DE3733494A1 - Einrichtung zur stereophonischen aufnahme von schallereignissen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Aufnahmeein­ richtung mit zwei im wesentlichen entgegengesetzt orientiert angeordneten Mikrophonen unter Verwendung von Nachbildungen des menschlichen Kopfes zur stereo­ phonen Aufnahme von Schallereignissen, wobei die Mikrophone in den äußeren Gehörkanalnachbildungen eingebaut sind.

Das bekannte sogenannte Kunstkopfübertragungsver­ fahren hat eine beachtliche Qualität der Schallübertra­ gung in Verbindung mit Kopfhörerwiedergabe ermöglicht. Die Kompatibilität mit Lautsprecherwiedergabe ist jedoch nicht gelungen. Die Bemühungen, anstelle der Freifeld­ entzerrung des Kunstkopfes als auch des Kopfhörers die Diffusfeldentzerrung anzuwenden, haben die Möglichkeit der Kompatibilität näher gebracht. Andererseits ist die An­ wendung des Kunstkopfes in der praktischen Übertragungs­ technik durch seine Größe ein optischer Störfaktor und daher nicht immer einsetzbar.

Aus der DE-OS 19 27 401 sind Kunstköpfe bekannt, bei denen Mikrophon und Ohrnachbildung entfernt werden können. Ein Mikrophon und eine Ohrnachbildung bildet dabei eine Einheit. Wenn beide Einheiten aus dem Kunstkopf heraus­ genommen werden, so handelt es sich um Einzelelemente, die keine gegenseitige Zuordnung zueinander aufweisen. Damit sind aber auch in diesem Zustand keine definierten Aufnahmeverhältnisse gegeben, so daß eine Verwendung im Sinne der Kunstkopfmikrophonie in diesem Zustand weder möglich noch beschrieben ist.

Aus dem Aufsatz "Kopf-Stereomikrophon für Amateure" in der Funkschau 1976, Heft 9, Seiten 971-973 (305-307) ist es bekannt, daß die Kunstkopfmikrophonie zur Ver­ besserung der Qualität von der einfachen Kopfnachbildung auf detaillierte Nachbildungen des Kopfes, z. B. Haare, Bart u. dgl. übergeht. Demgegenüber wird erfindungsgemäß entgegen dieser Tendenz auf den Kunstkopf an sich über­ haupt verzichtet.

Das Problem, daß Kunstkopfaufnahmen nur in der Wiedergabe mit Kopfhörern brillant sind, jedoch bei Lautsprecherwiedergabe diese Qualität vermissen lassen, ist aus dem Aufsatz "Natürliches Hören mit künstlichem Kopf", Funkschau 1983, Heft 6, Seiten 41-44 bekannt. In dieser Literaturstelle ist ein Kunstkopfmikrophon beschrieben, dessen Aufnahmen sich auch für Lautsprecher­ wiedergabe eignen. Die Ursache liegt darin, daß üblicher­ weise die Mikrophonanordnungen so getroffen sind, daß an Stelle einer Freifeldentzerrung eine Diffusfeld­ entzerrung durchgeführt wird. Für die Diffusfeldent­ zerrung ist eine Reihe von Koppelelementen zusätzlich erforderlich. Es wurde nun gefunden, daß es auch einen anderen Weg gibt, eine qualitative Übertragung über Lautsprecher zu realisieren, ohne daß ein solcher Aufwand notwendig wäre. Es hat sich nämlich gezeigt, daß dann, wenn man sich einerseits bezüglich des Kunstkopfes lediglich auf die Ohrmuscheln beschränkt und Mikrophone mit der Eigenschaft verwendet, daß sie im niedrigen Frequenzbereich bis etwa 1500 Hz als Richtmikrophone arbeiten, im Frequenzbereich darüber mit spektraler Auflösung der Außenohrübertragungsfunktion arbeiten, eine auch für Lautsprecher geeignete qualitative Wieder­ gabe erreichbar ist, wobei sich überdies noch der Vorteil ergibt, daß durch Einflußnahme auf Richt­ charakteristik bzw. Ohrmuschelstellung zusätzliche akustische Effekte erzielbar sind.

