DIPL - — HSTG . PETER OTTCEl
PATENTANWALT
Tiroler Str. 15 D-7250 Leonberg Tel.07152/45421
2541/ot/wi
1.7.1992
HEAD acoustics GmbH Kopfbezogene Aufnahme- und Wiedergabetechnik , Meßtechnik, Kaiserstr. 100f
5120 Herzogenrath 3
Vorrichtung zur gehörgerechten Schallfeldanalyse
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur
gehörgerechten Schallfeldanalyse nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, Schallfeldanalysen lediglich unter Verwendung eines Mikrofons mit dann kugelförmiger
Richtcharakteristik durchzuführen, wobei es auch bekannt ist, die Ausgangssignale des Kugelricht-Mikrofons
mit einer sogenannten &Agr;-Kurve zu gerichten und über eine Effektivwertbildung mit einer vorgegebenen
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Integrationszeitkonstante (üblicherweise 125 ms) eine
zum Schalldruck proportionale Spannung zu erzeugen, deren Angabe dann in dB.A erfolgt.
Schon seit einiger Zeit ist bekannt, daß eine solche einfache Schalldruckpegelmessung nicht gehörgerecht
ist, da das menschliche Gehör nicht nur den Schalldruckpegel, sondern auch die spektrale Verteilung, die
zeitliche Struktur, aber auch die räumlichen Positionen der Schallquellen mit analysiert. Es bestehen
daher auch sogenannte psychoakustische Meßverfahren, zum Beispiel der Lautheitsmesser nach DIN 45631 oder
ISO 532 B, die anstelle des &Agr;-bewerteten Schalldruckpegels die Lautheit in Sone messen, wobei die spektrale
Verteilung des Schallereignisses berücksichtigt wird.
Allerdings muß bei allen bislang bekannten Verfahren bei deren Versuch einer objektiven gehörgerechten
Schallfeldanalyse die Tatsache unberücksichtigt bleiben, daß beim Vorhandensein von mehr als einer Schallquelle
oder bei einer Schallquelle in halliger Umgebung das menschliche Gehör in der Lage ist, eine völlig
andere Analyse des Schallfeldes durchzuführen, verglichen mit den erwähnten konventionellen einkanaligen
Meßverfahren, so daß diese signifikant dann von der vom menschlichen Gehör und daher notwendigerweise
gehörgerecht realisierten Analyse unter den genannten Voraussetzungen, also mehr als eine Schallquelle
oder Schallquelle in halliger Umgebung, abweichen.
Hier helfen auch keine Kunstkopf-Meßsysteme
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weiter, die für sich gesehen ja bekannt sind, da es bisher nicht gelungen ist, die von einem Kunstkopf
herrührenden Mikrofonsignale im Zeit- wie auch im Frequenzbereich so zu analysieren und zu verknüpfen,
daß von einer tatsächlichen gehörgerechten Schallfeldanalyse gesprochen werden kann, wieder unter der Voraussetzung,
daß mehrere Schallquellen oder eine Schallquelle in halliger Umgebung vorhanden sind; beides ist im
Grunde ja der am häufigsten auftretende Fall.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeit zu schaffen, in Schallfeldsituationen
mit mehreren räumlich verteilten Schallquellen oder beim Vorhandensein von einer Schallquelle in halliger
Umgebung dem tatsächlichen menschlichen Eindruck entsprechende Meßergebnisse zu erzeugen, so daß auch
unter diesen Bedingungen eine gehörgerechte Schallfeldanalyse erfolgen kann.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 3 und hat den Vorteil, daß unter Zugrundelegung einer mehrkanaligen Mikrofonaufnahmeanordnung,
die beispielsweise mit Hilfe eines Kunstkopfmikrofons mit zwei vorhandenen Mikrofonsignalen
realisiert werden kann, diese Mikrofonsignale mit Hilfe eines binauralen Prozessors so analysiert
werden können, daß wiederum Einzelsignale zur Verfügung stehen, die entsprechend der zu analy-
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sierenden Schallfeldsituation wieder den einzelnen Schallquellen zugeordnet werden können.
