DE3733494C2 - - Google Patents

Description

Das bekannte sogenannte Kunstkopfübertragungsverfahren hat eine beachtliche Qualität der Schallübertragung in Verbindung mit Kopfhörerwiedergabe ermöglicht. Die Kom­ patibilität mit Lautsprecherwiedergabe ist jedoch nicht gelungen. Die Bemühungen, anstelle der Freifeldentzer­ rung sowohl des Kunstkopfes als auch des Kopfhörers die Diffusfeldentzerrung anzuwenden, haben die Möglichkeit der Kompatibilität näher gebracht. Andererseits ist die Anwendung des Kunstkopfes in der praktischen Übertra­ gungstechnik durch seine Größe ein optischer Störfaktor und daher nicht immer einsetzbar.

Die österreichische Patentschrift 3 37 279 zeigt eine Anordnung zur stereophonischen Aufnahme von Schallereig­ nissen mittels zweier benachbarter Schallempfänger, de­ ren Hauptempfangsrichtungen den Schenkeln eines (stump­ fen) Winkels entsprechen. Die beiden Schallempfänger weisen bis etwa 500 Hz eine kugelförmige Richtcharakte­ ristik auf, oberhalb der Übergangsfrequenz ist dagegen eine einseitige Richtcharakteristik vorgesehen. Die Ein­ spracheöffnungen der Schallempfänger sind dabei einander abgewandt und zudem etwa 18-21 cm voneinander ent­ fernt. Eine dem natürlichen Hören ähnliche nach vorne orientierte Richtcharakteristik wird entweder durch eine Neigung der Schallempfänger nach vorne (mit einem von den Hauptachsen eingeschlossenen Winkel von etwa 135°) oder bei sich diametral gegenüber liegenden Einsprache­ öffnungen (eingeschlossener Winkel gleich 180°) durch Ohrmuschelnachbildungen im Bereich der Einspracheöffnun­ gen erreicht. Die Ohrmuschelnachbildungen sind dabei in der natürlichen Stellung ausgerichtet und bewirken da­ durch eine Richtwirkung nach vorne. Diese Aufnahmeein­ richtung kann in der Praxis nicht voll befriedigende Ergebnisse liefern.

Aus der DE-OS 19 27 401 sind Kunstköpfe bekannt, bei denen Mikrophon und Ohrnachbildung entfernt werden kön­ nen. Ein Mikrophon und eine Ohrnachbildung bildet dabei eine Einheit. Wenn beide Einheiten aus dem Kunstkopf herausgenommen werden, so handelt es sich um Einzelele­ mente, die keine gegenseitige Zuordnung zueinander auf­ weisen. 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 Verbesse­ rung der Qualität von der einfachen Kopfnachbildung auf detaillierte Nachbildungen des Kopfes, z. B. Haare, Bart u. dgl. übergeht. Demgegenüber wird erfindungsgemäß ent­ gegen dieser Tendenz auf den Kunstkopf an sich überhaupt verzichtet.

Das Problem, daß Kunstkopfaufnahmen nur in der Wieder­ gabe mit Kopfhörern brillant sind, jedoch bei Lautspre­ cherwiedergabe 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 Lautsprecherwiedergabe eignen. Die Ursache liegt darin, daß üblicherweise die Mikrophonanordnungen so getroffen sind, daß an Stelle einer Freifeldentzerrung eine Diffusfeldentzerrung durchgeführt wird. Für die Diffusfeldentzerrung ist eine Reihe von Koppelelementen zusätzlich erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Kompatibilität von Kopfhörer- und Lautsprecherwiedergabe zu verbessern.

Die Erfindung zeigt, daß eine qualitative Übertragung über Lautsprecher realisierbar ist, ohne daß der eingangs beschriebene Aufwand notwendig wäre. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß dann, wenn man sich einerseits bezüglich des Kunstkopfes lediglich auf die Ohrmuscheln beschränkt und andererseits Mikrophone mit der Eigenschaft verwendet, daß sie im niedrigen Frequenzbereich bis etwa 1500 Hz als Richtmikrophone arbeiten und im Frequenzbereich darüber mit spektraler Auflösung der Außenohrübertragungsfunk­ tion, eine auch für Lautsprecher geeignete qua­ litative Wiedergabe erreichbar ist. Überdies ergibt sich noch der Vorteil, daß durch Einflußnahme auf die Richtcharakteristik bzw. die Ohrmuschelstellung zusätzliche akustische Effekte erzielbar sind. Dabei vermeidet die Erfindung die Anwendung einer vollständigen Nachbildung eines menschlichen Kopfes und ermöglicht überdies eine Vielzahl von Varianten des Schallempfanges.

Eine besonders natürliche Aufnahme bzw. Wiedergabe der Schallereignisse wird insbesondere dann erreicht, wenn die Stellung der Ohrmuschelöffnungen derjenigen des mensch­ lichen Kopfes entspricht.

Die bekannten Kunstköpfe enthalten innerhalb der Kopf­ nachbildung an den Ohrmuscheln angeschlossene Druckemp­ fänger vornehmlich auf elektrostatischer Basis, die zur Freifeldentzerrung ein oder mehrere passive Filter ent­ halten. Diese Maßnahmen haben Störungen der kammfilter­ artigen Ohrresonanzen nicht verhindern können. Eine ver­ besserte Ausführung hat die Diffusfeldentzerrung 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 Wie­ dergabeverfahren, das derzeit ausschließlich für Schal­ laufnahmen 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 zufrie­ denstellend. Damit entstehen Klangverfälschungen und andere Übertragungsfehler, die sich zur Wiedergabe mit­ tels Lautsprecher nicht eignen.

Die von herkömmlichen Cardioidmikrophonen aufgenommenen Stereosignale hingegen sind ohne Kammfilterstruktur ei­ nes menschlichen Ohres. Wenn diese Signale durch Laut­ sprecher an das Ohr des Zuhörers kommen, sollten seine Ohren durch ihre richtungsabhängigen Resonanzen Entfer­ nung und Richtung des Schallereignisses erkennen. Da die Schallsignale jedoch nicht in der Richtung eintreffen, die mit dem originalen Schallereignis übereinstimmen, ist die Bildung der richtigen Originalsignale nicht mehr möglich. Es bleibt nur der Intensitätseffekt des bipho­ nen 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 ermög­ lichen durch die weich gelagerte Membran, bei Kondensa­ tortypen 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 Ohrmu­ scheln durch ihre Ohrresonanzen in Kammfilterstruktur für den psychoakustischen Effekt des Richtungs- und Ent­ fernungshörens maßgebend sind, entstehen keine störenden Einflüsse.

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

Unter etwa 1500 Hz arbeiten die Mikrophone mit einseiti­ ger Richtwirkung bei Stellung der Ohrmuscheln entspre­ chend dem menschlichen Kopf unter einem Winkel von etwa 105 Grad, da die Dimension der Ohrmuschel als Umweg­ scheibe für den Druckgradienten wirkt.

Während am menschlichen Kopf unter 1500 Hz sowohl die Zeitdifferenz als auch die Intensitätsdifferenz abhängig vom Einfallswinkel der Schallwellen ist, ist für Stereo­ übertragung mit zwei Ohrmuschelnachbildungen und daran angeschlossenen Richtmikrophonen gemäß der Erfindung nur die Intensität wirksam. Durch die Form der Richtcharak­ teristik sowie durch Drehung oder Neigung der Ohren kön­ nen im Gegensatz zum Kunstkopf vielerlei Effekte in der Übertragungstechnik erzielt werden.

Für die Größe des Druckgradienten des im niedrigen Fre­ quenzbereich wirkenden Richtmikrophons ist die Gesamt­ fläche der Ohrmuschel verantwortlich, während im Bereich über 1500 Hz die Hohlräume der Ohrmuschel mit ihren cha­ rakteristischen Vertiefungen entscheidend durch die Aus­ bildung ihrer Kammfilterstruktur sind. Im niedrigen Fre­ quenzbereich ist bis zu einer Ausdehnung der menschli­ chen Ohrmuschel auf die Größe von λ/2 der Druckgra­ dient 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 nebenein­ ander mit einander abgewendeten Ohröffnungen in ein schalldurchlässiges Gehäuse eingebaut sind. Im Gegensatz zum Kunstkopf, 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 Ohrmuschelnach­ bildungen übereinander in einem schalldurchlässigen Ge­ häuse 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 Ohrmuschel­ nachbildung erfordert keine besondere Anpassung zufolge der Tatsache, daß die Membran etwa die gleiche Flächen­ ausdehnung aufweist, wie das Trommelfell des menschli­ chen 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 Rauschab­ stand durch die größere elektrische Kapazität des Mikro­ phons erhöht ist, was den Forderungen der Digitaltechnik besser entspricht.

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

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

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 ange­ ordnet sind, wobei die Ausrichtung der Hochtonmikrophon­ paare gegenüber den Tieftonpaaren veränderbar ist. Eine weitere Steigerung der akustischen Anpassung ist durch eine Aufspaltung des Übertragungsbereiches auf ein Hoch­ ton- und ein Tieftonmikrophon möglich, wobei der Hoch­ tonbereich mit Ohrmuschelnachbildungen arbeitet und der Tieftonteil mit üblichen Cardioidmikrophonen.

Die Erfindung verfolgt weiterhin den Gedanken, den bis­ her 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 Ohrmu­ schelachse schräg bzw. mit schräger Einspracheöffnung eingesetzt wird, wobei die Stellung der Ohrmuschelnach­ bildungen der Stellung der Ohren am menschlichen Kopf entspricht.

