DE3619031A1

DE3619031A1 - Mehrkanal-wiedergabesystem

Info

Publication number: DE3619031A1
Application number: DE19863619031
Authority: DE
Inventors: Noboru Tokio/Tokyo Tominari
Original assignee: Dynavector Inc
Current assignee: Dynavector Inc
Priority date: 1985-06-07
Filing date: 1986-06-06
Publication date: 1986-12-11
Also published as: US4873722A; GB2177576A; AU5830686A; DE3619031C2; JPH0553358B2; JPS61281799A; GB8613565D0; GB2177576B

Description

- 4 ,DYNAVECTOR, Inc., Tokyo, Japan

Mehrkanal-Wiedergabesystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mehrkanal-Wiedergabesystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im allgemeinen hört der Zuhörer in einem Konzertsaal, auf dessen Bühne Musik dargeboten wird, den Ton bzw. Schall einer spielenden Schallquelle direkt und indirekt nach einer Reflektion an inneren Wänden des Saales. Der direkte Ton, der den Zuhörer auf direktem Wege von der Schallquelle aus erreicht, und der indirekte Ton, der den Zuhörer nach einer Reflektion an den inneren Wänden erreicht, treffen bei dem Zuhörer aufgrund ihrer unterschiedlichen Laufzeit mit einer Zeitdifferenz ein. Wegen ,15 dieser Zeitdifferenz ΔΤ, mit der die Töne den Zuhörer erreichen, hat der Zuhörer das Gefühl, daß er der Musikdarbietung in einem Konzertsaal zuhört.

Man hat daher ein Vierkanal-Wiedergabesystem geschaffen, bei dem von einer Schallplatte oder einem Magnetband abgetastete Audiosignale so wiedergegeben werden, daß der Zuhörer das wiedergegebene Audiosignal mit einer Präsenz hören kann, wie wenn er sich in einem Konzertsaal befände. Bei diesem System werden Zweikanal-Stereoaudiosignale wiedergegeben und von zwei Hauptlautsprechern, so wie sie sind, abgegeben. Außerdem werden die Zweikanal-Stereoaudiosignal durch beispielsweise eine digitale Verzögerungsschaltung um eine vorbestimmte Zeitspanne verzögert und die verzögerten Signale wiedergegeben und durch zwei Hilfslautsprecher abgegeben, die von den beiden Hauptlautsprechern unabhängig sind.

Dieses herkömmliche Vierkanal-Wiedergabesystem ist zwar in der Lage, die Präsenz im Vergleich zu einem herkömm-

lichen einfachen Zweikanal-Wiedergabesystem mehr oder weniger zu erzeugen, doch ergibt sich bei Tönen mit einer Frequenz von mehr als 4 kHz ein unnatürliches Echo, so daß sich nicht die Präsenz eines echten Konzertsaals erzielen läßt.

Wie akustische Untersuchungen in Gebäuden gezeigt haben, hängt die Laufzeitdifferenz ^ΔΤ zwischen dem direkten und dem indirekten Ton bzw. Schall nicht nur vom Abstand von der Schallquelle, sondern auch von der Frequenz des Audiosignals ab. So nimmt die Zeitdifferenz ^t mit abnehmender Frequenz des Audiosignals zu, dagegen nähert sich die Zeitdifferenz Δ Τ mit zunehmender Frequenz einem kleinen konstanten Wert. Bei dem erwähnten herkömmlichen System wird das Audiosignal gleichmäßig über den gesamten Frequenzbereich unabhängig von der Frequenz um eine vorbestimmte Verzögerungszeit verzögert. Wenn daher eine Verzögerungszeit von 100 bis 200 Millisekunden gewählt wird, um eine hinreichende Präsenz zu erzielen, ergibt sich bei der Hochfrequenzkomponente mit dieser Verzögerungszeit ein Echo, das zu einer unnatürlichen Präsenz führt. Wenn die Verzögerungszeit dagegen auf 20 bis 30 Millisekunden verringert wird, um das Echo zu vermeiden, läßt sich keine hinreichende Präsenz erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mehrkanal-Wiedergabesystem der gattungsgemäßen Art anzugeben, das eine Wiedergabe von Audiosignalen mit einer Präsenz ermöglicht, die dem Hörer mit besserer Annäherung die Präsenz bzw. das Klangbild eines Konzertsaals vermittelt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Ausbildung gelöst.

