstechnik weithin angewandt. Demgegenüber sind bei den Mikrophonsystemen gemäß den oben erwähnten beiden Patentschriften und bei dem Mikrophonsystem gemäß vorliegender Patentanmeldung Signalkombinationsschaltungen den Mikrophonen zugeordnet. Bei Anordnung der Mikrophone in einem Schallfeld von Schallquellen, welches aufgezeichnet und gesendet werden soll, werden die Mikrophonausgangssignale von den Signalkombinationsschaltungen verarbeitet, und zwar im Sinne von zwei codierten Signalen LT und RT, welche die codierte SQ-Information enthalten, die der Richtung des auf das jeweilige Mikrophon auftreffenden Schalls entsprechen. Daher wirkt dieses System sowohl als Wandler eines räumlich akustischen Signals als auch als Codiergerät. Ein solches Mikrophonsystem kann somit als Raummikrophonsystem charakterisiert werden. Es kann aber auch gleichermaßen als koinzidentes oder Intensitätsmikrophonsystem bezeichnet werden, da seine Wandler in räumlicher Koinzidenz fluchten und Signale liefern, deren Intensität sich als Funktion der Richtung des auftreffenden Schalls variiert.

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Ein wichtiges Merkmal der Erfindung beruht darauf, daß der gleiche Wandler, welcher gemäß obiger Beschreibung für die Gewinnung der räumlich akustischen Signale LT und RT verwendet wird, auch in zweckentsprechender Weise zur Gewinnung der Funktion T verknüpft werden kann. Die Funktion T wird benötigt für die 4-3-4- oder für die 9-3-4-Betriebsweise, welche in der oben erwähnten Patentanmeldung beschrieben werden. Andere Beziehungen zwischen dem vorstehend beschriebenen Mikrophonsystem und den Decodieren! der oben erwähnten Patentanmeldung erhellen aus der nachfolgenden Beschreibung.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich in der Hauptsache auf Signale aus den vier spezifischen Kardinalrichtungen, d.h. LF (vorn links), RF (vorn rechts), LB (hinten links) und RB (hinten rechts). Es muß jedoch bemerkt werden, daß die nachfolgend beschriebene Mikrophonanordnung auf Signale aus einer beliebigen Richtung θ anspricht. Diese Signale können über zwei oder drei Übertragungskanäle für die Decodierung dieser Signale und für die Wiedergabe mit vier Lautsprechern übertragen werden. Es muß bemerkt werden, daß durch zweckentsprechende Kombination oder Interpolation der Ausgangssignale weniger als vier Lautsprecher oder mehr als vier Lautsprecher verwendet werden können. Daher ist der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die jeweilige spezielle Anzahl von Eingangs- und Ausgangssignalen beschränkt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm des Mikrophonsystems der US-PS 4 096 353;

Fig. 2A ein schematisches Diagramm von Details der Fig. 1 zusammen mit den Elementen für die Erzeugung

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der T-Funktion für die 3-4-Betriebsweise;

Fig. 2B eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem abgewandelten Verfahren zur Erzeugung einer T'-Funktion, bei der ein einfacheres und billigeres Decodiergerät verwendet werden kann, welches in der oben erwähnten Patentanmeldung beschrieben wurde;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 2A;

Fig. 4 ein zusätzliches Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 2A;

Fig. 5 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines handelsüblichen Mikrophonsystems ;

Fig. 6a eine erläuternde Darstellung der Ausgangssignale des Mikrophonsystems;

Fig. 6B ein Diagramm zur Erläuterung der Bildung der SQ-Codiersignale mit dem erfindungsgemäßen Mikrophonsystem;

Fig. 6C ein Phasorendiagramm der Signale LT und RT des erfindungsgemäßen Mikrophonsystems;

Fig. 6D ein Diagramm des in der oben erwähnten Patentanmeldung beschriebenen Codiergeräts zur Erläuterung der Beziehung zwischen LT-Signal, RT-Signal und T-Signal;

Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Bildung des T-Signals gemäß vorliegender Erfindung; und

Fig. 8 ein alternatives Codiergerät, welches in der oben erwähnten Patentanmeldung beschrieben wurde, zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem LT-Signal, dem RT-Signal und dem T'-Signal gemäß der Fig. 2B.

Zunächst soll der Hintergrund der vorliegenden Erfindung anhand einiger Ausführungsformen der US-PSen 4 072 821 und 4 096 353 erläutert werden. Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, welche die wesentlichen Merkmale des