Es ist daher möglich, für jede der Schallquellen einzeln eine physikalische und psychoakustische Bewertung
in Form der Bestimmung des &Agr;-bewerteten Schalldruckpegels, der Lautheit, der Schärfe, der Rauhigkeit, der
Tonalitat und Schwankungsstärke durchzuführen und
aus diesen Größen einen resultierenden Wert zu bestimmen.
Dabei ist es sinnvoll, darauf hinzuweisen, daß ohne diese durch die Erfindung gewährleistete Zerlegung
in Teilsignale, die den entsprechenden Schallquellen entsprechen, stets nur ein resultierendes Signal ausgewertet
werden kann. Dies bedeutet in Schallfeldsituationen, die nicht aus einer Schallquelle im Freifeld
bestehen, daß auch bei Verwendung eines Kunstkopfmikrofons
(welches also zwei Mikrofonsignale liefert) nur eine durch komplexe Überlagerung von allen Schallanteilen
hervorgerufene Signalspannung zur Verfügung steht, die nicht mehr sinnvoll, d. h. entsprechend
dem Ziel, welches sich die Erfindung gesetzt hat, gehörgerecht analysiert werden kann.
Insofern beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß zum Beispiel die Berechnung der Lautheit, angewendet
auf die Summe von mehreren Signalen, einen völlig anderen Wert ergibt als die Summe der Teillautheiten
der einzelnen Signale. Für eine gehörgerechte Schallfeldanalyse ist jedoch nur dieser Ansatz sinnvoll,
d. h. die Einzelanalyse der einzelnen Schall-
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quellen zumindest in den Schallfeldsituationen, in denen nicht nur eine Einzelschallquelle im Freifeld analysiert
werden soll.
Durch die durch die Erfindung gewährleistete Verknüpfung der einzelnen psychoakustischen Parameter der möglichen
&eegr;-Schallquellen ergibt sich im Endeffekt eine gehörrichtige Anzeige, d.h. es ist erstmals die Möglichkeit geboten,
Schallquellen auch dann, wenn es sich um mehrere handelt oder diese in halliger Umgebung arbeiten, so zu
analysieren und zur Anzeige zu bringen, wie diese auch vom menschlichen Gehör effektiv wahrgenommen werden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform vorliegender Erfindung in Form
eines Blockschaltbildes zur gehörgerechten Schallfeldanalyse unter Zugrundelegung einer mehrkanaligen
Mikrofonanordnung zur Aufnahme,
Fig. 2 als insofern bekannten Ausgangspunkt für die Erfindung sowie zum besseren Verständnis der grundsätzlichen
Problematik zwei unterschiedliche Schallfeldsituationen, bestehend aus zwei unkorrelierten
Signalquellen (Stand der Technik) sowie ferner
Fig. 3 ein vervollständigtes binaurales Modell, welches die Verarbeitung bis hin zur binauralen Verkittung
simuliert und
Fig. 4 in größerem Detail den in Fig. 3 eingesetzten binauralen Prozessor zur Analyse der binauralen
Erregungsmuster.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, daß, wie in Fig. 2 auch formelmäßig angegeben, die
Lautheit oder Geräuschqualität einer Signalsumme einen völlig anderen Wert ergibt als die Summe der Teillautheiten
der einzelnen Signale, so daß die Erfindung vorschlägt, gewonnene mehrkanalige Mikrofonsignale
mittels eines binauralen Prozessors so miteinander zu verknüpfen und zu analysieren, daß am Ausgang des
Prozessors zuordnungsbare Signale zur Weiterverarbeitung vorliegen.
Die grundsätzliche Problematik und Aufgabenstellung vorliegender Erfindung besteht entsprechend Fig. 2
darin, daß, wie gezeigt, üblicherweise beliebig unkorrelierte Signalquellen eine Schallfeldsituation
bilden, beispielsweise die in Fig. 2 lediglich berücksichtigten Schallquellen Sl und S2, die in einem
beliebigen Winkel und Abstand zum Schallaufnehmer stehen/ der als Zuhörer 2 bezeichnet ist.