Eine solche Anordnung hat den Vorteil, im Frequenzbe­ reich unterhalb von etwa 1500 Hz den für Stereoaufnahmen gebräuchlichen Aufnahmewinkel der beiden Mikrophone zwi­ schen 90° und 140° zu wählen, während oberhalb der ge­ nannten Frequenz einzig und allein die Außenohrübertra­ gungsfunktion 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 Ohrmu­ schelnachbildungen ist darin gegeben, daß die interaura­ le Zeitdifferenz zwischen beiden Ohrmuschelnachbildungen voll zur Auswirkung gelangt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung und Frequenzkurven dargestellt.

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 eingebaut.

Die Fig. 6 zeigt ein Mikrophon 10, dessen Abmessungen größer sind als der Gehörgang. Ein akustischer Tiefpaß 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 verschiedene Einfallsrichtungen bei konstantem Schalldruck wiederge­ geben.

Die Fig. 8 zeigt das Meßergebnis eines Mikrophones eines herkömmlichen Kunstkopfes für verschiedene Einfallswin­ kel.

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung mit zwei in getrennten Gehäusen 13, 14 eingebauten Ohr­ muschelnachbildungen dargestellt. Durch Verdrehen und Schwenken der Gehäuse ist eine subjektive Veränderung des räumlichen Eindruckes der Übertragung möglich.

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

Während in Fig. 7 die Frequenzkurven für verschiedene 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 Frequenz­ bereich die für die Ohrmuschel entsprechende Kammfilter­ struktur entsteht, ist wie Fig. 8 beweist, das Kunst­ kopfmikrophon 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 Unver­ träglichkeit von Stereocardioidmikrophonen neben Kunst­ kopfsystemen ist durch diese Unterschiede im Bereich unter 1500 Hz durch wesentliche Raumklangunterschiede begründet. Die Fig. 7 und 8 zeigen andererseits die fre­ quenzabhängigen Spitzen und Täler im hohen Frequenzbe­ reich, die von der Schalleinfallsrichtung bestimmt wer­ den und für die Schallquellenrichtung und Entfernung maßgebend sind.

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

Werden die in den Gehäusen 13 und 14 untergebrachten Ohrmuschelnachbildungen 1, 2 und die in ihnen schräg eingesetzten Mikrophone 15, 16 mit einseitiger Richtwir­ kung im Abstand A, der im allgemeinen bei etwa 18 cm liegen wird, voneinander angeordnet, so wird sowohl der Intensitäts- als auch der Laufzeiteinfluß zwischen bei­ den 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 (12)

1. Aufnahmeeinrichtung mit zwei im wesentlichen entge­ gengesetzt orientiert angeordneten Mikrophonen zur ste­ reophonen Aufnahme von Schallereignissen, mit Ohrmusch­ elnachbildungen (1, 2) mit äußerem Gehörgang, die den menschlichen Ohrmuscheln nachgebildet sind, wobei die Mikrophone (3, 4) in den äußeren Gehörkanalnachbildungen ein­ gebaut sind und mit einseitiger Richtwirkung arbeiten, und zwar im niedrigen Frequenzbereich bis etwa 1500 Hz als Richtmikrophone und im Frequenzbereich darüber mit spektraler Auflösung der Außenohrübertragungsfunktion.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Ohrmuschelöffnungen derjenigen des menschlichen Kopfes entspricht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ohrmuschelnachbildungen (1, 2) nebenein­ ander mit einander abgewendeten Ohröffnungen in ein schalldurchlässiges Gehäuse (5) eingebaut sind (Fig. 1, 2).

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

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser des Gehörkanals und des Richtmikro­ phons (9) etwa gleich groß sind (Fig. 5).

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

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

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Gehörgang als gesonderte Rohrleitung (6) nachgebildet ist (Fig. 4).

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ohrmuschelnachbildungen in je ein getrenntes Gehäuse (13, 14) eingesetzt sind, die verdrehbar und verschwenkbar sind (Fig. 9).

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Ohrmuschelnachbildungen mit einem elektri­ schen Hochpaß zwei Cardioidmikrophone mit elektrischem Tiefpaß angeordnet sind, wobei die Ausrichtung der Hoch­ tonmikrophonpaare gegenüber den Tieftonpaaren veränder­ bar ist.

11. Aufnahmeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ohrmuschelnach­ bildungen (1, 2) die Mikrophone (15, 16) mit einseitiger Richtwirkung zur Ohrmuschelachse schräg, bzw. mit schrä­ ger Einspracheöffnung eingesetzt sind, wobei die Stel­ lung der Ohrmuschelnachbildungen (1, 2) der Stellung der Ohren am menschlichen Kopf entspricht.

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