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Systems gemäß der US-PS 4 072 821 wiedergibt. Bei diesem System sind vier zweiseitig gerichtete Mikrophone (mit Achtercharakteristik) und ein einziges Allrichtungsmikrophon (mit Kugelcharakteristik) auf einer gemeinsamen, vertikalen Achse angeordnet und ihre Ausgangssignale werden derart kombiniert, daß sie Limacon-Rotationsfiguren beschreiben, deren jede der Gleichung f(Q) = 0,3 + 0,7cos9 entspricht, worin f den Bruchteil der maximalen Empfindlichkeit des Sensors als Funktion der Winkelabweichung θ von der positiven Richtung der Rotationsachse bedeutet. Gemäß Fig. 1 sind die Achsen der maximalen Empfindlichkeit der Mikrophongruppe coplanar und derart ausgerichtet, daß der mit L1 bezeichnete Sensor auf -65° (im Gegenuhrzeigersinn von der positiven Richtung) zeigt, während der mit R1 bezeichnete Sensor auf +65° weist. Die mit L2 und R2 bezeichneten Sensoren weisen auf -165° bzw. +165°. Die Verbindungen der in einem solchen Muster angeordneten Wandler sind durch Leiter 10, 12, 14 und 16 dargestellt. Diese sind wiederum mit einem Codiergerät 18 verbunden. Das Codiergerät 18 umfaßt vier Allpaß-Phasenschieber 20, 22, 24 und 26. Die ersten beiden Allpaß-Phasenschieber 20 und 22 bewirken eine Phasenverschiebung als Funktion V der Frequenz. Die letzteren beiden Allpaß-Phasenschieber 24 und 26 bewirken eine Phasenverschiebung als Funktion {ψ -90°) der Frequenz.Ein Bruchteil (etwa 7096) des phasenverschobenen R2-Signals des Phasenschiebers 24 wird in einem Summierpunkt 30 zum phasenverschobenen L1-Signal des Phasenschiebers 20 addiert, wobei man ein erstes zusammengesetztes Signal oder Mischsignal LT an einem Ausgang 32 erhält. In ähnlicher Weise werden etwa 70# des phasenverschobenen L2-Signals des Phasenschiebers 26 in einem zweiten Summierpunkt 34 zum phasenverschobenen R1-Signal des Phasenschiebers 22 addiert, wobei ein zweites Mischausgangssignal RT am Ausgangsanschluß 36 erhalten wird. Es konnte in dem vorerwähnten US-Patent gezeigt werden, daß die Ausgangssi-

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gnale LT und RT denjenigen Signalen äquivalent sind, welche im SQ-Quadrophoniesystem benötigt werden zur Erfassung der Richtposition der Schallquellen, welche die Mikrophongruppe umgeben. Die obengenannte Wahl von 7O?6 der Ausgangssignale L2 und R2 stellt eine Modifikation der Ausführungsform gemäß der US-PS 4 072 821 dar.

In einem nachfolgenden US-Patent 4 096 353 konnte gezeigt werden, daß ein System mit nur zwei Gradientmikrophonen und einem einzigen Allrichtungsmikrophon ein dem vorstehenden System äquivalentes Betriebsverhalten zeigt, bei dem vier Gradientmikrophone und ein einziges Allrichtungsmikrophon verwendet werden. Dies wird erreicht mit dem in Fig. 2A gezeigten System mit zwei Gradientmikrophoneinheiten 40 und 42, welche auf einer gemeinsamen, vertikalen Achse X-X angeordnet sind. Die Achsen ihrer maximalen Empfindlichkeit sind auf Azimutwinkel von 90° bzw. 0° gerichtet, d.h. die Gradientenelemente stehen relativ zueinander in einem Winkel von 90°. Die Mikrophonelemente sind so nahe wie möglich beisammen angeordnet und ferner auch in möglichst großer Nähe zu einem Allrich tungswandlerelement 44. Es soll nun ein Azimut von 0° willkürlich als Referenzrichtung gewählt werden. Es ist

nun klar, daß die Ausgangsspannung des Gradientelements 42 für eine Schallwelle eines vorgegebenen Schalldruckpegels sich mit dem Cosinus des Einfallswinkels in Bezug auf den Azimut ändert, und zwar rundum die Achse X-X, gemessen von 0°. Die Ausgangsspannung des Gradientelements 40 für die gleiche Schallwelle ändert sich mit dem Sinus des Einfallswinkels. Diese Signale werden mit E„ bzw. E_

bezeichnet. Das Allrichtungsmikrophon 44 liefert bei der vorerwähnten Schallwelle eine Ausgangsspannung, welche sich nicht mit dem Azimut ändert. Diese ist mit E_Q bezeichnet. Es soll nun eine Normalisierung der Spannungen E_c(0°), E_s(90°) und E_Q auf den Einheitswert angenommen

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werden, und zwar für die oben erwähnte Schallwelle. Man kann nun aus dem Polarkoordinatendiagramra gemäß Fig. 3 entnehmen, wie die verschiedenen Signale kombiniert werden müssen, um den erfindungsgemäßen Zweck zu erreichen.

In Flg. 3 wird die Spannung E_Q(0°) durch den Pfeil 50 wie dergegeben, welcher auf 0° gerichtet ist und Einheitslänge aufweist. In ähnlicher Weise ist die Spannung E₅(SX)⁰) durch den Pfeil 52 in der 90°-Richtung mit Einheitslänge wiedergegeben. Es muß bemerkt werden, daß die Pfeile 50 und 52 keine Phasoren sind. Sie stellen lediglich die Größe der Ausgangsspannungen der jeweiligen Wandler für die jeweilige Schalleinfallsrichtung dar.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zu schaffen, welches im Betriebsverhalten dem System gemäß Fig. 1 äquivalent ist. Es ist daher erforderlich, ein äquivalentes Gradientelement zu bilden, welches in einer Richtung θ orientiert ist, nämlich in die Winkel, in die die Limacon-Muster gemäß Fig. 1 zeigen, und zwar durch Kombination von Bruchteilen der Signale E„ und E_e in zweckentsprechenden Proportionen. Die Proportionen von E„ und E_ werden durch die Faktoren k„ bzw. k_e definiert.

CS CS

Die Polarmuster der jeweiligen Gradientmikrophone für diese Bruchteilsausgangssignale sind bei 54 und 56 dargestellt. Sie gehorchen für das Muster 54- der Gleichung

^kc^Ec = ^kc^Ec(°°)^cose
und für das Muster 56 der Gleichung k_sE_g = K_sE_s(90°)sin9.