Die Erfindung vermeidet die Anwendung einer voll­ ständigen Nachbildung eines menschlichen Kopfes, bringt Vorteile durch die Kompatibilität von Kopfhörer- und Laut­ sprecherwiedergabe und ermöglicht überdies eine Vielzahl von Varianten des Schallempfanges.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Ein­ richtung der eingangs genannten Art zur stereophonischen Aufnahme von Schallereignissen zu schaffen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sich die Nachbildung des mensch­ lichen Kopfes auf die der Ohrmuschelnachbildungen mit äußerem Gehörgang beschränkt und die Mikrophone mit einseitiger Richtwirkung, vorzugsweise mit dem mensch­ lichen Kopf entsprechender Stellung der Ohrmuschel­ öffnungen im niedrigen Frequenzbereich bis etwa 1500 Hz als Richtmikrophone, im Frequenzbereich darüber mit spektraler Auflösung der Außenohrübertragungsfunktion arbeiten.

Die bekannten Kunstköpfe enthalten innerhalb der Kopfnachbildung an den Ohrmuscheln angeschlossene Druck­ empfänger vornehmlich auf elektrostatischer Basis, die zur Freifeldentzerrung ein oder mehrere passive Filter enthalten. Diese Maßnahmen haben Störungen der kammfilterartigen Ohrresonanzen nicht verhindern können. Eine verbesserte Ausführung hat die Diffusfeldent­ zerrung durch einen radial angeordneten Ohrkanal nebst einem Koppler vor der Mikrophonkapsel erbracht.

Im Vordergrund steht die Frage der Kompatibilität von Kopfhörer und Lautsprecherwiedergabe. Sie ist beim Kunstkopfverfahren schon dadurch nicht erfolgreich, weil die Richtwirkung der Mikrophone, die für biphones Wiedergabeverfahren, das derzeit ausschließlich für Schallaufnahmen verwendet wird und eine Auslöschung durch die Richtcharakteristik bis zu 25 db verlangt, nur 10 db beim Kunstkopfverfahren erreicht. Damit ist die Aufnahme ähnlich der von zwei Kugelmikrophonen mit geringer Richtwirkung durch Abstand und Druckstau nicht zufriedenstellend. Damit entstehen Klangver­ fälschungen und andere Übertragungsfehler, die sich zur Wiedergabe mittels Lautsprecher nicht eignen.

Die von herkömmlichen Cardioidmikrophonen aufge­ nommenen Stereosignale hingegen sind ohne Kammfilter­ struktur eines menschlichen Ohres. Wenn diese Signale durch Lautsprecher an das Ohr des Zuhörers kommen, sollten seine Ohren durch ihre richtungsabhängigen Resonanzen Entfernung und Richtung des Schallereignisses erkennen. Da die Schallsignale jedoch nicht in der Richtung eintreffen, die mit dem originalen Schall­ ereignis übereinstimmen, ist die Bildung der richtigen Originalsignale nicht mehr möglich. Es bleibt nur der Intensitätseffekt des biphonen Wiedergabeverfahrens übrig.

Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung weisen die aus z. B. Silikon-Kautschuk hergestellten Ohrmuscheln in natürlicher Größe des menschlichen Ohres an der An­ schlußstelle des menschlichen Ohrkanals, in seinem Ver­ lauf oder am Ende desselben ein Mikrophon, mit bevorzugt einseitiger Richtwirkung, zweckmäßig der Elektrettype auf. Derartige Mikrophone mit dieser Richtwirkung er­ möglichen durch die weich gelagerte Membran, bei Konden­ satortypen bei etwa 1000 Hz, bei dynamischen Wandlern bei etwa 200 Hz, die Impedanz des Trommelfells zu erreichen. Im Frequenzbereich über etwa 1500 Hz, in dem die Ohrmuscheln durch ihre Ohrresonanzen in Kammfilter­ struktur für den psychoakustischen Effekt des Richtungs- und Entfernungshörens maßgebend sind, entstehen keine störenden Einflüsse.

Die Schallaufnahme erfolgt durch die Membran des Mikrophons, die eine dem natürlichen Trommelfell ähnliche Impedanz aufweist, so daß keine Reflexionen auftreten.

Unter etwa 1500 Hz arbeiten die Mikrophone mit ein­ seitiger Richtwirkung bei Stellung der Ohrmuscheln ent­ sprechend dem menschlichen Kopf unter einem Winkel von etwa 105 Grad, da die Dimension der Ohrmuschel als Umwegscheibe für den Druckgradienten wirkt.

Während am menschlichen Kopf unter 1500 Hz sowohl die Zeitdifferenz als auch die Intensitätsdifferenz ab­ hängig vom Einfallswinkel der Schallwellen ist, ist für Stereoübertragung mit zwei Ohrmuschelnachbildungen und daran angeschlossenen Richtmikrophonen gemäß der Er­ findung nur die Intensität wirksam. Durch die Form der Richtcharakteristik sowie durch Drehung oder Neigung der Ohren können im Gegensatz zum Kunstkopf vielerlei Effekte in der Übertragungstechnik erzielt werden.