Auf diese Weise ergibt sich eine äußerst natürliche Präsenz über den gesamten Frequenzbereich, so daß der Hörer

den Eindruck erhält, er befinde sich in einem Konzertsaal .

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Mehrkanal-Wiedergabesystems,

Fig. 2 einen Graphen zur Erläuterung der Abhängigkeit der Phasenverzögerung von der Frequenz,

Fig. 3 eine Zeitdifferenz-Frequenz-Kennlinie von Schall in einem Konzertsaal,
20

Fig. 4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Phasenschiebeschaltung, die einen Phasenschieber nach Fig. 1 bildet,

Fig. 5 den Phasengang der Phasenschiebeschaltung nach Fig. 4,

Fig. 6 die Abhängigkeit der Verzögerungszeit oder Phasenverschiebung von der Frequenz bei der Phasenschiebeschaltung nach Fig. 4 mit der Anzahl der hintereinandergeschalteten Stufen als Parameter und

Fig. 7 ein Beispiel einer Lautsprecheranordnung in dem erfindungsgemäßen System.
35

Nach Fig. 1 werden Stereosignale eines rechten und eines

linken Kanals EingangsansGhlüssen 11a und 11b aus einer Schallquelle, z.B. einem Plattenspieler, einem Bandgerät, einem Tuner oder dergleichen, zugeführt. Die über die Anschlüsse 11a und lib zugeführten Signale des rechten und linken Kanals werden einer Signalverarbeitung unterzogen, wie einer Entzerrung, einer Klangregelung und dergleichen, und zwar jeweils in Vorverstärkern 12a und 12b. Danach werden sie zum einen Leistungsverstärkern 13a und 13b zur Verstärkung zugeführt, um Hauptaudiosignale für die rechten und linken Kanäle zu erzeugen, wobei die Hauptaudiosignale rechten und linken Lautsprechern 14a und 14b zur Tonabgabe zugeführt werden. Zum anderen werden die Ausgangssignale der Vorverstärker 12a und 12b Phasenschiebern 15a und 15b zugeführt, die einen wesentliehen Teil des erfindungsgemäßen Systems bilden und in denen ihre Phasen verschoben werden. Die Ausgangssignale der Phasenschieber 15a und 15b werden in Leistungsverstärkern 16a und 16b verstärkt, um Hilfsaudiosignale für die rechten und linken Kanäle zu erzeugen, die dann rechten und linken Hilfslautsprechern 17a und 17b zur Tonabgabe zugeführt werden. Die Phasenschieber 15a und 15b haben über den gesamten Frequenzbereich eine konstante Verstärkung. Ferner haben die Phasenschieber 15a und 15b eine Verzögerungscharakteristik zur Durchführung einer Phasenverzögerung, die sich einem kleinen Wert nähert, wenn die Frequenz abnimmt, und sich einem großen Wert nähert, wenn die Frequenz einen hohen Wert erreicht.

Die Lautsprecher sind so angeordnet, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Der rechte Hauptlautsprecher 14a und der linke Hauptlautsprecher 14b sind vorne rechts bzw. vorne links von einem Hörer 20 angeordnet, während der rechte Hilfslautsprecher 17a und der linke Hilfslautsprecher 17b hinten rechts bzw. hinten links vom Hörer 20 35

INSPECTED

so angeordnet sind, daß sie den Hauptlautsprechern 14a bzw. 14b zugekehrt sind. Die Hilfslautsprecher 17a und 17b müssen den Hauptlautsprechern 14a und 14b nicht genau gegenüber angeordnet sein, sondern können auch in einem bestimmten Winkelbereich, z.B. 30°, gegenüber diesen versetzt angeordnet sein. Ferner können die HauptlautSprecher 14a und 14b vorne rechts und vorne links vom Hörer in einer höheren Position nach unten geneigt und die Hilfslautsprecher 17a und 17b hinten rechts und hinten links vom Hörer in einer niedrigeren Position nach oben geneigt angeordnet sein. In jedem Falle wird die Präsenz durch eine derartige Anordnung der Hauptlautsprecher und Hilfslautsprecher verbessert, daß die Schallabgabe nicht in der gleichen Richtung, sondern im wesentlichen in entgegengesetzter Richtung aufeinander zu erfolgt.