Man erkennt, daß jeweils eine Keule des jeweiligen Musters positiv ist, während die andere negativ ist, wie durch das plus-Zeichen bzw. das minus-Zeichen angedeutet. Die Nullkreuzung der Muster erhält man an den Schnitt-

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stellen der positiven unct negativen Kreise, d.h. an den Stellen 58 bzw. 60. An diesen Stellen gilt kB. = k„E_e,

CC SS

und da ferner die Beziehung E (O ) - E₀(90 ) = 1 gilt, so

C ο

erhält man

E_e(90°)sinö sinQ

_A_- _β = tan©

E_(0 )cosG cosQ

indem man lediglich k_ = sinQ und k„ = cosQ setzt. Sodann

o C

erhält man für den Maximalwert der Spannung des neugebildeten Gradientenmusters 57-57 den Wert Ε(θ) - cos θ + sin²© β 1.

Die oben diskutierten Verhältnisse führen zu einem Diagramm gemäß Fig. 4 für die Übersichtliche Darstellung des Matrixsystems, welches zur Erzeugung des in Fig. 1 gezeigten Richtungsmusters benötigt wird. Die Spannungen E_c(0°) und E_e(90°) sind wiederum als Pfeile 50'bzw. 52^f wiedergegeben. Ferner enthält das Diagramm Pfeile, welche die Gradientwandlerspannungen L1 (bei -65°), R1 (bei +65°), L2 (bei -165°) und R2 (bei +165°) darstellen. Diese entsprechen den ähnlich bezeichneten Richtungsmustern gemäß Fig. 1. Durch Projektion der Pfeile, welche diese Spannungen darstellen, auf die 0° -180°-Achse und die *90° -90°- Achse ergeben sich die folgenden Koeffizienten für die erforderliche Matrix:

Gradientenkomponente k_ k_

L1g(-65°) cos -65° = 0,423 sin -65°=-O,9O6

R1g(+65°) cos +65° = 0,423 sin +65°= 0,906

L2g (-165°) cos -165° = - 0,966 sin +165°=-O,259

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

Somit kann man die richtigen Ausrichtungen für die vier Limacon-Muster der Fig. 1 mit einer Mikrophongruppe gemäß Fig. 2A erhalten, indem man die Signale E_ und E„ gemäß

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den in obiger Tabelle angegebenen Koeffizienten kombiniert. Zu diesem Zweck wird das E -Signal an die beiden Eingänge von zwei Verstärkern 70 und 72 mit Verstärkungsfaktoren von 0,906 bzw. 0,259 angelegt und das E -Signal wird an die beiden Eingänge von zwei zusätzlichen Verstärkern 74 und 76 mit Verstärkungsfaktoren von 0,423 bzw. 0,966 angelegt. Die Ausgangssignale dieser vier Verstärker werden gemäß obiger Tabelle in jeweiligen Summierpunkten 78, 80, 82 und 84 kombiniert, wobei für jedes der .Eingangssignale nochmals ein Multiplikant von 0,7 vorgesehen ist. Zum Beispiel wird das Ausgangssignal des Verstärkers 70 (welches gleich 0,906 E_ ist) mit 0,7 multipliziert und am Summierpunkt 78 von dem mit 0,7 multiplizierten Ausgangssignal des Verstärkers 74 subtrahiert. Der verbleibende 0,3fache Wert (30%) eines jeden Ausgangssignals wird von der Spannung E_Q des Allrichtungswandlers 44 bereitgestellt, wobei der 0,3fache Wert dieser Ausgangsspannung als Eingang an jedem der Summierpunkte 78, 80, 82 und 84 anliegt. Dieses Summierverfahren erzeugt die gewünschten Limacon-Muster gemäß Fig. 1, welche in Fig.2 mit L1, R1, L2 und R2 bezeichnet sind. Diese Signale werden einem Codierteil zugeführt, welcher in jeder Hinsicht dem Codierteil 18 gemäß Fig. 1 gleicht. Man erhält dabei die codierten, zusammengesetzten Ausgangssignale (Mischsignale) LT und RT an den Ausgängen 32^f bzw. 34'.

Im unteren Teil der Fig. 2A sind zusätzliche Bauelemente dargestellt, welche zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dienen. Diese Elemente haben den Zweck, die Funktion wT" aus den Signalen E„ und Ε_Λ zu extrahieren. Dieser Vorgang wird weiter unten näher erläutert. Fig. 2B zeigt eine modifizierte Anordnung zur Erzeugung der T-Funktion. Bei dieser Ausführungsform erhält man einfachere Decodierstrukturen als mit der Ausführungsform gemäß Fig. 2A.Auch dies wird weiter unten näher erläutert.

