DE593262C

DE593262C - Verfahren zur Verminderung der Rauhigkeit der Wiedergabe bei Sprach- oder Musikuebertragungsanlagen

Info

Publication number: DE593262C
Application number: DES96724D
Authority: DE
Inventors: Dr Wilhelm Janovsky; Dr Werner Pistor
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1931-02-14
Filing date: 1931-02-14
Publication date: 1934-03-03

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
3. MÄRZ 1934

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 a 2 GRUPPE 16 ο*

Verfahren zur Verminderung der Rauhigkeit der Wiedergabe bei Sprach- oder Musikübertragungsanlagen

Patentiert im Deutschen Reiche vom 14. Februar 1931 ab

Bei elektroakustischen Sprach- oder ■Musikübertragungsanlagen ergeben sich häufig durch nichtlineare Verzerrungen Störungen, die bedingt sind durch das Auftreten von neuen Obertönen und von Kombinationstönen. Die neu hinzukommenden. Obertöne beeinflussen lediglich die Klangfarbe, so daß der subjektive Eindruck der Übertragung nur unwesentlich beeinträchtigt wird. Als Hauptstörfaktoren kommen demgegenüber die im allgemeinen unharmonisch gelegenen Kombinationstöne in Betracht. Das Bildungsgesetz für Kombinätionstöne ist für zwei Töne von den Frequenzen ^₁ und f_z gegeben durch

wobei m = ι, 2, 3 ... und η = ι, 2, 3 .., ist. Werden also z. B. vier Töne von den Frequenzen Z₁, /₂, fs und fi gemeinsam überao tragen,- dann entstehen, wenn zur Vereinfachung nur die Kombinationstöne erster Ordnung berücksichtigt werden (m = M = 1), folgende Kombinationstöne:

f1 ±fz h± fz u ± η

A^ J* 1 Γ" ftf*

11 Λ-. /3 /2 HZ / 4

h ± U

Nimmt man nun an, daß nur /1 und /₂ bzw. /₃ und f₄ gemeinsam übertragen werden, dann sind die möglichen Kombinationstöne erster Ordnung

h±h

h±U

Es ergeben sich also nur vier neue Töne gegenüber zwölf Tönen bei der gemeinsamen Übertragung. Durch die Verminderung der entstehenden Kombinationstöne sind dann auch bei gleich starker Verzerrung die Störungen entsprechend geringer. Diese Überlegungen gelten für sämtliche Trennungen der einzelnen Übertragungselemente, unabhängig davon, vor welchen Elementen des Übertragungsweges die Trennung der Frequenzbereiche erfolgt.

Wie bereits erwähnt, können die Störungen durch nichtlineare Verzerrungen sich verschieden auswirken, es kann durch harmonische Obertöne die Klangfarbe verändert werden, es können die Kombinationstöne, in erster Linie die Differenztöne, direkt aus dem verzerrten Klang herausgehört werden, oder es können die unangenehmsten Störungen dann entstehen, wenn die Kombinationstöne mit einem oder mehreren Primärtönen, in deren Nähe sie fallen, Schwebungen ergeben, die den verzerrten Klang rauh erscheinen lassen. Alle diese Störungen lassen sich durch eine Unterteilung in zwei Frequenz-

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben worden:

Dr. Wilhelm Janovsky und Dr. Werner Pistor in Berlin-Charlottenburg.

bereiche vollkommen oder wenigstens zum größten Teil unterdrücken, so daß eine wesentliche Verbesserung der gesamten Übertragung erzielt wird.
Es ist bekannt, bei Lautsprecheranlagen mehrere Lautsprecher parallel zu schalten, um den gesamt übertragenen Frequenzbereich gleichmäßiger gestalten zu können. Unregelmäßigkeiten in der Frequenzkurve der einzelnen Lautsprecher überlappen sich, so daß die resultierende Frequenzkurve nahezu eine Parallele zur Abszisse ist, d. h. daß der gesamte Frequenzbereich frei von linearen Verzerrungen übertragen wird. Die durch Nichtlinearität bedingten Rauheiten der Übertragung werden bei derartigen Anordnungen mit willkürlicher Trennung der Frequenzbereiche nicht beseitigt.

Weiter ist bereits vorgeschlagen worden, zur Unterdrückung der Störungen durch nichtlineare Verzerrungen einzelne Instrumente oder Gruppen von Instrumenten oder Sprache, Musik und Geräusche einzeln zu übertragen.