Der Hörer 20 hört Töne des rechten und linken Kanals aus den Hauptlautsprechern 14a und 14b zusammen mit Tönen, die eine Positionsverzögerung (und Zeitverzögerung) aufweisen, aus den Hilfslautsprechern 17a und 17b. Der Hörer kann daher die Präsenz so empfinden, wie wenn er sich in einem Konzertsaal befände.

Nachstehend werden die Phasenschieber 15a und 15b beschrieben. Für die Laplace-Transformierten eines ursprünglichen Signals h(t) und eines Signals h(t - ^At), das gegenüber dem ursprünglichen Signal im gesamten Frequenzbereich um die Zeit At verzögert worden ist, gilt mit s als Laplace-Operator:
30

£ [Mt)] = H(s) (l)

X [Mt-At)] = H(s)-e-^s'^At (2)

Man sieht daher, daß die Übertragungsfunktion eines herkömmlichen Wiedergabesystems mit einer konstanten Verzö-

—S * At gerung im gesamten Frequenzbereich als e und die

Verstärkung und Phasenverschiebung jeweils durch die folgenden Gleichungen, in denen mit f die Frequenz bezeichnet ist, dargestellt werden können:

|e ^a Ί = 1

£ e~^S'^At = -2TTfAt (3b)

Der Phasengang bzw. die Frequenzabhängigkeit des Phasen-ΙΟ winkeis bzw. der Phasenverzögerung bei einer herkömmlichen Verzögerungsschaltung, für die die Gleichung (3a) gilt, ist in Fig. 2 als gestrichelte Linie I dargestellt.

Die Zeitdifferenz zwischen dem direkten Ton und dem indirekten Ton in einem Konzertsaal wird größer, wenn die Frequenz des Tons kleiner wird, und wird kleiner, wenn die Frequenz zunimmt. Diese Beziehung läßt sich angenähert durch die folgende Gleichung darstellen, in der AT die Verzögerungszeit bei unendlicher Frequenz und ΔΤ ein Inkrement ist, das einer Verzögerungszeit entspricht, die bei der Frequenz null zu At addiert werden muß.

ΔΤ = ΔΤ *e + ΔΤ (4)

Die Frequenzabhängigkeit der Zeit nach Gleichung (4) ist in Fig. 3 dargestellt. Setzt man die Zeitdifferenz At nach Gleichung (4) in die Verzögerungszeit At nach Gleichung (2) ein, ergibt sich die Übertragungsfunktion eines Konzertsaals. Der Phasenwinkel der Übertragungsfunktion wird durch folgende Gleichung beschrieben:

.Arn .C*

(5)

Der Phasengang nach Gleichung (5) ist in Fig. 2 als strichpunktierte Linie II dargestellt. Wie Fig. 2 zeigt,

reicht der Phasengang I des herkömmlichen Vierkanal-Wiedergabesystems vollständig vom Phasengang II eines Konzertsaals ab, und die Differenz bzw. der Unterschied dieser Phasengänge ist der Grund für die unnatürliche Präsenz bei dem herkömmlichen Vierkanal-Wiedergabesystem.

Die erfindungsgemäßen Phasenschieber 15a und 15b nach Fig. 1 sind so ausgelegt, daß sie einen Phasengang haben, wie er in Fig. 2 als durchgehende Linie III dargestellt ist, die der Kennlinie bzw. dem Phasengang II stärker angenähert ist als der Kennlinie bzw. dem Phasengang

Die Phasenschieber 15a und 15b bestehen aus mehreren Stufen (beispielsweise zehn ungeradzahligen Stufen) aus hintereinandergeschalteten Phasenschiebeschaltungen wie die Phasenschiebeschaltung 30 nach Fig. 4. Nach Fig. 4 ist ein Signaleingangsanschluß 31 mit einem umkehrenden Eingang und einem nichtumkehrenden Eingang eines Operationsverstärkers 32 über jeweils einen ohmschen Widerstand R und R verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 32 ist mit einem Ausgangsanschluß 33 und dem nichtumkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 32 über einen ohmschen Rückkopplungswiderstand R_? verbunden. Ferner ist der nichtumkehrende Eingang des Operationsverstärkers 32 über einen Kondensator C mit Masse verbun-

den. Die Widerstände R₁ und R_? haben die gleichen Widerstandswerte, so daß die Verstärkung über den gesamten Frequenzbereich gleich Eins ist. Die Übertragungsfunktion (auch Frequenzgang genannt) G₁(S) der Phasenschiebeschaltung 30 läßt sich durch nachstehende Gleichung darstellen, in der τ die Zeitkonstante R C ist: ' ■ 1 PP