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->er-

Ein weiterer Aspekt der US-PS 4 096 353 besteht in der Erkenntnis, daß eine zweckentsprechende Einstellung einer im Handel erhältlichen Mikrophongruppe und eine wohl ausgewogene Kombination der damit erhaltenen Ausgangssignale ebenfalls zu den gewünschten, codierten Mischsignalen LT und RT führt. Zum Beispiel kann man eine Mikrophongruppe der Firma Neumann, West-Berlin, verwenden. Diese Gruppe besteht aus vier unabhängigen Einheiten mit einem Cardioidmuster (oder Limacon-Muster), welche mit einem Winkel von 180° zueinander angeordnet sind. Sie können jedoch derart eingestellt werden, daß ihre Jeweiligen Achsen einen 90°- Winkel relativ zueinander haben. Es wurde festgestellt, daß bei Einstellung der jeweiligen Achsen dieser im Handel erhältlichen Mikrophongruppe auf 90° relativ zueinander gemäß Fig. 5 die Ableitung der drei Signale E_, E_ und E_n möglich ist, welche auch mit der Mikrophongruppe gemäß Fig. 2A erhalten werden. Durch Modifizierung und Kombinierung dieser Signale gemäß Fig. 2A erhält man sodann die zweckentsprechend codierten Mischsignale LT und RT. Wenn ein Wandlerpaar dieser Mikrophongruppe mit den jeweiligen Polarmustern 90 und 92 in der Richtung 0° - 180° orientiert wird, so erhält man für diese Cardioidmuster die Gleichungen 0,5 + 0,5cosö bzw. 0,5 - 0,5cosö. Das dem Muster 92 entsprechende Signal wird in einem Summierpunkt 94 von dem dem Muster 90 entsprechenden Signal subtrahiert, wobei man am Ausgang 96 eine Spannung E„ =? cos© erhält. Das andere Wandlerpaar mit den Richtungsmustern 98 bzw. 100 wird in der Richtung +90° - -90° orientiert, wobei man die Gleichungen 0,5 + 0,5sinQ bzw. 0,5 - 0,5sin9 erhält. Das dem Limacon-Muster 100 entsprechende Signal wird in einem Summierpunkt 102 von dem dem Muster 98 entsprechenden Signal substrahiert, wobei man am Ausgang 104 eine Spannung E_s = sin© erhält. Wenn man jeweils die beiden Signale des einen oder anderen Paars addiert, so erhält man eine Spannung E_Q = 1. Wenn man die Signale der vier Mu-

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-sr-

ster summiert, und zwar jeweils mit einem Koeffizienten von 0,5» so erhält man ebenfalls E . Die letztere Summierung ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei werden die vier den Mustern entsprechenden Signale addiert, und zwar jeweils mit einem Koeffizienten von 0,5. Dies erfolgt in einem Summierpunkt 106. Dabei erhält man am Ausgang 108 die Spannung E . Es reicht jedoch aus, eines der beiden Paare von Signalen, welche entgegengesetzt gerichteten Mustern entsprechen, jeweils mit den Koeffizienten 1,0 zu verwenden, um E zu erhalten. Die Verwendung aller vier Signale gemäß Fig. 5 ist jedoch bevorzugt, da dies verschiedensten möglichen Änderungen der Pegel durch Alterung der Komponenten oder dergl. besser Rechnung trägt. Die erhaltenen Signale E_, E_ und Ε_Λ haben derartige Sinus-, Cosinus- und Allrichtungs-Charakteristika, daß sie bei Anwendung auf die Matrix und auf das Codiersystem gemäß Fig. 2A oder Fig. 2B zu Mischsignalen LT und RT führen, welche die erforderlichen Charakterstika für das SQ-Quadrophoniesystem haben.

Die Arbeitsweise des beschriebenen Mikrophonsystems wird im folgenden anhand der Fig. 6A, B und·C erläutert. Fig.6A zeigt vier Limacon-Muster in Rechteck-Koordinaten. Es wird dabei angenommen, daß L2 und R2 mit dem Koeffizienten 0,7 multipliziert wurden. Diese Maßnahme liegt innerhalb der Lehre der US-PS 4 072 821. Im folgenden soll der -50°-Aziiaut betrachtet werden, wo R1 und L2 die Nullinie schneiden. Da diese beiden Terme den RT-Ausgang bilden, exisitert hier nur der LT-Ausgang. Dieses LT-Signal besteht aus zwei Komponenten, nämlich aus L1 =0,3 + 0,7cos (65° - 50°) =0,98 und der Quadraturkomponente R2 = 0,7 +0,3 + 0,7cos (50° + 165°)] = 0,19. Diese letztere Komponente wird mit einer 90°-Nacheilungsphase addiert, wie dies in Fig. 6B im oberen linken Feld gezeigt ist. Diese beiden Komponenten bilden ein Einheits-

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signal. Daher entsprich .'.er -5O°-Schalleinfall dem linken Signal bei Stereophonie oder dem linken vorderen Signal bei SQ-Quadrophonie.

Die entgegengesetzte Situation liegt bei einem Einfallswinkel von +50° vor. Hier summieren sich die Komponenten R1 und L2 zu einem Einheitswert auf, wie dies im oberen rechten Feld der Fig. 6B dargestellt ist. Die Komponenten L1 und R2 bilden den Wert Null. Somit entspricht das Signal dem rechten Kanal bei Stereophonie bzw. dem rechten vorderen Kanal bei SQ-Quadrophonie.

Wir gehen nun zum nächsten -130°-Azimut über. Man erkennt, daß es hierbei um den Schnittwinkel für L1 und L2 handelt. Beide zeigen bei diesem Winkel ein relatives Ausgangssignal von etwa 0,60. Ferner erkennt man, daß bei -130° R1 und R2 nahezu die gleiche absolute Größe haben. Diese entspricht einer relativen Amplitude von etwa 0,40. Jedoch sind die Vorzeichen entgegengesetzt. Man kann nun die Ausgangssignale LT und RT für -130°-Schalleinfall konstruieren. Man erhält dabei die Figur im unteren linken Feld der Fig. 6B. Die resultierenden Ausgangsspannungen LT und RT sind nahezu gleich und haben Quadraturbeziehung zueinander. Das Signal RT eilt um nahezu 90° dem Signal LT nach. Dies ist das Erfordernis zur Erzeugung des LB-Signals bei SQ-Quadrophonie. In gleicher Weise erkennt man für einen Einfallswinkel von +130°, daß die Signale LT und RT des Mikrophonsystems mit großer Genauigkeit denjenigen äquivalent sind, welche zur Erzeugung des RB-Signalö des SQ-Systemscodes erforderlich sind.