Für die Größe des Druckgradienten des im niedrigen Frequenzbereich wirkenden Richtmikrophons ist die Gesamt­ fläche der Ohrmuschel verantwortlich, während im Bereich über 1500 Hz die Hohlräume der Ohrmuschel mit ihren charakteristischen Vertiefungen entscheidend durch die Ausbildung ihrer Kammfilterstruktur sind. Im niedrigen Frequenzbereich bis λ/2 ist der Druckgradient wirksam, der darüber nach einer Besselfunktion abnimmt, während die Ohrmuschel zu wirken beginnt, um bereits im Bereich bei doppelter Frequenz überwiegend die für das räumliche Hören entscheidenden Richtungs- und Entfernungseffekte zu erzeugen.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die beiden Ohrmuschelnachbildungen nebeneinander mit einander abgewendeten Ohröffnungen in ein schalldurch­ lässiges Gehäuse eingebaut sind. Im Gegensatz zum Kunst­ kopf, der durch seine Größe oft störend wirkt, ermöglicht diese erfindungsgemäße Maßnahme den einfachen Einbau in schalldurchlässige Gehäuse in den üblichen Abmessungen der Stereomikrophone.

Es ist auch vorteilhaft, wenn sich die Ohrmuschel­ nachbildungen übereinander in einem schalldurchlässigen Gehäuse befinden. Diese Anordnung ermöglicht den Bau von schlanken Mikrophonen vom Kondensatortyp.

Ferner besteht ein Erfindungsmerkmal darin, daß die Durchmesser des Gehörkanals und des Richtmikrophons etwa gleich groß sind. Die Verwendung von Mikrophonen von gleichem Durchmesser wie der Gehörgang der Ohr­ muschelnachbildung erfordert keine besondere Anpassung zufolge der Tatsache, daß die Membran etwa die gleiche Flächenausdehnung aufweist, wie das Trommelfell des menschlichen Ohres.

Eine Variante besteht darin, daß der Gehörkanal in eine offene Kammer größeren Durchmessers mündet, wobei der Durchmesser des in dieser Kammer angeordneten Mikrophons größer als der endseitige Durchmesser des Gehörganges ist. Damit wird der Vorteil erzielt, daß der Rauschabstand durch die größere elektrische Kapazität des Mikrophons erhöht ist, was den Forderungen der Digital­ technik besser entspricht.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal ist die offene Kammer in Verbindung mit einer gedämpften Masse als Saugkreis ausgebildet und vor der Membran des Mikrophons angeordnet. Um den Anforderungen der bisherigen Freifeldmeß­ methode in Richtung der Diffusfeldmessung nachzukommen, ist ein akustischer Tiefpaß als Saugkreis vor der Membran des Mikrophons eine akustisch vorteilhafte Lösung.

Es ist ferner zweckmäßig, wenn der äußere Gehör­ gang als gesonderte Rohrleitung nachgebildet ist. Um das äußere Ohr des Menschen vollständig nachzubilden, erweist sich eine Nachbildung des Gehörganges als vorteil­ haft.

Eine vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Ohrmuschelnachbildungen in je ein ge­ trenntes Gehäuse eingesetzt sind, die verdrehbar und verschwenkbar sind. Durch den Einsatz von getrennten Gehäusen für die Ohrmuschelnachbildungen ergibt sich der Vorteil, daß durch Verschwenkung oder Verdrehung der Gehäuse die akustische Feinabstimmung erhöht werden kann.

Schließlich ist es auch noch von Vorteil, wenn neben den Ohrmuschelnachbildungen mit einem elektrischen Hochpaß zwei Cardioidmikrophone mit elektrischem Tiefpaß angeordnet sind, wobei die Ausrichtung der Hochtonmikro­ phonpaare gegenüber den Tieftonpaaren veränderbar ist. Eine weitere Steigerung der akustischen Anpassung ist durch eine Aufspaltung des Übertragungsbereiches auf ein Hochton- und ein Tieftonmikrophon möglich, wobei der Hochtonbereich mit Ohrmuschelnachbildungen arbeitet und der Tieftonteil mit üblichen Cardioidmikrophonen.

Die Erfindung verfolgt weiterhin den Gedanken, den bisher für stereophone Aufnahmen gebräuchlichen Aufnahme­ techniken möglichst gerecht zu werden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in die Ohrmuschelnachbildungen die Mikrophone mit einseitiger Richtwirkung zur Ohr­ muschelachse schräg bzw. mit schräger Einspracheöffnung eingesetzt wird, wobei die Stellung der Ohrmuschel­ nachbildungen der Stellung der Ohren am menschlichen Kopf entspricht.