1 - τ * s G (s) = (6)

^{1 +} V ^S

Die Phasenschiebeschaltung 30 hat einen Phasengang, wie er in Fig. 5 dargestellt ist, d.h. die Phasenschiebeschaltung 30 bewirkt in einem oberhalb von 10Of₁ liegenden Frequenzbereich eine Phasenverzögerung um 180° gegen über der Phasenlage im Frequenzbereich unterhalb einer Frequenz von T

Die Übertragungsfunktion bzw. der Frequenzgang G(s) eines Phasenschiebers, der durch Hintereinanderschaltung der Phasenschiebeschaltung 30 in η Stufen gebildet wird (wobei η eine ganze Zahl und größer als oder gleich zwei ist), läßt sich wie folgt darstellen:

G(s) = G₁(S)-G₂(S). ... 'G_n(s)

1 - ^τ · s 1-t.s 1-τ·ε _ 1 d η

1 + T...S 1 + T₀. s 1 + T.s ld η

η 1 - τ . . s

2Q = ^π ( ~ ) (7)

i=l 1 + ^τ. · s

Der Phasenwinkel 2$. G(s) der Übertragungsfunktion G(s) wird durch die folgende Gleichung dargestellt, und der Betrag des Phasenwinkels 2£g(s) nähert sich mit zunehmender Frequenz dem Wert -(n 180°).

3Q Wenn die Zeitkonstanten τ τ ..., ^τ der η Phasenschiebeschal tungen 30 alle gleich τ sind, nimmt die Übertragungsfunktion G(s) die nachstehende Form an, während der Phasengang den Verlauf entsprechend der Linie III in Fig. 2 annimmt.

Die Phasenschieber 15a und 15b haben daher jeweils einen Phasengang III, der sich dem Phasengang II des Konzertsaals in einem mittleren und niedrigen Frequenzbereich annähert. Der Hörer nimmt daher die von den Hauptlaut-Sprechern 14a und 14b sowie den Hilfslautsprechern 17a und 17b jeweils wiedergegebenen Töne mit einer Präsenz wahr, die der eines Konzertsaals äußerst nahe kommt. Ausserdem erscheint eine Hochfrequenzkomponente (beispielsweise mehr als 1000 Hz) in dem wiedergegebenen Ton dem Hörer nicht als Echo. Jeder Kanal benötigt lediglich einen Satz Phasenschiebeschaltungen, so daß es nicht erforderlich ist, andere Schaltungen, wie eine Filterschaltung oder eine Matrixschaltung, zu verwenden. Der Aufbau des Systems ist daher einfach.

Die Bauelemente in der Phasenschiebeschaltung 30 nach Fig. 4 können beispielsweise folgende Werte haben:

R₁ = R₀ = R = 39 k« 12p

Kondensator C =0,08 fiF

Die Verzögerungszeit-Frequenz-Kennlinie eines Phasenschiebers mit η hintereinandergeschalteten Phasenschiebeschaltungen 30, die jeweils Bauelemente mit den oben angegebenen Werten aufweisen, ist in Fig. 6 mit η als Parameter dargestellt, wobei η die Anzahl der hintereinandergeschalteten Stufen ist. In Fig. 6 sind jeweils die Fälle η = 5, 10, 15, ... 50, 55 und 60 dargestellt.

Es ist auch möglich, einen Phasenschieber auszubilden, dessen Phasengang dem durch die strichpunktierte Linie II in Fig. 2 dargestellten Verlauf entspricht, indem Phasenschiebeschaltungen mit verschiedenen Übertragungsfunktionen hintereinandergeschaltet werden. In diesem Falle werden die Übertragungsfunktionen G (s), G_?(s),

... G_n(s) durch entsprechende Änderung der Zeitkonstanten

^τ, , ^τ _ο, ... ^τ geändert, indem Widerstände R und Konden-12 η ° ρ

satoren
werden.

satoren C mit entsprechend geänderten Werten verwendet

Anstelle der in Fig. 4 dargestellten Phasenschiebeschaltung kann auch eine Phasenschiebeschaltung mit einem anderen Aufbau verwendet werden. So kann ein digitales Filter oder dergleichen, das auf der Basis einer Impulsübertragungsfunktion ausgebildet ist, die sich durch Z-Transformation der Gleichung (7) ergibt, anstelle der Phasenschiebeschaltung 30 verwendet werden. Ferner ist das wiederzugebende Hauptaudiosignal nicht auf das Signal in dem Zweikanal-Stereosystem beschränkt. Vielmehr kann es sich auch um ein Signal in anderen Systemen, zum Beispiel ein Monosystem oder ein Vierkanalsystem und dergleichen handeln.

Weitere Abwandlungen liegen ebenfalls im Rahmen der Erfindung .

-Μ-

Leerseite

Claims

f.-V'.il-iV!-::fi::-t a. M. 3 11233 DYNAVECTOR, Inc., Tokyo, Japan Patentansprüche

1. Mehrkanal-Wiedergabesystem mit einer Hauptlautsprechereinrichtung zur Abgabe eines Eingangsaudiosignals als Hauptkanal-Audiosignal und einer Hilfslautsprechereinrichtung zur Abgabe eines Hilfskanal-Audiosignals, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasenschiebereinrichtung (15a, 15b) vorgesehen ist, der das Eingangsaudiosignal zu dessen Phasenverschiebung zugeführt wird und deren Ausgangssignal der Hilfslautsprechereinrichtung (17a, 17b) als Hilfskanal-Audiosignal zugeführt wird, und daß die Phasenschäebereinrichtung eine Verzögerungszeit-Frequenz-Kennlinie aufweist, bei der die Verzögerungszeit mit abnehmender Frequenz zunimmt und mit zunehmender Frequenz abnimmt.

2. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschiebereinrichtung die Übertragungsfunktion

η 1 -τ- · s

G(s) = Π

i = l 1 +_τ. · ε

wobei η eine ganze Zahl größer als oder gleich zwei, ^τ. eine Zeitkonstante und s der Laplace-Operator ist.

ORIGINAL

3. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Zeitkonstante τ. in der Übertragungsfunktion G(s) der Phasenschiebereinrichtung unabhängig von der Anzahl i konstant ist.

4. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Phasenschiebereinrichtung mehrere hintereinandergeschaltete Phasenschieberschaltungen mit jeweils gleichem Schaltungsaufbau aufweist, wobei jede Phasenschieberschaltung einen Operationsverstärker (32), einen Widerstand R₁ zwischen einem Eingangsanschluß der Phasenschieberschaltung und dem umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers, einen Widerstand Rp zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem umkehrenden Eingang, einen Widerstand R zwischen dem Eingangsanschluß und dem nicht umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers und einen Kondensator C zwischen dem nicht

umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers und Masse und die Übertragungsfunktion

1 -

G₁(S) =

I₊

aufweist, wobei τ die Zeitkonstante R C und s der La-

1 pp

place-Operator ist.

OQ

5. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Phasenschieberschaltungen alle die gleichen
Schaltungskonstanten aufweisen und die Phasenschiebereinrichtung die Übertragungsfunktion

G(s) =[ ^-M

Vl +
aufweist.

6. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der Widerstände R und Rp jeder der Phasenschieberschaltungen gleich sind und die Ver-Stärkung der Phasenschieberschaltung über den gesamten Frequenzbereich gleich eins ist.

7. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschiebereinrichtung eine Phasenverzögerungs-Frequenz-Kennlinie angenähert nach der folgenden Gleichung aufweist:

wobei f die Frequenz, ^ΔΤ_ΜΤΝ die Zeitverzögerung bei unendlich hoher Frequenz und ΔΤ ein Zeitverzögerungsinkre ment ist, das sich zu ΔΊ" _N addiert, wenn die Frequenz gleich null ist.

8. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptlautsprechereinrichtung (14a, 14b) und die Hilfslautsprechereinrichtung (17a, 17b) derart relativ zueinander angeordnet sind, daß die Richtungen der von ihnen abgegebenen Töne weitgehend zueinander entgegengesetzt sind.