Es ist an dieser Stelle hilfreich, die Gruppen von Phasoren LT und RT, welche den vier Kardinalrichtungen LF, RF, LB und RB entsprechen, gemäß Flg. 6C zusammenzufassen. In dieser Figur werden die Mischsignale LT und RT darge-

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--rf-

stellt. Diese werden erhalten durch Kombination der jeweils zusammengehörigen Phasoren aus Fig. 6B. Venn man diese Mischsignale mit den entsprechenden Signalen LT und RT vergleicht, die mit dem Codiergerät der Fig. 6D (Fig. 6 in der oben erwähnten US-PS) erhalten werden, so stellt man fest, daß die Signale LT und RT fast identisch sind mit den entsprechenden Signalen LT und RT in Fig. 6D, mit der Ausnahme, daß die ersteren um etwa 11° in Bezug auf die Horizontale oder die O⁰- Basislinie gekippt sind. Dies ist naturgemäß ohne Belang, da bei Betrieb des Decodiergeräts lediglich die Relativ-Phasenbeziehungen zwischen LT und RT relevant sind. Diese Relativ-Phasenbeziehung ist in den Fällen der Fig. 6C und 6D gleich.

Bei der Einrichtung gemäß Fig. 6D erzeugt das Codiergerät ein Signal T, welches in Zusammenwirkung mit den decodierten Signalen LT und RT zu einer Decodierung vom 4-3-4-Typ führt. Es ist eine der Hauptaufgaben der Erfindung, mit der beschriebenen räumlichen Mikrophongruppenanordnung diesen Wirkungstyp zu erreichen. Man erkennt aus der Fig. 6D, daß unter den Signalen, welche das Signal T bilden, die mit 0,5LF und 0,5RF bezeichneten Signale in Quadraturbeziehung mit (oder senkrecht zu) den LF-Komponenten und RF-Komponenten von LT und RT stehen. Gleichzeitig sind die Komponentenphasoren des Signals T, die mit 0,5LB und 0,5RB bezeichnet sind, in Rechteckstellung in Bezug auf die Komponenten 0,5LF und 0,5RF. Es wurde gezeigt, daß die Phasorengruppe LT und RT in Fig. 6C im Gegenuhrzeigersinn relativ zu den entsprechenden Signalen LT und RT in Fig. 6D gedreht werden. Ferner folgt, daß das Signal T, welches für die 4-3-4-Betriebsweise oder die ö-3-4-Betriebs\reise des erfindungsgemäßen Mikrophonsystems erforderlich ist, ebenfalls in gleicher Weise eine Phasenverschiebung im Gegenuhrzeigersinn (Voreilung)

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um etwa 11° erfahren muß. Ein wesentliches Merkmal der Er findung besteht in der zweckentsprechenden Bildung eines solchen Signals T mit den erfindungsgemäß verwendeten Wandlern.

Es wurde festgestellt, daß die obigen Ziele mit einer Anordnung gemäß Fig. 7 erreicht werden können. Diese zeigt zwei Hypercardioidkurven 200 und 201, welche Rücken an Rücken dargestellt sind. Die Kurve 200 besteht aus einem 0,391-Anteil des Signals eines Allrichtungsmikrophons und einem 0,609-Anteil des Signals eines Mikrophons, das auf den Cosinus des Einfallswinkels θ anspricht. Die Kurve 201 wird in ähnlicher Weise gebildet, jedoch wird der Cosinus-Anteil in umgekehrtem Sinn addiert. Die beiden Muster sind dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Null-Ansprechverhalten bei Schalleinfallswinkeln von +130° relativ zur Richtung des maximalen Schalleinfalls zeigen. Dies beruht auf den beiden Gleichungen

0,391 + 0,609cos + 130° = 0 und entsprechend

0,391 - O,609cos + 50° = 0.

Wenn man sich nun erinnert, daß die LF-Signalposition und die RF-Signalposition der erfindungsgemäßen Mikrophongruppe bei +50° liegen und daß die LB-Position und die RB-Position den Einfallsrichtungen von +130° entsprechen, so ist es klar, daß die Mikrophongruppe 200 nicht auf die LB- oder RB-Signale anspricht, während die Mikrophongruppe 201 nicht auf die LF- und RF-Signale anspricht.

Da die relative Amplitude der von den Mikrophonen mit

Hypercardioidmuster bei +50° aufgenommenen Signale den

0,391 + O,609cos + 50° t= 0,782

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hat, so wählt man diese Koeffizienten gemäß Fig. 7 für die spezifischen Kardinalrichtungen LP, RF, LB und RB. Diese vier Signale werden zu entsprechenden Paaren durch Phasenschieberschaltungen 202 und 203 geführt, welche zu einer Phasenverschiebung von (ψ -79°) und (ψ +11°) führen. Ihre Ausgangssignale werden wiederum im Summierpunkt 204 summiert, wobei man für beide Signale jeweils den negativen Koeffizienten 0,639 verwendet. Die relativen Amplituden der Kardinalsignale betragen somit 0,782 χ 0,639 =0,5. Das resultierende Signal T zeigt somit die gewünschte 11°-Drehung im Gegenuhrzeigersinn. Dies entspricht, wie die Phasorengruppe 206 zeigt, der Position der Phasorengruppen LT und RT in Fig. 6C. Es muß betont werden» daß diese Phasorengruppe präzis gleich der Phasorengruppe T in Fig. 6D ist, mit Ausnahme der vorerwähnten Drehung um 11° im Gegenuhrzeigersinn.