Eine solche Anordnung hat den Vorteil, im Frequenz­ bereich unterhalb von etwa 1500 Hz den für Stereoauf­ nahmen gebräuchlichen Aufnahmewinkel der beiden Mikrophone zwischen 90° und 140° zu wählen, während oberhalb der genannten Frequenz einzig und allein die Außenohrüber­ tragungsfunktion zur Geltung gelangt.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht noch darin, daß die Ohrmuschelnachbildungen im Abstand von etwa 18 cm angeordnet sind.

Der besondere Vorteil für diese Anordnung der Ohr­ muschelnachbildungen ist darin gegeben, daß die interaurale Zeitdifferenz zwischen beiden Ohrmuschelnachbildungen voll zur Auswirkung gelangt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung und Frequenzkurven dar­ gestellt.

In Fig. 1 sind zwei Ohrmuschelnachbildungen 1, 2 mit Mikrophonen 3, 4 in der Mündung des Gehörkanals des menschlichen Ohres dicht eingesetzt.

Die Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Einrichtung nach Fig. 1.

In der Fig. 3 sind zwei Ohrmuschelnachbildungen 1, 2 mit Mikrophonen 3, 4 übereinander angeordnet. Die schall­ durchlässigen Gehäuse in den Fig. 1, 2 und 3 sind mit 5 bezeichnet. Die Befestigung der Ohrmuschelnachbildungen im Gehäuse ist der Übersichtlichkeit halber weggelassen.

In Fig. 4 sind zwei Ohrmuschelnachbildungen 1, 2 mit dem menschlichen Gehörgang nachgebildeten Rohren 6 mit daran angeschlossenen Mikrophonen 7 und 8 dargestellt.

In Fig. 5 ist in die Ohrmuschelnachbildung ein Mikrophon 9 in der Größe des Ohrkanalquerschnitts einge­ baut.

Die Fig. 6 zeigt ein Mikrophon 10, dessen Abmessun­ gen größer sind als der Gehörgang. Ein akustischer Tief­ paß als Saugkreis, bestehend aus gedämpfter Masse 11 und offener Kammer 12 ermöglicht den Frequenzgang im Bereich von etwa 3000 Hz abzusenken, um für Diffusfeldentzerrung die Kompatibilität zwischen Kopfhörer und Lautsprecher herzustellen.

In Fig. 7 ist das Meßergebnis im schalltoten Raum eines Schallempfängers gemäß der Erfindung für ver­ schiedene Einfallsrichtungen bei konstantem Schalldruck wiedergegeben.

Die Fig. 8 zeigt das Meßergebnis eines Mikrophones eines herkömmlichen Kunstkopfes für verschiedene Einfalls­ winkel.

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel einer Ein­ richtung mit zwei in getrennten Gehäusen 13, 14 einge­ bauten Ohrmuschelnachbildungen dargestellt, die durch Verdrehung und Schwenkung die Aufnahmeeigenschaften für subjektive Regelung des räumlichen Eindruckes der Übertragung ermöglichen.

Ein Vergleich der Einrichtung gemäß der Erfindung mit dem Kunstkopfmikrophon ist den Fig. 7 und 8 zu entnehmen.

Während in Fig. 7 die Frequenzkurven für ver­ schiedene Einfallsrichtungen zeigen, daß die Einrichtung nach der Erfindung von den tiefsten Frequenzen bis etwa 1500 Hz eine frequenzunabhängige Richtwirkung mit Löschung von etwa 20 db und darüber liefert und im höheren Frequenzbereich die für die Ohrmuschel ent­ sprechende Kammfilterstruktur entsteht, ist wie Fig. 8 beweist, das Kunstkopfmikrophon im Frequenzbereich unter 1500 Hz durch eine Richtwirkung von höchstens 8 db gekennzeichnet. Das bedeutet, daß durch die angewendeten Druckempfänger nur Druckstau, Beugung und Reflexion der Kopfnachbildung wirksam sind. Damit ist auch die Kompatibilität von Kopfhörer und Lautsprecherwiedergabe gestört. Die Unverträglichkeit von Stereocardioid­ mikrophonen neben Kunstkopfsystemen ist durch diese Unterschiede im Bereich unter 1500 Hz durch wesentliche Raumklangunterschiede begründet. Die Fig. 7 und 8 zeigen andererseits die frequenzabhängigen Spitzen und Täler im hohen Frequenzbereich, die von der Schalleinfalls­ richtung bestimmt werden und für die Schallquellen­ richtung und Entfernung maßgebend sind.

In Fig. 10 sind die beiden Mikrophone 15, 16 für die stereophonische Aufnahme in den entsprechenden Ohr­ muschelnachbildungen 1, 2 jeweils zur Ohrmuschelachse schräg bzw. mit schräger Einspracheöffnung eingesetzt. Dabei verbleibt die Stellung der Ohrmuschelnachbildun­ gen 1, 2 am menschlichen Kopf gleich, wodurch die Mikrophone 15, 16 mit Richtwirkung für die Stereo­ aufnahme gemeinsam einen Winkel ϕ von etwa 90° bis zu 140° einschließen. Damit wird die bei Stereoaufnahmen im allgemeinen gebräuchliche und bewährte Mikrophon­ aufstellung für Frequenzen unterhalb von etwa 1500 Hz beibehalten, während im Bereich hoher Frequenzen die Ausrichtung und die Richtwirkung zusammen mit dem Frequenz­ verlauf der Ohrmuschelnachbildungen 1, 2 gegeben sind.

Werden die in den Gehäusen 13 und 14 untergebrachten Ohrmuschelnachbildungen 1, 2 und die in ihnen schräg ein­ gesetzten Mikrophone 15, 16 mit einseitiger Richtwirkung im Abstand A, der im allgemeinen bei etwa 18 cm liegen wird, voneinander angeordnet, so wird sowohl der Inten­ sitäts- als auch der Laufzeiteinfluß zwischen beiden Ohrmuschelnachbildungen voll wirksam. Auch hierbei läßt sich der bereits erwähnte Aufnahmewinkel ϕ von etwa 90° bis 140° für die Richtwirkung der Stereoaufnahme unterhalb von 1500 Hz beibehalten.

Claims (11)

1. Aufnahmeeinrichtung mit zwei im wesentlichen entgegengesetzt orientiert angeordneten Mikrophonen unter Verwendung von Nachbildungen des menschlichen Kopfes zur stereophonen Aufnahme von Schallereignissen, wobei die Mikrophone in den äußeren Gehörkanalnach­ bildungen eingebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Nachbildung des menschlichen Kopfes auf die der Ohrmuschelnachbildungen (1, 2) mit äußerem Gehörgang beschränkt und die Mikrophone (3, 4) mit einseitiger Richtwirkung, vorzugsweise mit dem mensch­ lichen Kopf entsprechender Stellung der Ohrmuschelöffnungen im niedrigen Frequenzbereich bis etwa 1500 Hz als Richt­ mikrophone, im Frequenzbereich darüber mit spektraler Auflösung der Außenohrübertragungsfunktion arbeiten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Ohrmuschelnachbildungen (1, 2) nebeneinander mit einander abgewendeten Ohröffnungen in ein schalldurchlässiges Gehäuse (5) eingebaut sind (Fig. 1, 2).

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Ohrmuschelnachbildungen (1, 2) übereinander in einem schalldurchlässigen Gehäuse (5) befinden (Fig. 3).

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Durchmesser des Gehörkanals und des Richtmikrophons (9) etwa gleich groß sind (Fig. 5).

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gehörkanal in eine offene Kammer (12) größeren Durchmessers mündet, wobei der Durchmesser des in dieser Kammer angeordneten Mikrophons (10) größer als der endseitige Durchmesser des Gehörganges ist (Fig. 6).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die offene Kammer (12) in Verbindung mit einer gedämpften Masse (11) als Saugkreis ausgebildet und vor der Membran des Mikrophons (10) angeordnet ist (Fig. 6).

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der äußere Gehörgang als gesonderte Rohr­ leitung (6) nachgebildet ist (Fig. 4).

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ohrmuschelnachbildungen in je ein getrenntes Gehäuse (13, 14) eingesetzt sind, die ver­ drehbar und verschwenkbar sind (Fig. 9).

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß neben den Ohrmuschelnachbildungen mit einem elektrischen Hochpaß zwei Cardioidmikrophone mit elektrischem Tiefpaß angeordnet sind, wobei die Ausrichtung der Hochtonmikrophonpaare gegenüber den Tieftonpaaren veränderbar ist.

10. Aufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ohrmuschel­ nachbildungen (1, 2) die Mikrophone (15, 16) mit ein­ seitiger Richtwirkung zur Ohrmuschelachse schräg, bzw. mit schräger Einspracheöffnung eingesetzt sind, wobei die Stellung der Ohrmuschelnachbildungen (1, 2) der Stellung der Ohren am menschlichen Kopf entspricht.

11. Aufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ohrmuschel­ nachbildungen (1, 2) im Abstand von etwa 18 cm angeordnet sind.