Ein weiterer Vorschlag geht dahin, bei einstimmigen elektrischen Musikinstrumenten den Grundton und die Oktaven stets durch denselben Lautsprecher wiedergeben zu lassen. Da hierbei die nichtlinearen Verzerrangen des Lautsprechers lediglich Kombinationstöne herbeiführen können, die harmonisch zueinander liegen, so ändert sich dadurch dta Klangfarbe zwar etwas, der musikalische Charakter des Klanges wird aber nur -unwesentlich beeinträchtigt. Für das vorliegende zwölfstufige Tonsystem sind in diesem Fall zwölf Lautsprecher nebst entsprechenden Verstärkern erforderlich, was die Anlage außerordentlich verteuert.

Auch ein anderer Vorschlag, das ganze zu übertragende Frequenzband in einzelne Oktaven zu unterteilen und für jede Oktave einen getrennten Verstärkersatz mit Lautsprecher zu verwenden, bringt eine wesentliehe Verteuerung mit sich, die dem erzielten Vorteil nicht entspricht.

Auch aus der Tonfilmtechnik ist eine Trennung der Frequenzbereiche bekannt. Bei den bekannten Anordnungen handelt es sich darum, Verdeckungserscheinungen bei der Aufzeichnung (Verschmierung), die durch die verschieden großen Amplituden der hohen und tiefen Frequenzen auftreten, zu beseitigen. Die Trennung der Bereiche erfolgt hierbei ungefähr bei 2500 Hz.

Rechnerische Untersuchungen haben nun ergeben, daß derartige kostspielige Trennungen des Frequenzbandes zur Beseitigung der Störungen durch nichtlineare Verzerrungen nicht erforderlich sind. Es hat sich gezeigt, daß bei einer Trennung des Frequenzbandes in einem gewissen Bereich, der abhängig ist von den tiefsten und höchsten zu übertragenden Tönen, die hauptsächlich die Rauheit einer verzerrten Musikübertragung hervorrufenden Kombinationstöne wegfallen. Wie erwähnt, wird die Rauheit durch Schwebungen der Kombinationstöne mit einem oder mehreren Primärtönen, in deren Nähe sie fallen, hervorgerufen. Der Höreindruck von Schwebungen hängt von ihrer Zahl ab. Langsame Schwebungen werden als ein angenehmes An- und Abschwellen empfunden, schnelle Schwebungen dagegen wirken sehr unangenehm; sie lassen den Zusammenklang der schwebenden Töne rauh erscheinen. Bereits Helmholtz (Die Lehre von den Tonempfindungen S. 653) gibt diejenige Schwebungszahl s, an, bei welcher die Rauheiten ein Maximum erreichen.

Eingehende Messungen haben die gleichen oder nur sehr wenig abweichenden Werte ergeben. Je nach der Frequenz der schwebenden Töne ist die maximale Rauhigkeit gebende Schwebungszahl ί verschieden.

In Fig. ι ist die Schwebungszahl s als Funktion von f_u d. h. die Frequenz des einen schwebenden Tones, aufgetragen.

Soll also durch das Hinzukommen eines Kombinationstones mit der Frequenz f_KT der Primärton/i rauh werden, dann muß zwischen den beiden die Beziehung

f_Kr ~ fx + s (1)

bestehen.

Durch die beiden Primärtöne /' und /" können bei nichtlinearen Verzerrungen die Kombinationstöne

(2)

gebildet werden, m = 1, 2, 3 .. . sind von der Verzerrung abhängige ganze Zahlen; tn + η —ι gibt die Ordnung der Kombinationstöne an.

Es gibt nun zwei Fälle, in denen die unerwünschte Rauhigkeit durch Kombinationstöne entsteht:

1. fgj· schwebt mit f

2. f_KT schwebt mit f"

Aus Gleichung 1 und 2 lassen sich die ent- no sprechenden Bedingungen ableiten: ia) mf -\-nf" — f ±-s

2&)mf' + nf"==f"±s ^U

b) mf — nf" — f" + s Um zu sehen, wie weit durch eine Unterteilung des Frequenzbandes das Entstehen dieser störenden Ivombinationstöne vermieden werden kann, ist es zweckmäßig, andere Bezeichnungen einzuführen, und zwar soll der rauh werdende Primärton mit f_u der zweite,

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der mit f_± den in die Nähe von Z₁ fallenden Kombinationston ergibt, mit f₂ bezeichnet werden. Nach' den Gleichungen 3 "werden dann die folgenden Bedingungen für Rauhigkeit erhalten:

ia) Mf₁ + nfa = f_x + s
b) Mf₁ — nf_z
2a) mf_z + nf_x — f_r + s
to b) mf₂ -Kf₁=If₁ +s

und nach einigen Umformungen hieraus:

Vl (3')

fi

2a) ^ = ⁵Ih:

(4)

f_a_

Wie leicht zu erkennen, bringt 2 a gegenüber la keine neuen Werte von fjfi, braucht also nicht weiter berücksichtigt zu werden. Aus Gleichung 4 lassen sich alle Intervalle ij- zweier Töne bestimmen, die bei einer