Im folgenden wird auf Fig. 2A Bezug genommen. Im unteren Teil dieser Figur erkennt man, daß das Allrichtungswandlersignal E_ und das Cosinuswandlersignal E . welche für

O C

die Bildung des in Fig. 7 gezeigten Hypercardioidmusters erforderlich sind, bereits in der Matrix der Mikrophongruppe zur Verfugung stehen. Es ist daher möglich, diese Funktionen bereitzustellen, indem man zweckentsprechende Verbindungen herstellt, wie dies im unteren Teil der Fig. 2A gezeigt ist. Dabei werden die Summierpunkte 86 und 88 mit den Spannungsquellen für E_ und E_ verbunden. Man erhält Ausgangssignale auf den Ausgangsleitungen 200 und 201, und diese werden den Phasenschiebern 90 und 92 zugeführt, deren Ausgangssignale in einem Summierpunkt 94 summiert werden. Man erhält am Anschluß 96 das Signal T. Dieses Signal ist in Fig. 2A unten rechts durch die Phasorengruppe 98 dargestellt. Es handelt sich jeweils präzise um das T-Signal, welches für einen 4-3-4-Betrieb oder ei-

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nen ©-3-4-Betrieb erfOjl-orlich ist, wenn man das Decodiergerät gemäß Fig. 10 der oben erwähnten US-Patentanmeldung verwendet.

In dieser US-Patentanmeldung ist ein anderer Codiertyp gezeigt. Dieser hat eine Konfiguration zur Erzeugung eines Signals T·, welches einen 4-3-4-Decodierbetrieb mit einem einfachen Decodiergerät der Fig. 11 der US-Anmeldung erlaubt. Es muß betont werden, daß die Charakteristik dieses Codiergeräts, welches in Fig. 8 gezeigt ist, darin besteht, daß seine Phasoren 0,5LF und 0,5RF des Signals T¹ in Phase mit oder parallel zu den entsprechenden Phasoren LF und RF in LT und RT stehen und daß ferner die Phasoren 0,5RB und 0,5LB senkrecht zu den Phasoren 0,5LF und 0,5RF stehen. Dieses Prinzip kann auf die Phasoren LT und RT in Fig. 6C angewandt werden, welche im Gegenuhrzeigersinn um etwa 11° verschoben sind. Daraus folgt, daß T¹ in Fig. 8 ebenfalls um etwa 11° im Gegenuhrzeigersinn gedreht sein sollte, um die richtige 4-3-4-Wirkung mit den AusgangsSignalen LT und RT des in dieser Patentanmeldung beschriebenen Mikrophonsystems zu erzielen. Dies wird erreicht mit der Ausführungsform gemäß Fig. 2B, und zwar in einer Weise, welche derjenigen der Fig. 2A äußerst ähnlich ist. Man erhält dabei eine Phasorengruppe 99 gemäß der Darstellung im unteren rechten Feld der Fig. 2B. Dies entspricht der erforderlichen Beziehung zwischen dem Signal T¹ und den Signalen LT und RT im Sinne einer zweckentsprechenden Decodierung mit dem Decodiergerät gemäß Fig. 11 der oben erwähnten US-Patentanmeldung .

Da die Signale LT, RT und T oder T¹ bei der beschriebenen Struktur das Ergebnis einer linearen Addition der Signale sind, und zwar entweder phasenverschoben oder nichtphasenverschoben, ist es evident, daß die Konfiguration

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der Schaltungen, die Anzahl der Phasenschieber und die Position derselben innerhalb der Schaltung zur Erzielung der gewünschten Betriebsparameter in erheblichem Maße geändert werden kann. Alle diese geänderten Schaltungen fallen ebenfalls in den Schutzumfang der vorliegenden Patentanmeldung.

ORIGINAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche

My' Einrichtung zur Erzeugung von Hauptmischsignalen LT und RT und einem Hilfsmischsignal T, wobei LT die Summe einer dominierenden linken vorderen Signalkomponente (LF) und sub-dominierender linker rückwärtiger (LB) und rechtes rückwärtiger (RB) Signalkomponenten umfaßt und wobei RT die Summe einer dominierenden rechten vorderen (RF) Signalkomponente und der sub-dominierenden LB-Komponente und RB-Komponente umfaßt, und wobei die Signalkomponenten LB und RB den Signalkomponenten LB und RB im LT-Signal um einen vorbestimmten differentiellen Phasenschiebewinkel voreilen bzw. nacheilen, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (40-84) mit einer Vielzahl von Mikrophonen (40-44) in enger Nachbarschaft zueinander, welche in einem Schallfeld von AllriohtungsSchallquellen vier Signale erzeugt, deren jedes durch ein vorbestiinmtes Limacon-Empfindlichkeitsmuster der Gleichung E=K+ (1 - k)cosö definiert ist, wobei die Richtungen der maximalen Empfindlichkeit in verschiedenen, vorbestimmten Azimutalwinkeln relativ zu einer Referenzrichtung orientiert sind, wobei k eine Konstante mit einem Wert unter 1 bedeutet, und wobei θ den Winkel zwischen der Referenzrichtung und der Achse der maximalen Empfindlichkeit des jeweiligen Mikrophons bedeutet, und wobei E die normalisierte Amplitude der Spannung bezeichnet, welche bei einer einfallenden Schallwelle von Einheitsdruck erzeugt wird, sowie

eine Einrichtung (20·,26' ,30') zur Schiebung der Phase eines ersten der vier Signale relativ zu einem zweiten der vier Signale um einen vorbestimmten Phasenwinkel und Kombination des phasenverschobenen ersten und des zweiten Signals zur Erzeugung eines ersten Hauptmischsignals (LT), sowie

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eine Einrichtung (22',24·,34') zur Verschiebung der Phase eines dritten der vier Signale relativ zu dem vierten Signal der vier Signale um einen vorbestimmten Phasenwinkel und Kombination des phasenverschobenen dritten und vierten Signals zur Erzeugung eines zweiten Hauptinischsignals (RT), sowie

eine Einrichtung (42,44,86-92), welche mindestens einige der Vielzahl der Mikrophone (42,44) umfaßt und welche in einem Schallfeld von Allrichtungsschallquellen ein erstes und ein zweites Zwischensignal erzeugt, die jeweils durch Limacon-Empfindlichkeitsmuster gemäß den Gleichungen E = m + (1 - m)cosö und E = m - (1 - m)cosQ definiert sind, und

eine Einrichtung (94) zur Kombination des ersten und zweiten Zwischensignals und zur Erzeugung eines dritten Hilfsmischsignals T, welches gleiche Anteile der LF-, LB-, RF- und RB-Signalkomponenten enthält, und zwar in dem Maße, wie diese zugegen sind, wobei diese Signalkomponenten in Bezug auf entsprechende Signalkomponenten in einem die Summe von LT und RT darstellenden Mischsignal gleiche Winkelbeziehungen aufweisen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbeziehung zwischen entsprechenden Richtungssignalen in dem Mischsignal T und in einem Mischsignal, welches die Summe von LT und RT darstellt, die Perpendikularitätsrelation ist.

*5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelrelation zwischen entsprechenden Richtungssignalen in dem Mischsignal T und in einem die Summe von LT und RT darstellenden Mischsignal die Parallelitätsrelation ist.

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4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Phasenwinkel etwa 90° beträgt.

5. Einrichtung zur Erzeugung der Hauptmischsignale LT und RT und eines Hilfsmischsignals T zur Verwendung in einem Matrix-Quadrophonie-Klangsystem, bei dem erste und zweite Kanäle die Mischsignale LT bzw. RT führen und wobei jedes Hauptmischsignal vorbestimmte Amplitudenanteile von drei oder mehreren für die entsprechenden akustischen Signale repräsentativen Richtungseingangssignalen in dem Maße, wie diese enthalten sind, umfaßt, und zwar in vorbestimmten Phasenbeziehungen, und wobei die Mischsignale bei der Decodierung durch einen für das Matrixsystem geeigneten Decoder drei oder mehrere Ausgangssignale erzeugen, deren Jedes als dominante Komponente ein verschiedenes Richtungssignal enthält, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung mit einer Vielzahl von nahe beieinander angeordneten Mikrophonen (40-44), welche in einem Schallfeld eine Vielzahl von Signal erzeugen, deren relative Amplituden ein Maß für die Einfallsrichtung des Schallsignals relativ zu einer Referenzrichtung ist, wobei ein erstes und zweites Gradientmikrophon (40,42) vorgesehen sind, wobei die Achse der maximalen Empfindlichkeit des ersten Mikrophons (40) in die Referenzrichtung weist, und wobei die Achse der maximalen Empfindlichkeit des zweiten Mikrophons (42) in eine gegen die Referenzrichtung um 90° azimutal verdrehte Richtung zeigt, und welche ein erstes und ein zweites der Vielzahl der Signale erzeugen, deren Amplituden mit dem Cosinus bzw. Sinus des relativ zur Referenzrichtung definierten Azimutalwinkels der Einfallsrichtung eines akustischen Signals variieren, und wobei ein Allrichtungsmikrophon (44) ein drittes der Vielzahl von Signalen erzeugt, des-

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sen Amplitude in Bezug auf die Richtung des anfallenden akustischen Signals invariant ist;

eine Einrichtung (.70-84) zur Kombination eines vorbestimmten Anteils des dritten Signals mit jedem von vier ausgewählten Kombinationen von vorbestimmten Anteilen des ersten und zweiten Signals zur Erzeugung eines ersten, zweiten, dritten und vierten Zwischensignals, deren jedes ein vorbestimmtes Limacon-Empfindlichkeitsmuster gemäß der Gleichung E = k + (1 - k)cos9 repräsentiert und deren Richtungen maximaler Empfindlichkeit relativ zur Referenzrichtung verschiedene, vorbestimmte Orientierungswinkel aufweisen;

eine Einrichtung (20',26·,30') zur relativen Verschiebung der Phase des ersten und zweiten Zwiechensignals um einen vorbestimmten Phasenwinkel und zur Kombination dieser relativ phasenverschobenen ersten und zweiten Zwischensignale zur Erzeugung des LT-Signals;

eine Einrichtung (22»,24«,34·) zur relativen Verschiebung der Phase des dritten und vierten Zwischensignals um einen vorbestimmten Phasenwinkel und zur Kombination der relativ phasenverschobenen dritten und vierten Zwischensignale zur Erzeugung des RT-Signals;

eine Einrichtung (42,44,86-92), welche mindestens einige der Vielzahl der Mikrophone (42,44) umfaßt, zur Erzeugung eines fünften und sechsten Zwischensignals, welche jeweils durch ein Limacon-Empfindlichkeitsmuster gemäß den Gleichungen E = m + (1 - m)cos9 und E = m - (1 - m)cosö definiert sind; und

eine Einrichtung (94) zur Kombination des fünften und sechsten Zwischensignals im Sinne der Erzeugung des Hilfsraischsignals T, welches in dem Maße, wie diese zugegen sind, gleiche Anteile von allen Richtungssignalen, welche im LT-Mischsignal und im RT-Mischsignal zugegen sind, enthält, und wobei die Richtungssignale eine gleiche Winkelbeziehung in Bezug auf entsprechende

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Richtungssignale in einem die Summe von LT und RT darstellenden Mischsignal aufweisen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbeziehung zwischen den entsprechenden RichtungsSignalen im T-Signal und in einem die Summe von LT und RT darstellenden Mischsignal die PerpendikularitatsbeZiehung ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbeziehung zwischen entsprechenden Richtungssignalen im T-Signal und in einem die Summe von LT und RT darstellenden Mischsignal die Parallelitätsrelation ist.

8. Einrichtung zur Erzeugung von Hauptmischsignalen LT und RT und eines Hilfsmischsignals T für Verwendung in einem Matrix-Quadrophonie-Klangsystem, wobei erste und zweite Kanäle Mischsignale LT bzw. RT führen und wobei jedes Mischsignal einen vorbestimmten Amplitudenanteil von drei oder mehreren Richtungseingangssignalen, welche für entsprechende akustische Signal repräsentativ sind, in dem Maße, wie diese zugegen sind, umfaßt, und zwar in vorbestimmten Phasenrelationen, und wobei die Mischsignale bei der Decodierung in einem für das Matrixsystem geeigneten Decoder drei oder mehrere Ausgangssignale erzeugen, deren jedes ein verschiedenes Richtungssignal als dominierende Komponente enthält, gekennzeichnet durch

eine Anordnung von Mikrophonen (90,92,98,100) mit vier Wandlern in enger Nachbarschaft zueinander, deren jeder ein durch die Gleichung E = 0,5 + 0,5cos9 definiertes Limacon-Empfindlichkeitsmuster aufweist und deren Richtungen maximaler Empfindlichkeit azimutal jeweils um etwa 90° gegeneinander verdreht sind, wobei die

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Richtung maximaler Empfindlichkeit eines ersten Wandlers in die Referenzrichtung weist, wobei diese Einrichtung in einem Schallfeld eine Vielzahl von Signalen erzeugt, deren relative Amplituden jeweils eine Funktion des Winkels θ zwischen der Einfallsrichtung des Schallsignals und der Referenzrichtung sind;

eine Einrichtung (94) zur Kombination der Signale der beiden Wandler (90,92) auf der mit der Referenzrichtung koinzidierenden Achse zur Erzeugung eines ersten Signals (E^), dessen Amplitude mit dem Cosinus des Winkels θ variiert;

eine Einrichtung (102) zur Kombination der Signale der beiden Wandler (98,100) auf der zur Referenzrichtung einen Winkel von 90° aufweisenden Achse zur Erzeugung eines zweiten Signals (E_e), dessen Amplitude mit dem Sinus des Winkels θ variiert;

eine Einrichtung (106) zur Kombination ausgewählter Signale, welche aus mindestens zwei der Ausgangssignale der Wandler (90,92,98,100) erhalten wurden, zum Zwecke der Erzeugung eines dritten Signals (E ), dessen Amplitude in Bezug auf die Richtung des einfallenden Schallsignals variant ist;

eine Einrichtung (78-84) zur Kombination eines vorbestimmten Anteils des dritten Signals (E_Q) mit jeweils einem von vier ausgewählten Kombinationen vorbestimmter Anteile des ersten und zweiten Signals zur Erzeugung eines ersten, zweiten, dritten und vierten Zwischensignals, deren jedes für ein vorbestimmtes Limacon-Empfindlichkeitsmuster repräsentativ ist, deren Richtungen maximaler Empfindlichkeit relativ zur Referenzrichtung gemäß vorbestimmten, verschiedenen Winkeln orientiert sind;

eine Einrichtung (20* ,26' ,3O¹) zur Relatiwerschiebung der Phase des ersten und zweiten Zwischensignals um etwa 90° und zur Kombination der relativ phasen-

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verschobenen ersten una «.vreiten Zwischensignale im Sinne der Erzeugung des LT-Signals;

eine Einrichtung (22· ,24* ,34») zur Relatiwerschiebung der Phase des dritten und vierten Zwischensignals um etwa 90° und zur Kombination der relativ phasenverschobenen dritten und vierten Zwischensignale im Sinne der Erzeugung des RT-Signals;

eine Einrichtung (86,88) zur Addition und Subtraktion eines vorbestimmten Anteils des zweiten Signals von einem vorbestimmten Anteil des dritten Signals im Sinne der Bildung eines fünften und sechsten Zwischensignals;

eine Einrichtung (92,90) zur relativen Verschiebung der Phase des fünften und sechsten Zwischensignals um einen vorbestimmten Phasenwinkel; und

eine Einrichtung (94) zur Kombination von vorbestimmten Anteilen der relativ phasenverschobenen fünften und sechsten Zwischensignale im Sinne der Erzeugung des Hilfsmischsignals T, welches in dem Maße, wie diese im Schallfeld vorhanden sind, gleiche Anteile aller Richtungssignale im LT-Mischsignal und RT-Mischsignal enthält, und wobei diese Richtungssignale eine gleiche Winkelrelation in Bezug auf entsprechende Richtungssignale in einem die Summe von LT und RT darstellenden Mischsignal aufweisen.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelrelation zwischen entsprechenden Richtungssignalen im T-Signal und in einem die Summe von LT und RT darstellenden Mischsignal die Perpendikularitätsrelation ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelrelation zwischen entsprechenden Richtungssignal im T-Signal und einem die Summe von LT und RT darstellenden Miechsignal die Parallelitätsrelation ist.

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