DE3806915C2

DE3806915C2 -

Info

Publication number: DE3806915C2
Application number: DE3806915A
Authority: DE
Inventors: Noburu Tokio/Tokyo Jp Tominari
Original assignee: DYNAVECTOR Inc TOKIO/TOKYO JP
Current assignee: DYNAVECTOR Inc TOKIO/TOKYO JP
Priority date: 1987-03-04
Filing date: 1988-03-03
Publication date: 1991-06-27
Also published as: GB2202111B; US4955057A; GB8803196D0; DE3806915A1; GB2202111A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Nachhall-Generator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Nachhall-Generatoren kommen in elektroakustischen Systemen zur Verwendung, zum Beispiel bei einem elektrischen Musikinstrument oder in einem Tonwiedergabe-System zur Erzeugung von Nachhall innerhalb des wiedergegebenen Klanges oder zur Verstärkung der Präsenz derart, daß der Hörer empfindet, die Wiedergabe des Klanges wie in einem Konzertsaal oder dergleichen zu hören.

Bei Nachhall-Generatoren tritt insbesondere das Problem auf, daß ein unnatürlich wirkender Nachhall erzeugt wird, abweichend von einem Nachhall wie er tatsächlich in einem Konzertsaal vorkommt. Hierbei können bei bekannten Anordnungen Nachhalleffekte entstehen, die durch das menschliche Gehör erfaßt werden, was dem Hörer ein unangenehmes Gefühl bereitet.

Hierbei ist es bekannt, daß ein Hörer im Konzertsaal die Präsenz des Klangbildes wahrnimmt als Resultat der Differenz zwischen dem zeitlichen Eintreffen des direkten von der Schallquelle herrührende Klanges und des indirekten Klanges oder Nachhall, der an den Wänden oder vom Boden des Konzertsaales reflektiert wird.

In Konzertsälen wird nämlich der von der Schallquelle ausgehende Schall wiederholt durch Wände oder am Boden reflektiert, wobei eine Anzahl Reflektionen erzeugt werden, die wahrgenommen werden können. Durch derartige Mehrfachreflektionen wird der Eindruck der Größe eines Konzertsaales vermittelt, was bei den bekannten Nachhall-Generatoren in einer vom Hörer als angenehm empfundenen Art fehlt.

Ein Nachhall-Generator der eingangs genannten Art ist bereits aus der US-PS 39 92 582 bekannt, wo bereits in eine Aufteilung des Frequenz-Bereiches mittels Filteranordnungen und Verzögerungsschaltungen eine gewiße Dispersion im Nachhall eingebracht wird. Bei diesem bekannten Nachhall-Generator wird das erzeugte Klangbild allerdings unnatürlich empfunden, weil es nicht vorgesehen ist, das Audio-Signal in vielfacher Wiederholung, insbesondere Frequenz abhängig, der Dispersion auszusetzen.

Aus dem Journal of the Audio Engineering Society, Vol 10, July 1962, No. 3, S. 219-223 ist es bereits bekannt, eine Frequenz abhängige Nachhallzeit zu realisieren, wobei allerdings nachteilig eine spektrale Dispersion nicht vorgesehen ist.

Aus der DE-OS 36 19 031 ist zwar eine Phasenschieber-Anordnung bekannt, die auch beim Anmeldungsgegenstand verwendet wird, jedoch werden mit dieser bekannten Schaltungsanordnung nur pseudo-quadrophone Signale aus Zweikanal-Stereosignalen erzeugt.

Aus KUTTRUFF, H.: Künstlicher Nachhall, Zeitschrift Frequenz, Bd. 16, 1962, Nr. 3, S. 91-96 ist es bereits bekannt, Dispersionen im Klangbild zu erzeugen, allerdings in Hinsicht auf Biegeschwingungen in Hallplatten, was mit Blickrichtung auf das Klangbild eher als nachteilig angesehen wurde.

Aus der US-PS 40 97 689 ist es weiterhin bekannt, bei Kopfhörer-Wiedergabe das Klangbild geschlossener Räume nachzubilden, und zwar mittels einer Nachhalleinrichtung, bestehend aus einer Verzögerungsschaltung mit einem Phasenschieber im Rückkopplungspfad.

Hierbei wird zwar nach Art einer Filterwirkung eine gewisse spektrale Dispersion hervorgebracht, jedoch ist nicht ersichtlich, mit welchen quantitativen Angaben und eventuell zusätzlichen Filtereinrichtungen der Klang in einem Konzertsaal oder dergleichen naturgetreu wiedergegeben werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Nachhall-Generator der genannten Art so weiterzubilden, daß in Verbindung mit einer Mehrkanal-Wiedergabeeinrichtung ein weitgehend natürliches in einem Konzertsaal herrschendes Klangbild erzeugt wird und hierbei, in Bezug auf die Aufstellung der Lautsprecher, ein großer Freiheitsgrad gewährleistet ist.

Zur Lösung der Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Das Wesen des Nachhall-Generators nach der Erfindung liegt darin, daß in Verbindung mit dem Allpaß-Filter ein natürlicher und angenehmer Nachhall erzielt wird, weil zusätzlich zu der an sich üblichen Rückkopplungsrate und der Verzögerungszeit die Frequenz-Phasenverzögerungs-Charakteristik als justierbarer Parameter vorgesehen ist. Bei bekannten Anordnungen läßt sich möglicherweise die Rückkopplungsrate und die Verzögerungszeit einschließen, jedoch entstehen dann, insbesondere bei Erhöhung der Rückkopplungsrate oder der Verzögerungszeit, unangenehme Effekte. Bei der Erfindung jedoch läßt sich zusätzlich die Frequenz-Phasenverzögerungs-Charakteristik einstellen, so daß ein lang anhaltender Nachhall, insbesondere durch die Kombination des Allpaß- Filters mit dem Rückkopplungspfad erreicht werden kann. In dieser Art können die in einem Konzertsaal auftretenden lang dauernden Reflektionen, in Verbindung mit der Rückkopplung, wo ein gedämpftes Abklingen erfolgt, besonders gut realisiert werden.

In dieser Hinsicht wird bei der Erfindung das Audio-Eingangssignal wiederholt der Dispersion unterworfen, und zwar nacheinander folgend, was insbesondere durch die Herausnahme des Allpaß-Filters in den Rückkopplungspfad erzielt wird. Dadurch kann ein extrem naturgetreuer Nachhall, insbesondere durch Auswahl einer großen Rückkopplungsrate, produziert werden. Der in dieser Art erzeugte Nachhall liegt sehr nahe dem tatsächlich in einem Konzertsaal auftretenden Nachhall, wo in mehrfacher Reflektion an Wänden oder dem Boden dort ebenfalls der Schall reflektiert wird, so daß hierbei mehrfach Dispersionen entstehen, was in dieser Art bei der Erfindung nachgestellt wird.

Ausgehend davon kann ein Hörer in die Lage versetzt werden, bei der Erfindung die Größe des Konzertsaales durch Justierung der Verzögerungszeit wahrzunehmen.

Zusätzlich ist es auch möglich, außergewöhnliche an sich unnatürliche Effekte zu erzielen, wobei absichtlich die Dispersion unterdrückt wird und gleichzeitig die Rückkopplungsrate und die Verzögerungszeit erhöht wird.

Im weiteren läßt sich bei der Erfindung in unerwarteter Weise feststellen, daß bei der Schall-Wiedergabe die Sublautsprecher gegenüber den Hauptlautsprechern um bis zu 90° versetzt werden können, ohne daß hierbei die Präsenz verschlechtert wird. Bei den bekannten Anordnungen mußte in Bezug auf den Freiheitsgrad der Lautsprecher ein spezieller Winkel eingehalten werden, um die Funktion der Anlage in Bezug auf das erzeugte Klangbild zu gewährleisten.

Die vorhergehend erwähnten Vorteile vorliegender Erfindung werden aus der nachfolgenden, Details bevorzugter Ausführungsformen anhand der anliegenden Zeichnungen aufzeigenden, Beschreibung klarer ersichtlich.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine grafische Darstellung einer Frequenz-Phasenverzögerungs- Charakteristik eines Allpaß-Filters zur Verwendung in dem Nachhall-Generator gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 2 eine grafische Darstellung einer Frequenz-Verzögerungszeit- Charakteristik entsprechend der Charakteristik nach Fig. 1, bei einer Vielzahl von Filtern;

Fig. 3 ein Schaltbild eines Allpaß-Filters mit einem Phasenschieber, welcher die in Fig. 1 dargestellte Frequenz-Phasen- Charakteristik aufweist;

Fig. 4 eine grafische Darstellung einer Frequenz-Phasen- Charakteristik des Phasenschieber-Elements der Fig. 3;

Fig. 5 (A) und (B) jeweils grafische Darstellungen der Impuls- Charakteristik des Allpaß-Filters mit der Frequenz-Phasen verzögerungs-Charakteristik und der entsprechenden Frequenz- Verzögerungszeit-Charakteristik der Fig. 1 bzw. Fig. 2;

Fig. 6 ein Schaltbild für Allpaß-Filter gemäß vorliegender Erfindung in Kaskadenanordnung;

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des Nachhall- Generators vorliegender Erfindung;

Fig. 8 eine grafische Darstellung der Impuls-Charakteristik einer Kaskade der Fig. 6 dargestellten Allpaß-Filter;

Fig. 9 (A) bis (E) grafische Darstellungen der einzelnen Wellenformen, die mit den in Fig. 8 gezeigten Impulsen vom Nachhall-Generator nach Fig. 6 erzeugt werden;

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des Nachhall-Generators der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 (A) bis (D) eine grafische Darstellung einer Impuls- Charakteristik des in der Fig. 9 dargestellten Nachhall- Generators;

Fig. 12 ein Blockschaltbild eines bekannten Mehrkanal-Wiedergabe systems, dem ein Nachhall-Generator der vorliegenden Erfindung zugeordnet werden kann;

Fig. 13 eine Draufsicht auf eine Lautsprecher-Anordnung gemäß der Fig. 12 in einem Raum.

Die Fig. 1 zeigt eine Frequenz-Phasenverzögerungs-Charaktersitik eines Allpaß-Filters mit konstanter Phasenverzögerung, unabhängig von der Frequenz, vorgesehen für die Verwendung im Nachhall-Generator vorliegender Erfindung.

Ein derartiger Allpaß-Filter ist an sich bekannt. Der Allpaß-Filter hat eine Übertragungs-Funktion gemäß

worin s eine komplexe Frequenz (allgemein als Laplace′s Operator bezeichnet), τl eine Zeitkonstante, und n eine positive Ganzzahl ist.

Folglich produziert der Allpaß-Filter eine Phasenverzögerung, die in einem niedrigen Frequenzbereich steil zunimmt und dann einen sehr großen konstanten Phasenwinkel erreicht, der das Mehrfache von π im Radianten oder n×180° in einem höheren Frequenzbereich ist. Es ist praktisch, eine Zeitkonstante τl auszuwählen, um eine gemeinsame Zeitkonstante τ zu haben, wobei in diesem Fall die Gleichung (1) wie folgt vereinfacht werden kann:

Die bei jeder Frequenz f vom Allpaß-Filter produzierte Verzögerungszeit ist proportional zu einem Differentialquotienten der Phasenverzögerung, -dΦ/df. Folglich wird entsprechend der Frequenz-Phasenverzögerungs- Charakteristik nach Fig. 1 eine Frequenz-Verzögerungszeit-Charakteristik nach Fig. 2 erreicht, in der die Verzögerungszeit im höheren Frequenzbereich klein ist und mit abnehmender Frequenz zum unteren Frequenzbereich hin steil oder jäh zunimmt.

In Fig. 2 ist die durch eine Anzahl Kurven dargestellte Frequenz- Verzögerungszeit-Charakteristik zusammen mit einer positiven Ganzzahl n in der Gleichungen (1) oder (2) als Parameter gezeigt.

Die Fig. 5 zeigt beispielhaft eine typische Impuls-Charakteristik eines Allpaß-Filters, mit der Frequenz-Phasenverzögerungszeit-Charakteristik und der entsprechenden Frequenz-Verzögerungszeit-Charakteristik der Fig. 1 bzw. 2. Wie aus der Zeichnungsfigur ersichtlich, erscheint eine höhere Frequenzkomponente nach einem Eingangsimpuls, während die unteren oder niederen Frequenzkomponenten später erscheinen. Dies ist ein nach Art einer Einstreuung "Dispersion" genanntes Phänomen.

Im akustischen Raum einer Architektur enthält der Nachhall im wesentlichen keine Hochfrequenz-Komponenten höher als 4 kHz. Andererseits haben die Klang-Komponenten mit einer niederen Frequenz eine große Verzögerungszeit, die mit absinkender Frequenz zunimmt. Zum Beispiel hat die Klang-Komponente mit einer niederen Frequenz von 50 bis 100 Hz eine sehr große Verzögerungszeit von 100 ms oder mehr.

Ein Allpaß-Filter zur Erreichung der Dispersion nach der Erfindung wird durch Kaskadenschaltung eines an sich bekannten Phasenschieber-Elements nach Fig. 3 in zahlreiche Stufen aufgebaut. Das einzelne Phasenschieber-Element nach Fig. 3 hat eine Übertragungs-Charakteristik wie folgt:

Der Schaltkreis in Fig. 3 ist an sich bekannt und bedarf deshalb keiner detaillierten Beschreibung. Das Phasenschieber-Element mit der Übertragungs-Charakteristik der Gleichung (3) weist eine Frequenz-Phasen-Charakteristik auf, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist.

In der Gleichung (3) ist der Parameter τ durch τ=R_P · C_P definiert, wobei R_P und C_P den Widerstand und die Kapazität eines Widerstands R_P bzw. Kondensators C_P in Fig. 3 darstellt.

Aus der Frequenz-Phasen-Charakteristik der Fig. 4 kann ersehen werden, daß das Phasenschieber-Element der Fig. 3 eine Verzögerung der Phase produziert, die klein bei niedrigen Frequenzen ist und dann mit der Frequenz zunimmt und den 180° Phasenwinkel bei einer bestimmten Frequenz erreicht. Aus der Zeichnungsfigur ist auch zu ersehen, daß die Frequenz f₁, bei der die Verzögerung der Phase 90° erreicht, durch die Gleichung f₁=½πτ definiert ist.

Durch Kaskadenschaltung des Phasenschieber-Elements der Fig. 3 in n-Stufen wird eine Phasenverzögerung von n×180° an der oberen Frequenzgrenze erreicht. Folglich kann der in den Gleichungen (1) und (2) verwendete Parameter n als die Zahl der Stufen des Phasenschieber- Elements der Fig. 3 interpretiert werden.

Die Fig. 6 zeigt z. B. ein Allpaß-Filter für die Verwendung im Nachhall-Generator der vorliegenden Erfindung, in welchem das Phasenschieber-Element der Fig. 3 in zahlreichen Stufen vorgesehen ist. Durch die Kaskadenschaltung des Phasenschieber-Elements in derart vielen Stufen wird ermöglicht, eine Frequenz-Phasenverzögerungs-Charakteristik zu erreichen, in der die Verzögerung der Phase in einem niedrigen Frequenzbereich steil zunimmt und dann eine sehr große Konstante (n ×180°), mit ansteigender Frequenz, in einem höheren Frequenzbereich erreicht wird. Wie bereits beschrieben, muß die Konstante n×180° größer als ca. 3000fach sein. Folglich muß der Wert von n zumindest größer als zehn Ungerade (ca. 17) oder zwanzig sein. Bei dem Nachhall in einem Konzertsaal fehlen generell die hohen Frequenz-Komponenten oberhalb einer Frequenz von ca. 4 kHz. Ferner ist bekannt, daß die Frequenz- Komponenten mit einer Frequenz über 1 kHz vom Zuhörer in Form eines Echos nicht wahrgenommen werden. Folglich produziert die Frequenz-Ver zögerungszeit-Charakteristik nach Fig. 2, gemäß der Frequenz-Phasen verzögerungszeit-Charakteristik nach Fig. 1, nur eine kurze oder kleine Verzögerungszeit in dem über 1 kHz liegenden Frequenzbereich.

Im folgenden wird nun eine erste Ausführungsform eines Nachhall-Generators gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Fig. 7 bis 9 beschrieben.

Die Fig. 7 zeigt das Blockschaltbild dieser ersten Ausführungsform des Nachhall-Generators der vorliegenden Erfindung. In der Zeichnung weist die Bezugsziffer 10 auf einen Verzögerungs-Schaltkreis hin, der eine Übertragungs-Charakteristik von e^{-s ·} ^Δ ^T für das Einbringen der Verzögerungszeit ΔT in das Audio-Eingangssignal hat. Der Verzögerungs- Schaltkreis ist mit einem Allpaß-Filter 12 in Serie geschaltet, der eine Übertragungs-Charakteristik G(s) hat, wie sie in den Gleichungen (1) oder (2) definiert ist. Da nun ein Allpaß-Filter mit Übertragungs-Charakteristik nach Gleichung (2) gegenüber einem mit der Übertragungs-Charakteristik nach Gleichung (1) einfacher im Aufbau durch die einfache Kaskadenschaltung der identischen Phasenschieber-Elemente der Fig. 3 ist, basiert die folgende Beschreibung auf dem Allpaß-Filter mit der Übertragungs-Charakteristik der Gleichung (2). Es ist jedoch anzumerken, daß die Übertragungs-Charakteristik des im Nachhall-Generator der vorliegenden Erfindung verwendeten Allpaß-Filters keinesfalls auf eine nach der Gleichung (2) beschränkt ist, sondern auch ein Allpaß-Filter mit der Übertragungs-Charakteristik nach Gleichung (1) in der allgemeinen Form ebenso zur Verwendung kommen kann.

Ein auf die Eingangsklemme ("IN" in Fig. 7) des Nachhall-Generators gegebene Audio-Eingangssignal wird dem Verzögerungs-Schaltkreis 10 zugeführt, wodurch das Audio-Signal mit der Verzögerungszeit ΔT verzögert wird, und das so erstellte Ausgangssignal wird dann dem Allpaß-Filter 12 zugeführt. Das Ausgangssignal wird gleichzeitig zu einem Summierungs-Knotenpunkt 18 zurückgeführt, der mit einem Eingang des Verzögerungs-Schaltkreises 10 über einen Rückkopplungspfad 16 verbunden ist, der ein Dämpfungsglied 14 einschließt, wodurch eine Vielzahl Ausgangssignale, jedoch gedämpft und mit einer Verzögerungszeit ΔT belegt, sequentiell produziert und diesem Allpaß-Filter 12 zugeführt werden. Vorteilhaft ist hier, daß der Allpaß-Filter 12 den in der Fig. 6 gezeigten Phasenschieber-Schaltkreis nutzt. Ein Audio-Ausgangssignal liegt an der Ausgangsklemme ("OUT" in Fig. 7), die mit dem Ausgang des Allpaß-Filters 12 verbunden ist. Der Rückkopplungspfad 16 und der Verzögerungs-Schaltkreis 10 kann aus an sich bekannten Elementen aufgebaut sein, so daß sich Beschreibungen erübrigen. Der mit den Schaltungs-Elementen 10, 14 und 16 aufgebaute Schaltungsteil ist nichts anderes als eine herkömmliche Nachhall-Generator-Schaltung. Folglich hat der in der Fig. 7 gezeigte Nachhall-Generator einen Vorteil, nämlich daß dieser sehr einfach durch die zusätzliche Anordnung des Allpaß-Filters 12, welcher die Charakteristiken der Fig. 1 und 2 aufweist, mit einer bereits existierenden herkömmlichen Nachhall- Generator-Schaltung aufgebaut werden kann.

Die Fig. 8 zeigt die Impuls-Charakteristik des Schaltungsteils des Nachhall-Generators, bestehend aus den Schaltkreisen 10, 14 und 16. Ansprechend auf einen Eingangsimpuls, produziert der Verzögerungs- Schaltkreis einen Ausgangsimpuls a1 am Ausgang mit einer Verzögerungszeit ΔT. Dieser Ausgangsimpuls a1 wird über den Rückkopplungspfad 16 zum Eingang des Verzögerungs-Schaltkreises 10 zurückgeführt, wodurch eine vorbestimmte Dämpfung auf den Impuls a1, in Übereinstimmung mit der Übertragungs-Charakteristik K gegeben wird. Daraus resultiert, daß ein zweiter, in der Höhe reduzierter Impuls a2 am Ausgang des Verzögerungs-Schaltkreises 10 erscheint, der auch eine Verzögerungszeit ΔT hat. Dieser Vorgang wiederholt sich und eine Serie exponentiell gedämfter Impulse mit einem Intervall von ΔT wird dadurch wiederholt produziert. Die Operation oder der soweit beschriebene Ablauf ist identisch mit dem eines herkömmlichen Nachhall-Generators, wo allerdings keine Dispersion eingebracht werden kann.

Die Serie der Impulse a1, a2, a3, a4, a5, . . . wird dem Allpaß-Filter 12 zugeführt. Wie bereits beschrieben, ist der Allpaß-Filter nicht ein einfaches, an sich bekanntes Phasenschieber-Element, sondern ein mittels des in Fig. 3 gezeigten Phasenschieber-Elements in Kaskadenform in zahlreichen Stufen aufgebaut. Dieses Allpaß-Filter-Element 12 bringt eine Dispersion in das Spektrum eines diesem zugeführten Eingangssignals ein und produziert ein Ausgangssignal mit einer Wellenform ähnlich der durch Reflexionen an den jeweiligen Wänden oder dem Boden eines Konzertsaales geformten Wellenform. Für diese Zwecke muß das Allpaß- Filter-Element eine Frequenz-Phasenverzögerungs-Charakteristik haben, die eine Phasenverzögerung derart produziert, daß diese Verzögerung mit der Frequenz in einem niedrigen Frequenzbereich steil zunimmt und sich einer sehr großen Konstante in einem höheren Frequenzbereich annähert, die zumindest größer als etwa 3000fach in diesem höheren Frequenzbereich ist.

Folglich produziert das Allpaß-Filter-Element eine Serie von Signalen, die eine Dispersion im Spektrum haben, wie es in den Fig. 9(B) bis (E) dargestellt ist. Die Amplitude der Signale in den Fig. 9(B) bis 9(E) entspricht der Amplitude der Impulse a1, a2, a3, a4 und a5. Demzufolge produziert der Nachhall-Generator ein Audio-Ausgangssignal, das eine Überlagerung der in den Fig. 9 (B) bis 9 (E) dargestellten Signale darstellt. Dieses Audio-Ausgangssignal des Nachhall-Generators hat eine extrem komplexe Wellenform, wobei die Darstellung dieser Wellenform ausgelassen ist.

Die in der Fig. 9 (A) gezeigten Impulse a1, a2, a3, a4, a5, . . . entsprechen den mehrfachen Reflexionen einer Klang- oder Schallwelle in einem Konzertsaal. Folglich simulieren die Signale in den Fig. 9 (B) bis (E) den Nachhall, der durch die Zerstreuung der reflektierten Klang-Impulse an den Wänden oder am Boden des Konzertsaales erzeugt wird. Hierbei kann der Nachhall-Generator nach Fig. 7 den Effekt mehrfacher Reflektionen in einem Konzertsaal simulieren. Ferner kann der Nachhall-Generator das Empfinden der Größe oder Dimension eines Konzertsaales vermitteln, indem die Verzögerungszeit ΔT erhöht oder vermindert wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, einen außergewöhnlichen oder eher unüblichen Effekt absichtlich durch die Unterdrückung der Dispersion zu bewirken, wodurch die individuellen Klangbilder entsprechend der Fig. 9 (B) bis 9 (E) durch das menschliche Gehör ausgelöst oder zerlegt werden.

Die Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des Nachhall-Generators der vorliegenden Erfindung. Der in der Zeichnungs figur gezeigte Verzögerungs-Schaltkreis 20 hat eine Übertragungs- Charakteristik von e^{-s ·} ^Δ ^T, und ist in Serie mit dem Allpaß-Filter 22 geschaltet, welcher eine in den Gleichungen (1) oder (2) definierte Übertragungs-Charakteristik aufweist. In der nun folgenden Beschreibung wird angenommen, daß der Allpaß-Filter 22 eine Übertragungs-Charakteristik nach Gleich (2) hat, da es durch die Kaskadenschaltung identischer, in der Fig. 3 gezeigter Phasenschieber- Elemente einen sehr einfachen Aufbau hat. Dies bedeutet jedoch nicht die Beschränkung auf die Ausführungsform mit der Übertragungs-Charakteristik nach Gleichung (2), es kann vielmehr auch die Übertragungs-Charakteristik nach Gleichung (1) für den Allpaß-Filter zur Verwendung kommen. Ferner ist ein Rückkopplungspfad 26 vorgesehen, welcher ein Dämpfungsglied 24 einschließt, wobei ein Ausgangssignal des Allpaß-Filters 22 über diesen Rückkopplungspfad 26 und das Dämpfungsglied 24 zu einem Summierungs-Knotenpunkt 28 zurückgeführt werden, der mit einem Eingang des Verzögerungs-Schaltkreises 20 verbunden ist.

Ein dem Eingang ("IN" in Fig. 10) des Nachhall-Generators zugeführtes Audio-Eingangssignal wird dem Eingang des Verzögerungs-Schaltkreises 20 zugeführt, das Audio-Eingangssignal durch eine Verzögerungszeit ΔT verzögert wird, die durch die Übertragungs-Charakteristik e^{-s ·} ^Δ ^T des Verzögerungs-Schaltkreises spezifiziert ist. Ein so ausgebildetes Ausgangssignal des Verzögerungs-Schaltkreises wird dann dem Allpaß-Filter 22 zugeführt, wo das Signal der Dispersion in Übereinstimmung mit der Übertragungs-Charakteristik G(s) nach Gleichung (2) ausgesetzt wird, indem die Phase des Eingangssignals in der Weise verzögert wird, daß die Phasenverzögerung mit der Frequenz in einem niedrigen Frequenzbereich steil zunimmt und dann graduell eine sehr große Konstante von mehr als das 3000fache in einem höheren Frequenzbereich erreicht wird. Ein so vom Allpaß-Filter 22 erzeugtes Audio-Ausgangssignal wird der Ausgangsklemme ("OUT" in Fig. 10) des Nachhall-Generators zugeführt.

Das Ausgangssignal des Allpaß-Filters 22 wird gleichzeitig auch über den Rückkopplungspfad 25 und das Dämpfungsglied 24 dem Verzögerungs-Schaltkreis 20 wieder zugeführt. Folglich passiert das Audio-Eingangssignal mehrmals den Signalpfad, der sich vom Ausgang des Verzögerungs-Schaltkreises 20 durch den Allpaß-Filter 22, den Rückkopplungspfad 26 und das Dämpfungsglied 24 erstreckt.

Der Nachhall-Generator der Fig. 10 hat eine Gesamt-Übertragungs- Charakteristik H(s) wie in der folgenden Gleichung dargestellt:

worin G(s) die durch die Gleichung (2) definierte Übertragungs- Charakteristik ist.

Durch Umstellen der Gleichung (4) kann H(s) wie folgt umgeschrieben werden:

H(s) = e^{-s ·} ^Δ ^T · G(s) {1 + K · e^{-s ·} ^Δ ^T · G(s) + K² · e^{-2s ·} ^Δ ^T · G(s)² + k³ · e^{-3s ·} ^Δ ^T · G(s)³ + . . .} (5).

Die Fig. 11 (A) bis (D) zeigen beispielhaft eine Impuls- Charakteristik des Nachhall-Generators der Fig. 10. Wenn ein Impuls nach Fig. 11 (A) dem Verzögerungs-Schaltkreis von der Eingangsklemme "IN" zugeführt ist, wird dieser Impuls durch eine Zeit ΔT verzögert und dem Allpaß-Filter 22 zugeführt. Das Allpaß-Filter-Element erzeugt eine Dispersion auf das eingehende Signal vom Verzögerungs-Schaltkreis 20 in Übereinstimmung mit der Übertragungs-Charakteristik G(s) und produziert eine in der Fig. 11(b) gezeigte Ausgangssignal-Wellenform. Das Ausgangssignal vom Allpaß-Filter 22 mit der Wellenform nach Fig. 11(b) wird über den Rückkopplungspfad 26 zum Eingang des Verzögerungs- Schaltkreises 20 zurückgeführt, wobei dieses Rückkopplungs-Signal durch das Dämpfungsglied 24 gedämpft und wieder dem Allpaß-Filter 22 mit einer zusätzlichen (addierten) Verzögerungszeit ΔT zugeführt wird. Folglich prägt das Allpaß-Filter-Element 22 auf das bereits durch ΔT gemäß der Übertragungs-Charakteristik verzögerte Signal die Dispersion auf. Die Ausgangssignal-Wellenform entspricht nun der Fig. 11 (c). Das Ausgangssignal des Allpaß-Filters 22 mit der Wellenform nach Fig. 11 (c) wird nun wieder auf den Eingang des Verzögerungs-Schaltkreises 20 über den Rückkopplungspfad zurückgeführt, wobei das Rückkopplungs- Signal wiederum vom Dämpfungsglied 24, ähnlich wie vorhergehend, gedämpft wird. Somit produziert dann das Allpaß-Filter-Element 22 eine Ausgangssignal-Wellenform, wie sie in der Fig. 11 (d) gezeigt ist. Dieser Vorgang wiederholt sich dann noch mehrere Male.

Die Ausgangssignal-Wellenformen der Fig. 11 b, c, d entsprechen dem ersten, zweiten und dritten Glied der Gleichung (5), das heißt

e^{-s ·} ^Δ ^T · G(s), K · e^{-2s ·} ^Δ ^T · G(s)², und K² · e^{-3s ·} ^Δ ^T · G(s)³.

Diese Ausgänge werden durch die Verzögerungszeiten ΔT, 2ΔT bzw. 3ΔT verzögert und darüber hinaus wird der durch die Übertragungs- Charakteristik G(s) definierte Dispersions-Effekt bei jeder Reflektion erhöht. Mit anderen Worten, G(s)² oder G(s)³ bedeutet, daß der Effekt der Dispersion verdoppelt, verdreifacht usw. wird. Das heißt, die Ausgangssignale entsprechen den mehrfachen Reflektionen in einem Konzertsaal. Im aktuellen Konzertsaal wird der Nachhall oder der indirekte Klang jedes Mal der Dispersion unterworfen, wenn sie von den Wänden oder dem Boden reflektiert werden. Folglich simulieren die in den Fig. 11 (B) bis (D) gezeigten Wellenformen den in einem Konzertsaal entstehenden Nachhall bedeutend enger als die in den Fig. 9 (B) bis (E) gezeigten Signal-Wellenformen der ersten Ausführungsform. Es ist hierzu anzumerken, daß ein solches bevorzugtes Merkmal mit einem Allpaß-Filter 22 innerhalb des Rückkopplungspfades 26 erzielt werden kann.

Ein anderer Vorteil mit dem Allpaß-Filter 22 in dem Rückkopplungspfad 26 ist der, daß man eine extrem weit gestreute Dispersion im Spektrum eines Ausgangssignals durch wiederholtes Rückkoppeln des Ausgangssignals, das bereits eine Dispersion im Signalspektrum aufweist, erzeugen kann. Folglich kann man das Merkmal eines Rückkopplungspfades voll ausnutzen, um einen sehr ledendigen und lang anhaltenden Nachhall zu erreichen.

Ferner kann der Nachhall-Generator nach Fig. 10 einen Eindruck der Dispersion oder Größe des Konzertsaales vermitteln, indem die Verzögerungszeit ΔT justiert wird. Selbstverständlich kann auch der Nachhall-Generator einen außergewöhnlichen Nachhall- oder Klangeffekt produzieren, indem die Dispersion unterdrückt wird.

Der Nachhall-Generator der vorliegenden Erfindung kann mit verschiedenen elektrischen Klang-reproduzierenden Systemen und elektrischen Musikinstrumenten verbunden werden. Die Fig. 12 zeigt ein Blockschaltbild eines bekannten Mehrkanal-Reproduktionssytems. Das Reproduktionssystem verstärkt die Audio-Eingangssignale eines rechten und linken Kanals, die auf die Eingangsklemmen 30a und 30b über einen rechten und linken Vorverstärker 32a bzw. 32b, und einen rechten und linken Hauptverstärker 34a bzw. 34b gegeben werden, um von einem rechten und linken Lautsprecher den direkten Klang abzustrahlen. Die Bezugsziffern 38a und 38b weisen auf Allpaß-Filter hin, die eine in der Gleichung (1) oder (2) definierte Übertragungs-Charakteristik haben, die für die Erzeugung einer Dispersion, allerdings nur bei einer bestimmten Frequenz, der einkommenden Eingangssignale verwendet werden, wobei diese Signale Subkanal-Audiosignale sind. Diese Subkanal-Audiosignale werden durch rechte und linke Subkanal-Hauptverstärker 40a, 40b verstärkt und dann über einen rechten und einen linken Sub-Lautsprecher 42a bzw. 42b als indirekten Klang oder Nachhall ausgestrahlt. Bei Verwendung des in der Fig. 6 oder Fig. 10 dargestellten erfindungsgemäßen Nachhall- Generators anstelle der Allpaß-Filter 38a und 38b ist festzustellen, daß ein unerwarteter Effekt, zusätzlich zu der Verstärkung des Nachhalls und Verbesserungen der Präsenz einschließlich des Effektes der mehrfachen Reflektion, erzielt werden.

Die Fig. 13 zeigt in Draufsicht eine Lautsprecheranordnung in einem Raum, in welchem ein Mehrkanal-Reproduktionssystem der Fig. 12 installiert ist. Der rechte und der linke Hauptlautsprecher 36a und 36b ist jeweils so angeordnet, daß sie den entsprechenden Sub-Lautsprechern 42a und 42b gegenüber in den Raum abstrahlen. Der Zuhörer befindet sich in der Mitte zwischen den Haupt- und Sub-Lautsprechern. Bei einer bekannten Anordnung ist der Versatzwinkel R der Sub-Lautsprecher 42a und 42b im Verhältnis zu den gegenüberliegenden Hauptlautsprechern 36a und 36b auf einen Bereich von 30 eingeschränkt, um eine zufriedenstellende Präsenz zu erreichen. Es wurde jedoch festgestellt, daß bei Verwendung eines Nachhall-Generators der vorliegenden Erfindung - wie in den Fig. 6 oder 9 offenbart - anstelle der Allpaß-Filter 38a und 38b eine zufriedenstellende Präsenz erzielt werden kann, auch wenn der Versatzwinkel der Sub-Lautsprecher 42a und 42b zu den gegenüberliegend angeordneten Hauptlautsprechern 36a und 36b größer, mehr als 90° oder darüber ist. Dies erhöht den Freiheitsgrad der Lautsprecher-Anordnung im Raum ganz erheblich.

Ferner soll darauf hingewiesen werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern verschiedene Varianten und Modifizierungen möglich sind, die alle im Bereich der vorliegenden Erfindung liegend, betrachtet werden.

Zeichnungs-Legende

10 Verzögerungs-Schaltkreis
12 Allpaß-Filter
14 Dämpfungsglied
16 Rückkopplungspfad
18 Summierungs-Knotenpunkt
20 Verzögerungs-Schaltkreis
22 Allpaß-Filter
24 Dämpfungsglied
26 Rückkopplungspfad
28 Summierungs-Knotenpunkt
30a Eingangsklemme
30b Eingangsklemme
32a rechter Vorverstärker
32b linker Vorverstärker
34a rechter Hauptverstärker
34b linker Hauptverstärker
36a rechter Hauptlautsprecher
36b linker Hauptlautsprecher
38a Allpaß-Filter
38b Allpaß-Filter
40a Subkanal-Hauptverstärker
40b Subkanal-Hauptverstärker
42a rechter Sub-Lautsprecher
42b linker Sub-Lautsprecher

Claims

1. Nachhall-Generator zur Erzeugung von Nachhall aus einem Audio-Eingangssignal, wobei in Verbindung mit einer Verzögerungsschaltung über Filter eine Dispersion in den Nachhall eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter aus einer Phasenschieber-Anordnung (12, 22) nach Art von Allpaß-Filtern bestehen, die für das Einbringen einer Dispersion in das Eingangssignalspektrum in Serie mit der Verzögerungsschaltung geschaltet sind, wobei das Eingangssignal eine Zeitverzögerung erfährt, die in einem niedrigen Frequenzbereich groß und in einem höheren Frequenzbereich klein ist, und das Audio-Signal wiederholt der Verzögerungsschaltung der Phasenschieber-Anordnung über eine Rückkopplung (16, 26) zugeführt wird.

2. Nachhall-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Phasenschieber-Anordnung (12, 22) eine solche Charakteristik aufweist, daß die Phasenverzögerung im niedrigen Frequenzbereich steil zunimmt und im höheren Frequenzbereich eine sehr große Konstante, die 3000fach größer ist, erreicht.

3. Nachhall-Generator nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Phasenschieber-Anordnung (12, 22) ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Verzögerungszeit größer als 100 msec in einem niedrigen Frequenzbereich von weniger als 50 Hz aufweist, während in einem höheren Frequenzbereich von mehr als 4 kHz die Verzögerungszeit gegen Null geht.

4. Nachhall-Generator nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Phasenschieber-Anordnung (12, 22) sich aus einer Vielzahl identischer Phasenschieber-Schaltungen derart zusammensetzt, daß zumindest siebzehn oder mehr der Phasenschieber-Schaltungen eine Kaskade bilden, wobei jede der Phasenschieber-Schaltungen eine Übertragungsfunktion hat, im wesentlichen dargestellt durch worin τ eine Zeitkonstante, und s die komplexe Frequenz ist.

5. Nachhall-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Phasenschieber-Anordnung (12) in Serie mit der Verzögerungsschaltung (20) und der Rückkopplungs-Anordnung (16) geschaltet ist, wodurch das Spektrum des Audio-Eingangssignals durch die Phasenschieber-Anordnung jeweils einmal der Dispersion ausgesetzt wird, sobald der Nachhall-Generator durchlaufen wird.

6. Nachhall-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Phasenschieber-Anordnung (22) im Rückkopplungspfad (26) für die Rückkopplung des Ausgangssignals der Verzögerungsanordnung (20) an den Eingang angeordnet ist, wobei die Phasenschieber-Anordnung (22) in Serie mit der Verzögerungsschaltung (20) liegt, um derart die Dispersion wiederholt bei jedem Durchgang dem Audio-Eingangssignal zuzuführen.

7. Nachhall-Generator nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Phasenschieber-Anordnung (22) mit dem Ausgang der Verzögerungs-Anordnung (20) verbunden ist, wobei der Rückkopplungspfad (26) sich vom Ausgang der Verzögerungs-Anordnung zum Eingang der Delay-Anordnung über die Phasenschieber-Anordnung erstreckt, und derart eine Vielzahl von Nachhallimpulsen am Ausgang der Phasenschieber-Anordnung erscheinen.

8. Nachhall-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rückkopplungspfade (16, 26) eine Dämpfungsan ordnung (14, 24) für die Dämpfung des Ausgangssignals der Verzögerungs- Anordnung (10, 20) enthalten und die Frequenz-Verzögerungszeit- Charakteristik der Phasenschieber-Anordnung (12, 22) von einem Benutzer einstellbar ist.