/1

durch m und η gegebenen Verzerrung solche Kombinationstöne bilden, die mit f_x rauh klingen. Die gemeinsame Übertragung dieser Töne ist somit besonders schwierig. Es lassen sich nun wieder zwei Fälle unterscheiden:

A) SIf₁ > (n — 1) oder (n + 1)

Nach Abb. 2 ist (i/fi)_mxcv)o,i; m und η sind ganze Zahlen, somit ist obige Bedingung nur bei m = 1 erfüllt. Aus ia und ib ergibt sich das gleiche Verhältnis

f2lfi = sl_fln (5)

bei diesem Intervall fällt also gleichzeitig sowohl der Summationston f_t -j- f₂ als auch der Differenzton f_x — f₂ in die Nähe von ^₁. Dadurch wird aber die Störung besonders stark, weil zwei Töne infolge der physiologischen Eigenschaft des menschlichen Ohres durch einen dritten viel weniger verdeckt werden als nur einer.

S) SIf₁ <C (m — 1) oder (n -j- 1)
Die rauhen Intervalle sind:

' fi

2b) f» =
f

(6)

Es treten also nur Störungen durch Differenztöne auf. Weiterhin erkennt man, daß nur solche Intervalle durch die Verzerrung rauh werden, welche ganz wenig, nämlich um s\f\, von ganzzahligen Verhältnissen, also harmonischen Intervallen, abweichen. Bei derartigen dissonanten Intervallen stört aber eine zusätzliche Rauhigkeit bedeutend weniger, da sie bereits ohne Verzerrung wegen der Schwebungen zwischen ihren Obertönen mehr oder weniger rauh sind. Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß die meisten der durch ib und 2b gegebenen Intervalle in dem vorliegenden zwölfstufigen Tonsystem überhaupt nicht vorkommen.

In der Hauptsache ist also eine gemeinsame Verzerrung der unter a angegebenen Intervalle zu vermeiden.

Zu diesem Zweck wird das gesamte Frequenzband (f_g/ untere, f_gr" obere zu übertragende. Grenzfrequenz) in zwei Bereiche f_g/ bis /,; und /,; bis f_gr" {ft Trennfrequenz) unterteilt, .und zwar muß gemäß der Erfindung das zu übertragende Frequenzband vor dem nichtlinear verzerrenden Übertragungsglied in zwei Teilgebiete unterteilt werden, wobei die Trennfrequenz unter Zuhilfenahme der Kurve gemäß Fig. 1 innerhalb eines bestimmten Frequenzgebietes gelegt wird, dessen obere Grenze durch den tiefsten und dessen untere Grenze durch den höchsten zu übertragenden Ton so festgelegt wird, daß in jedem einzelnen der beiden getrennt zu übertragenden Frequenzgebiete keine die Rauhigkeit hervorrufende Kombinationstöne auftreten können. Der größte zulässige Wert von f_t wird durch f_g/ bestimmt, da ft^cfg/ mit ft keine Rauhigkeit geben darf. Der kleinste zulässige Wert muß; etwas größer sein als die Frequenz der schnellsten noch hörbaren Schwebungen. Am zweckmäßigsten wird man f co 200 Hz wählen, jedoch kommt es ioo nicht auf ein genaues Einhalten dieses Wertes an. Aus der Kurve nach Fig. 1 ist zu ersehen, daß beispielsweise die Trennfrequenz zwischen 140 und 450 Hz liegen muß, wenn der ganze Bereich von 32 bis 4096 Hz störungsfrei übertragen werden soll. Wenn die tiefste zu übertragende Frequenz bei 50 Hz liegt, so ist die Trennfrequenz zwischen 150 und 700 Hz zu legen. Wenn der gesamt zu übertragende Frequenzbereich von 20 bis 8000 Hz geht, muß die Trennfrequenz in ein Gebiet von etwa 200 bis 250 Hz gelegt werden.

Es sei noch einmal betont, daß es für die Umsetzung des Erfindungsgedankens in die Praxis erforderlich ist, daß die für die Unterteilung der Frequenzbereiche notwendigen Filter vor dem verzerrenden Organ liegen.

In den Figuren sind schematisch einige charakteristische Fälle zusammengestellt. In der Anordnung nach Fig. 3 ist angenommen, daß der Sitz der nichtlinearen Verzerrungen

im Lautsprecher sei (Mikrophon ι und stärker 2 seien frei von Verzerrungen). Vor den Lautsprechern 3 und 4 liegen die Filter 5 und 6 am Ausgang des Verstärkers 2. Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist der Sitz der Verzerrungen im Verstärker und Lautsprecher (es sei angenommen, daß das Mikrophon7 nicht verzerrt). Die Trennung durch die Filter 8 muß in diesem Falle vor den Verstärkern 9 erfolgen, gegebenenfall ist ein Filter 10 vor den Lautsprecher 11, der für die tiefen Töne bestimmt ist, geschaltet. Ein Filter zwischen Verstärker 9 und dem Lautsprecher 11', der zur Wiedergabe der hohen Töne dient, ist nicht erforderlich.