Für ein normales Monomeßmikrofon mit kugelförmiger Richtcharakteristik wirkt sich nur die Entfernung
der Schallquellen vom Schallmeßort auf den Pegel aus. Wird dagegen die räumliche Position der Schallquellen
verändert, so daß sich unterschiedliche Schalleinfallsrichtungen entsprechend der Darstellung auf
der rechten Seite der Fig. 2 ergeben, dann liefert das Meßmikrofon immer noch die gleichen Ausgangssignale.
Zu klären ist daher, wie sich bei gleicher Schalleinfallsrichtung
(linke Seite Fig. 2) oder unterschiedlichen Schalleinfallsrichtungen (rechte Seite) die Vor-, Nach- und Simultan-Überdeckungseffekte
verhalten.
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Bei einer gehörmäßigen Beurteilung beeinflußt aber die Schallquellenposition in signifikanter Art und
Weise die Beurteilung der Schallfeldsituation. Je nach Pegel, spektraler Zusammensetzung und zeitlicher
Struktur können sich zum Beispiel die beiden Schallquellen Sl und S2 gegeneinander in ihrer subjektiv
empfundenen Wirkung beeinflussen, insbesondere dann,
wenn sie aus der gleichen Richtung abstrahlen. Sind sie dagegen in unterschiedlichen Richtungen positioniert,
ist das menschliche Gehör in der Lage, aufgrund der binauralen Signalverarbeitung die beiden
unterschiedlichen Richtungen zu erkennen und die einzelnen Schallquellen zu selektieren, also in diesem
Sinne gehörgerecht zu analysieren.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind zwei getrennte
Aufnahmemikrofone Ml und M2 vorgesehen, die insofern eine mehrkanalige Mikrofonanordnung bilden
und die im übrigen bevorzugt so angeordnet und ausgebildet sein können, daß sie Teil eines zweikanaligen
Kunstkopf-Meßsystems sind, welches zum menschlichen Gehör vergleichbare Übertragungseigenschaften
aufweist. Angedeutet ist dies durch jeweilige Außenohr -Übertragungsfunktionsblöcke Al und A2 für links
und rechts, die den Mikrofonen Ml und M2 insofern zugeordnet sind, was nicht als Serienschaltung zu
verstehen ist.
Die durch die Außenohrübertragungsfunktionen des zweikanaligen
Kunstkopf-Meßsystems realisierten Mikrofonsignale gelangen zu Innenohr-Filterbankblöcken
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Fl, F2 für links und rechts und werden anschließend einem binauralen Prozessor P zugeführt, der die beiden
Ohrsignale in geeigneter Weise so miteinander verknüpft und analysiert, daß am Ausgang des binauralen
Prozessors wieder Signale vorliegen, die den einzelnen Signalquellen Sl, S2, S3 ... Sn zugeordnet werden
können. Diese Signale werden dann einer getrennten Analyse hinsichtlich ihrer physikalischen psychoakustischen
Eigenschaften zugeführt, wozu entsprechende psychoakustische
Bewertungsblöcke Bl, B2 ... Bn vorgesehen sind, deren Ausgangssignale dann zu einem Gesamtergebnis an einem
Verknüpfungsblock V miteinander verknüpft werden, an dessen Ausgang sich dann ein Meßwert ergibt, der
einer tatsächlichen, gehörgerechten Geräuschbewertung
entspricht. £m Verknüpfungsblock V ergibt sich daher eine gehörgerechte
Geräuschbewertung durch Verknüpfung der einzelnen psychoakustisehen Parameter
der n-Schallquelle.
Wie schon angedeutet wird zur Realisierung der mehrkanaligen Mikrofonanordnung mit Vorzug die mehrkanalige
Mikrofonanordnung eines zweikanaligen Kunstkopf-Meßsystems eingesetzt, d. h. es wird als Aufnahmesystem
ein Kunstkopf zugrundegelegt, der zum menschlichen Gehör vergleichbare Übertragungseigenschaften
aufweist. Am zweckmäßigsten wird daher ein solcher Kunstkopf verwendet, wie er in der europäischen Patentanmeldung
0 156 333 A2 beschrieben ist.
Im folgenden wird anhand der Darstellung der Figuren 3 und 4 genauer auf den in Fig.1 grundsätzlich gezeigten
Aufbau zur gehörgerechten Schallfeldanalyse eingegangen.
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Nur in dem speziellen und bevorzugten Fall des Einsatzes eines Kunstkopfes bedeuten die Blöcke Al und A2
"Außenohrübertragungsfunktion", daß die beiden Mikrofone
Ml und M2 die Kunstkopf-Mikrofonsignale des linken und des rechten Ohrs bilden und diese Signale
richtungsabhängig durch die Außenohrübertragungsfunktion gefiltert werden.
Diese Filterung der beiden Mikrofonsignale in Verbindung mit den interauralen Pegel- und Phasenunterschieden zwischen
den beiden Mikrofonsignalen M1 und M2, aufgrund des räumlichen Abstandes, sind notwendig, um mit Hilfe des
binauralen Prozessors P die einzelnen Schallquellen wieder separieren zu können. Für jede beliebe Schalleinfallsrichtung
gibt es eine unterschiedliche Außenohrübertragungsfunktion für das linke und rechte Kunstkopf-Mikrofonsignal,
desgleichen einen signifikanten, richtungsabhängigen Phasenfrequenzgang zwischen den beiden Mikrofonsignalen.
Das nachgeschaltete Innenohrfiltersystem, welches in Fig. 1 als linke und rechte Innenohrfilterbank F1 und F2 bezeichnet
ist, ist eine bekannte Gegebenheit des Gehörs. Bekanntlich werden die einfallenden Schallsignale des menschlichen
Gehörs in der Basilarmembran weiter verarbeitet. Diese Basilarmembran
läßt sich nachrichtentechnisch wie ein Filterbanksystem auffassen. Eine nähere Beschreibung, wie ein solches
Innenohrfiltersystem zu verstehen ist, findet sich in dem Buch von Zwicker und Feldkeller "Das Ohr als Nachrichtenempfänger"
.
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Dort ist auch beschrieben, wie in erster Näherung eine solche Innenohrfilterbank als Ausführungsbeispiel
technisch realisiert werden könnte. In einer besonders einfachen Approximation lassen sich sogar übliche
Terzfilterbänke hierfür verwenden.
Insofern dienen die in Fig. 1 dargestellten Blöcke Al mit Fl bzw. A2 mit F2 der Beschreibung der Mikrofonsignalwege
.
Der von den Blöcken Al mit Fl und A2 mit F2 beaufschlagte
binaurale Prozessor P separiert die ihm zugeführten Summensignale des rechten und linken Ohrs
wieder in Einzelsignale, die den einzelnen Schallquellen entsprechen und auf diese Weise einer getrennten
psychoakustischen Bewertung zugeführt werden können, woraufhin erst dann die Einzelergebnisse zu einem
Summenergebnis zusammengefaßt oder aber auch als Einzelergebnisse zur Verfügung gestellt werden können.
Dabei ist es für den Einsatz in der Praxis schon hilfreich und für eine Bewertung ausnutzbar, wenn es gelingt,
beispielsweise mit einer Kunstkopf-Messung eine Aussage zu bekommen, daß z.B. drei Schallquellen
in den Richtungen x, y, z, mit der Lautheit 1 , 1 ,
&khgr; y
1 und entsprechend für die anderen psychoakustischen
Parameter vorhanden sind.
Dabei versteht es sich, daß der in Fig. 1 dargestellte, der psychoakustischen Bewertung nachgeschaltete
Block V zur gehörgerechten Geräuschbewertung, beispielsweise durch Verknüpfung der einzelnen psycho-
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akustischen Parameter der &eegr;-Schallquellen lediglich zur Abrundung als Anwendungsbeispiel zu verstehen
ist. Im Block V können beispielsweise gewichtete Verknüpfungen der von der psychoakustischen Bewertung
gelieferten Einzelsignale vorgenommen werden in an sich beliebiger, auch durch empirische Versuche für
den jeweiligen Anwendungszweck zu ermittelnden Gewichtungs-
und Bemessungsfaktoren, falls man überhaupt zu einem resultierenden Ergebnis kommen mächte. Hierzu,
nämlich zu der gehörgerechten Geräuschbewertung der Einzelsignale kann noch darauf hingewiesen werden,
daß bekanntlich dann, wenn zwei Schallquellen aus der gleichen Richtung auf eine Person einstrahlen,
das sich ergebende Hörereignis subjektiv anders beurteilt wird, als wenn die Schallquellen aus unterschiedlicher
Richtung abstrahlen. Die Verknüpfung der einzelnen psychoakustischen Parameter der n-Schallquellen
im Block V kann daher neben der Überlagerung der Lautheit in Abhängigkeit zur Schalleinfallsrichtung
und deren Verknüpfung mit anderen Schalleinfallsrichtungen auch noch weitere Gesetzmäßigkeiten
einbeziehen, mit entsprechenden anderen psychoakustischen Parametern.
In Fig. 3 ist ein vervollständigtes binaurales Modell, bestehend aus einzelnen Bausteinen dargestellt, welches
ausgehend vom Einfluß des Außenohrs (1 = links; r = rechts) die Verarbeitung bis hin zur binauralen
Verkettung simuliert bzw. darstellt. So findet sich im Baustein A der Einfluß des Außenohrs bzw. entsprechend
der Fig. 1 die Außenohrubertragungsfunktion
links bzw. rechts wieder, während die Blöcke B, C
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und D eine detailliertere Darstellung der Innenohrfilterbank Fl bzw. F2 entsprechend Fig. 1 angeben.
Der eigentliche binaurale Prozessor in Fig. 3 ist mit E bezeichnet. Im einzelnen kann man unter den
Blöcken B das Mittelohr bzw. dessen Einfluß auf das Signalverhalten, unter dem Block C die Cochlea und
unter dem Block D die Haarzellen im Ohrbereich verstehen.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß die Figuren 3 und 4 lediglich ein mögliches Ausführungsbeispiel
eines binauralen Prozessors zeigen, so, wie er für entsprechende Untersuchungen eingesetzt
worden ist und wie er im folgenden zum besseren Verständnis näher erläutert wird. Die Erfindung
ist aber auf diese technische Ausführungsform eines
binauralen Prozessors nicht beschränkt, der für sich gesehen in der einen oder anderen Konfiguration und
für andere Zwecke dem Fachmann auch bekannt ist. Durch den binauralen Prozessor gelingt es, eine psychoakustische
Bewertung von Hörereignissen nicht auf der Basis von Mikrofonsignalen durchführen zu müssen,
sondern erst nach einer entsprechend realisierten Selektion in Einzelschallquellen,und nur durch ein
solches Vorgehen gelingt es, tatsächlich eine hörgerechte Schallfeldanalyse im Endeffekt zur gehörrichtigen
Schallmessung, insbesondere zur binauralen Lärmbewertung bzw. binauralen Lautheitsmessung zu realisieren.
Insofern dienen, wie schon erwähnt, die Blöcke Al mit Fl bzw. A2 mit F2 in Fig. 2 bzw. die Blöcke A,
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B, C und D in Fig. 3 der Beschreibung der Mikrofonsignalwege, wobei der in Fig. 3 gezeigte binaurale
Prozessor E auf einem sogenannten Kreuzkorrelationsmodell, beispielsweise nach Lindemann und Gaick basiert,
dessen Einzelkomponenten in Fig. 4 noch dargestellt sind. Da insofern Aufbau und prinzipielle Wirkungsweise
eines solchen bei der Erfindung bevorzugt eingesetzten binauralen Prozessors bekannt sind, braucht
lediglich noch darauf hingewiesen zu werden, daß die in Fig. 3 erkennbare übergeordnete Mustererkennung
die Aufgabe der Analyse der binauralen Erregungsmuster
übernimmt und die für die Bestimmung der Schalleinfallsrichtung entscheidenden Parameter extrahiert.
Diese extrahierten Parameter sind beispielsweise richtungsspezifische Merkmale, interaurale Zeitdifferenz
und interaurale Pegeldifferenz. Dies geschieht durch eine gleitende Korrelation der Ohrsignale, die
durch zusätzliche Verarbeitungsschritte erweitert werden kann. Die kontralaterale Inhibition sorgt für
eine Beseitigung von Mehrdeutigkeiten, eine Kontrastverschräfung sowie für die Sensitivität gegenüber
interauralen Pegeldifferenzen. Die Auswertestufe entsprechend
Fig. 4 übernimmt die Analyse der binauralen Erregungsmuster, die in Fig. 3 als übergeordnete Mustererkennung
dargestellt ist. Sie liefert Aufschluß über die Anzahl der Schallereignisse sowie deren Schalleinfallsrichtung.
Die Strategie dieser Analyse entsprechend dem Schaltungsaufbau der Fig. 4 setzt sich
daher aus einer gleitenden, zweidimensionalen Mittelung im Zeit- und Frequenzbereich und anschließender
Bestimmung der Maxima der so gemittelten binauralen Erregungsmuster zusammen. Es versteht sich, daß bei-
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spielsweise das in den Figuren 3 und 4 gezeigte binaurale
Modell an den jeweils verwendeten Kunstkopf, d.h. an die Außenohrubertragungsfunktion anzupassen
ist.
Eine psychoakustische Bewertung, wie sie an den Ausgangssignalen
des binauralen Prozessors P entsprechend Fig. 1 durchgeführt wird, bedeutet, daß ein Schallsignal
hinsichtlich Lautheit, Schärfe, Rauhigkeit, Schwankungsstärke, Tonalitat usw. beurteilt wird. Dabei
ist in einem ganz speziellen Zusammenhang ein psychoakustisches Bewertungs- bzw. Berechnungsverfahren
für sich gesehen bekannt, und zwar eine Untersuchung für ideale Freifeldbedingungen, d.h. bei einer Schallquelle
im reflexionsarmen Raum vor einer Versuchsperson. Es kann in diesem Zusammenhang verwiesen werden
auf das Buch "Psychoakustics" von Prof. Zwicker und Dr. Fastel, in welchem unterschiedliche psychoakustische
Größen und die Art und Weise ihrer Bestimmung beschrieben sind in Verbindung mit den schon erwähnten
idealen Freifeldbedingungen. Tatsächlich finden aber die meisten Schallereignisse nicht in reflexionsfreier
Umgebung statt, ferner auch nicht immer exakt von vorn, wobei schließlich im realen Leben
Schallereignisse zur gleichen Zeit aus unterschiedlichen Richtungen auftreten. Somit läßt sich auch
ein solches Summensignal, unabhängig davon, ob es mit einem Meßmikrofon oder mit einem Kunstkopf-Mikrofonsignal
hergeleitet wird, nicht mehr sinnvoll mit diesen bekannten psychoakustischen Analyseverfahren
analysieren, da sie sich gegenseitig beeinflussen, überlagern oder stören. Es ist daher eine
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wegweisende Maßnahme vorliegender Erfindung, daß die psychoakustische Bewertung auf der Basis von mit Hilfe
eines binauralen Prozessors separierten einzelnen Schallquellen durchgeführt wird.
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Schutzansprüche
1. Vorrichtung zur gehörgerechten Schallfeldanalyse, insbesondere beim Vorhandensein von mehr als einer
Schallquelle oder bei einer Schallquelle in halliger Umgebung, zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrkanalige Mikrofonanordnung (Ml;
M2) vorgesehen ist, deren Ausgangssignale einem binauralen Prozessor (P) zur Zerlegung in den einzelnen
Schallquellen zuzuordnende Einzelsignalanteile zugeführt sind, die hinter dem binauralen Prozessor
(P), dessen Ausgangssignalanteile der Anzahl der vorhandenen Schallquellen (Sl, S2 ... Sn) entsprechen,
getrennt einer psychoakustischen Bewertung zugeführt sind.