Bei der Anordnung nach Fig. S weisen sowohl Mikrophon 12 als auch Verstärker 13 als auch Lautsprecher 14 nichtlineare Verzerrungen auf. In diesem Falle ist die Anwendung akustischer Siebketten 15 vor dem Mikrophon erforderlich.

Die Fig. 6 zeigt die Anwendung des Verfahrens iür Tonfilmzwecke. Beim Tonfilm liegen die Hauptverzerrungen im photographischen Prozeß, d. h. die Trennung muß vor der Aufzeichnung erfolgen und bis zum Positiv beibehalten werden. Praktisch läßt sich dieses z. B. für den Amplitudenfilm dadurch erreichen, daß die bisherige Tonspur von ungefähr 2,6 mm in zwei Hälften unterteilt wird, so daß auf der einen Hälfte der eine Frequenzbereich, auf der anderen der zweite Frequenzbereich aufgezeichnet wird. Dies ist um so eher möglich, als die tiefen Frequenzen mit an sich hohen Amplituden im allgemeinen durch einen bei jeder Tonfilmaufzeichnung notwendigerweise nach hohen Frequenzen angehobenen Frequenzgang verkleinert aufgezeichnet werden. Bei der Wiedergabe können beide Tonspuren gemeinsam abgetastet werden; es können also diese Aufzeichnungen ohne Schwierigkeiten bei den normalen Wiedergabeapparaturen gespielt werden. Falls nichtlineare Verzerrungen im Lautsprecher oder im Wiedergabeverstärker unschädlich gemacht werden sollen, ist es selbstverständlich noch erforderlich, wie in den Anordnungen nach Fig. 3 bis 5 zu \-erfahren.

In der Fig. 6 bezeichnet 16 das Mikrophon, 17 den Aufnahmeverstärker, 18 die Filter, 19 die negative Aufzeichnung, 20 das Positiv, 21 den Wiedergabeverstärker und 22 den Lautsprecher.

Durch die Trennung der Frequenzbereiche wird es möglich, mit viel größerem Klirrfaktor zu arbeiten und daher die gesamte Ubertragungsanordnung wesentlich besser auszunutzen, ohne daß eine Beeinträchtigung der Wiedergabe erfolgt.

In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, daß bei außerordentlich .großen Lautstärken auch bei rein linear arbeitenden Übertragungsgliedern durch Demodulationsvorgänge im Ohr Rauhigkeiten auftreten können. Derartige Rauhigkeiten können mittels des Erfindungsgegenstandes nicht beseitigt werden. Praktisch spielen sie keine Rolle, da die in Betracht kommenden Lautstärken für den Hörer unerträglich sind und kaum mit rein mechanischen Mitteln erzeugt werden können. Bei elektrischer Erzeugung ist eine Übersteuerung der einzelnen Übertragungsglieder unvermeidbar.

Claims

Patentansprüche:

i. Verfahren zur Verminderung der durch nichtlineare Verzerrungen einzelner Übertragungsglieder bei Sprach- oder Musikübertragungsanlagen entstehenden Rauhigkeit der Wiedergabe, dadurch gekennzeichnet, daß das zu übertragende Frequenzband vor dem nichtlinear verzerrenden Übertragungsglied in zwei Teilgebiete unterteilt wird, wobei die Trennfrequenz unter Zuhilfenahme der Kurve gemäß Fig. 1 innerhalb eines bestimmten Frequenzgebietes gelegt wird, dessen obere Grenze durch den tiefsten und dessen untere Grenze durch den höchsten zu übertragenden Ton so festgelegt wird, daß in jedem einzelnen der beiden getrennt zu übertragenden Frequenzgebiete keine Rauhigkeit entstehen kann, beispielsweise bei einem zu übertragenden Gesamtfrequenzband von 50 bis 4000 Hz die Trennfrequenz in das Gebiet zwischen etwa 140 und 700 Hz, bei einem Band von 20 bis 8000 Hz in ein Gebiet von etwa 200 bis 250 Hz gelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des nichtlinear verzerrenden Übertragungsgliedes in dem den tiefen Frequenzbereich übertragenden Teil der Anordnung weitere nur diesen Frequenzbereich durchlassende Filter vorgesehen sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 in Anwendung für die Zwecke des Tonfilms, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der Frequenzbereiche vor der Aufzeichnung erfolgt und bis zum Positiv beibehalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen