EP0025509A1

EP0025509A1 - Stereophones Übertragungsverfahren und Mittel zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: EP0025509A1
Application number: EP19800104718
Authority: EP
Inventors: Peter Schöne; Helmut Lamparter; Jürgen Oelmann
Original assignee: Schone Peter Dr-Ing
Current assignee: SCHOENE, PETER, DR.-ING.
Priority date: 1979-08-09
Filing date: 1980-08-11
Publication date: 1981-03-25
Also published as: DE3131730A1; EP0025509B1

Abstract

Bei dem stereophonen Übertragungsverfahren mittels eines Kunstkopfs und eines Kopfhörers wird zunächst die Kunstkopfaufnahmetechnik bezüglich des Signalstörabstands und des zu übertragenden Spektrums der Kunstkopfsignale verbessert. Der Signalstörabstand bei hohen Frequenzen wird durch den Einbau von Mikrofonen A1 vergrößert, die im Frequenzbereich zwischen 5 und 12 kHz eine Resonanzstelle aufweisen. Die Frequenzgänge der Mikrofonanordnung A1 werden anschließend durch zwei Freifeldanpassungsfilter A2 so entzerrt, daß die Freifeldübertragungsmaße der gesamten Kunstkopfanordnung A für frontalen Schalleinfall frequenzunabhängig sind. Dadurch ist der Kunstkopf A mit jedem freifeldentzerrten Kopfhörer D kompatibel. Weiterhin wird bei diesem stereophonen Verfahren in die Übertragungskette Kunstkopf A - Kopfhörer D aufnahmeseitig ein Entkopplungsfilter B und wiedergabeseitig eine lautsprechersimulierende Schaltungsanordnung C eingefügt. Die Schaltungsstruktur der beiden Filter B und C ist invers zueinander. Das aufnahmeseitige Entkopplungsfilter B wird aus der Richcharakteristik des Kunstkopfes A berechnet, das wiedergabeseitige Filter C aus der Richtcharakteristik eines individuellen Zuhörers (jeweils für die Schalleinfallsrichtung 30°). Dadurch sind die Kunstkopfsignale an der Schnittstelle zwischen Aufnahme- und Wiedergabeseite kompitibel mit einer stereophonen Lautsprecheraufstellung. Wird statt der Lautsprecherwiedergabe die Wiedergabe über den Kopfhörer D angewandt, erlaubt die Schaltungsanordnung C eine optimale Individualanpassung der Richtcharakteristik des Kunstkopfs A an die Richtcharakteristik des jeweiligen Zuhörers

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein stereophones Übertragungsverfahren mittels eines Kunstkopfs und eines Kopfhörers sowie auf ein stereophones Übertragungssystem zur Durchführung des Verfahrens. Solche kopfbezogenen Übertragungssysteme enthalten am Anfang der Übertragungskette einen Kunstkopf und am Ende der Übertragungskette einen Kopfhörer. Folgende Ausführungsform hat Eingang in die Praxis gefunden: Am Aufnahmeort befindet sich ein Kunstkopf, der die gesamten akustischen Verhältnisse an einem natürlichen Kopf so gut als möglich nachbildet (z.B. ein Kunstkopf nach DE-PS 19 27 401), d.h. die Mikrofonsignale dieses Kunstkopfs sollen möglichst genau den Ohrsignalen eines natürlichen Kopfes entsprechen. Diese Mikrofonsignale werden auf einem Tonträger (z.B. Schallplatte, Tonband) aufgezeichnet und/oder auf einer Übertragungsstrecke (z.B. stereophoner Rundfunkkanal) übertragen. Die Wiedergabe erfolgt über handelsübliche Kopfhörer.
Kopfbezogene Übertragungen dieser Art weisen eine Reihe von schwerwiegenden Mängeln auf, die dazu geführt haben, daß dieses an sich sehr leistungsfähige Übertragungsverfahren bisher nur wenig Verbreitung gefunden hat:

a) Die kopfbezogene Stereophonie ist in der beschriebenen Form nach allgemeiner Auffassung nicht kompatibel mit der herkömmlichen, raumbezogenen Stereophonie, d.h. sowohl die Lautsprecherwiedergabe von Kunstkopfsignalen als auch die Kopfhörerwiedergabe von herkömmlichen raumbezogenen Stereosignalen führt zu Eörereignissen, die in räumlicher und klanglicher Einsicht nicht befriedigen.
b) Es sind bisher keine Kunstköpfe realisiert worden, deren Übertragungsfunktionen mit ausreichender Genauigkeit dem zugrundegelegten Entwurfsprinzip entsprechen. Aus diesem Grund fehlt auch jegliche Standardisierung für die nachzichtentechnischen Übertragungseigenschaften von Kunstköpfen, wie sie beispielsweise für Mikrofone in der raumbezogenen Aufnahmetechnik selbstverständlich ist. Eine Folge davon ist, daß die Ubertragungsfunktionen von Kunstkopf und Kopfhörer nicht aufeinander abgestimmt sind.
c) Der Signalsluörabstand äblicher Kunstkopfsignale ist in bestimmten Frequenzbereichen viel zu gering, sodaß bei ansonsten korrekter Wiedergabe das Mikrofonrauschen hörbar wird.
d) Die kopfbezogene Stereophonie in der beschriebenen Form bietet keine Möglichkeit der Individualanpassung, d.h. die für eine kopfbezogene Übertragung sehr wichtigen Unterschiede in der Richtcharakteristik des Kunstkopfs und des individuellen Zuhörers bleiben völlig unberücksichtigt.

Die Mängel a bis d schlagen sich in gravierenden Übertragungsfehlern bezüglich der Lokalisation, der Klangfarbe und der Störungsfreiheit nieder. Zur Abhilfe sind folgende Weiterentwicklungen bekannt geworden, die sich als Teillösungen jeweils.auf einen der aufgeführten Mängel beziehen:

zu a) Lautsprecherwiedergabe von kopfbezogenen Stereosignalen: DE-OS 25 39 390 Kopfhörerwiedergabe von raumbezogenen Stereosignalen: US-PS 3 033 997, DE-OS 20 07 623, DE-OS 22 44 162, Acüstica Vol. 29 (1973) S.273-277, DE-OS 25 57.516, Radio Fernsehen Elektronik Bd.28 (1979) Heft 4 S.222-225
zu b) Übertragungsfunktion des Kunstkopfs: Rundfunktechnische Mitteilungen Bd.22 (1973) S. 22-27, Fortschritte der Akustik VDE-Verlag Berlin (1978) S. 645
zu c) Signalstörabstand: Acustica Bd. 41 (1973) S.133-193
zu d) Individualanpassung: US-F3 4 143 2₄4

Jedoch sind die Probleme a bis d auch unter Berücksichtigung dieser Weiterentwicklungen nicht (b,c) oder nicht hinreichend (a,d) gelöst. Weiterhin sind die bekannten technischen Lösungen für a und d zu aufwendig im Vergleich zur erzielten Verbesserung. Allen Weiterentwicklungen haftet der Mangel an, daß sie ihre jeweilige Heilaufgabe isoliert zu lösen versuchen und nicht die Auswirkungen auf das gesamte kopfbezogene Jbertragungssystem einschließlich der Kompatibilität zur herkömmlichen raumbezogenen Stereophonie berücksichtigen. Diese isolierte Betrachtungsweise hat dazu geführt, daß entweder Teilaufgaben nicht zweckmäßig gestellt waren im Sinne der Gesamtübertragungsaufgabe (a,b) oder daß Teillösungen zu Lasten anderer Teilaufgaben gingen (b,c).
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein kopfbezogenes Übertragungsverfahren anzugeben, das mit möglichst geringem baulichen Aufwand gleichzeitig

- kompatibel ist zur raumbezogenen Stereophonie,
- aufnahmeseitig realisierbare und standardisierbare Übertragungsfunktionen aufweist,
- einen optimalen Signalstörabstand bei den aufgenommenen Stereosignalen zeigt,
- und wiedergabeseitig die individuelle Richtcharakteristik des jeweiligen Zuhörers durch eine Individualanpassung berücksichtigt.

Die Vorteile der Erfindung bestehen erstens darin, daß die vorgeschlagene Kunstkopfaufnahmetechnik wegen ihrer uneingeschränkten Kompatibilität zur raumbezogenen Aufnahmetechnik in wesentlich größerem Umfang als bisher eingesetzt werden kann. Zweitens werden die Wiedergabemölichkeiten um ein Vielfaches erweitert, weil die an cer Schnittstelle zwischen Aufnahme- und Wiedergabeseite abertragenen Stereosimale ohne Einschränkung zur Lautsprecherwiedergabe geeignet sind, also für diejenige Wiedergabeart, die am weitesten verbreitet ist. Drittens wird durch die Individualanpassung die Kopfhörerwiedergabe wesentlich natürlicher. Viertens lassen sich die Übertragungseigenschaften der beteiligten Übertragungsglieder in einfacher Weise standardi-sieren und aufeinander abstimmen. Insgesamt ermöglicht die Erfindung die originalgetreue Übertragung von Schallereignissen, also eine Übertragung, die Schallereignisse gleichzeitig klangtreu, ortstreu sowie ohne störende Eigengeräusche aufnimmt und wiedergibt.
Fig.1 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen Übertragungssystems, bestehend aus den Übertragungsgliedern A, B, C und D. Im folgenden sind die drei übertragungsglieder A, B und C näher beschrieben:

- Verfahren und Filteranordnung zum stereophonen Aufnehmen von Schallsignalen mittels eines Kunstkopfs A
- Einrichtung B zum Aufnehmen sterephoner Signale
- Schaltungsanordnung C zum Anpassen eines raumbezogen stereophonen Programmsignals an einen Kopfhörer

VERFAHREN UND FILTERANORDNUNG ZUM STEREOPHONEN AUFNEHMEN VON SCHALLSIGNALEN MITTELS

EINES KUNSTKOPFES A

Der grundlegende Ansatz der kopfbezogenen Stereophonie besteht darin, daß das natürliche räumliche HöreR mit Hilfe eines Kunstkopfes und eines Kopfhörers nachgebildet werden soll. Dazu wird angestrebt, im Gehörgang einer Versuchsperson mittels der kopfbezogenen Stereophonie die gleichen Ohrsignale zu erzeugen, wie sie beim natürlichen Hören auftreten würden, falls der Kopf der Versuchsperson sich unmittelbar am Ort der Kunstkopfaufnahme befände. Wenn dieses Ziel mit genügender Genauigkeit erreicht wird, rührt die kopfbezogene Stereophonie zu einer räumlichen Abbildung von Schallquellen mit einer Qualität, die bisher von keinem anderen stereophonen Verfahren erreicht wird.
Um die natürlichen Ohrsignale richtig nachzubilden, muß die stereophone Obertragungsstrecke vom Kunstkopf bis zum Kopfhörer zwei wesentliche Voraussetzungen erfüllen:

1.Der Kunstkopf muß die Richtcharakteristik eines mittleren menschlichen Ohrs -relativ zu der Bezugsrichtung frontaler Schalleinfall.- hinreichend genau nachbilden.
2. Für diese Bezugsrichtung muß die Obertragungsfunktion der gesamten Anordnung vom Kunstkopf bis zum Kopfhörer der Freifeldübertragungsfunktion des äußeren Ohrs beim natürlichen Hören entsprechen.

Die erste Vor-aussetzung ist beim gegenwärtigen Stand der Technik bereits gut erfüllt ( vgl. z.B. den von der Firma Neumann GmbH, Berlin hergestellten und vertriebenen Kunstkopf der Bezeichnung KU 80 ). Durch die Nachbildung der Geometrie von Kopf, Hals und Ohrmuscheln und durch die Ankopplung von zwei Mikrophonen in den Gehörgängen können zwei Mikropbonsignale gewonnen werden, deren richtungsabhängige Unterschiede gut mit den richtungsabhängigen interauralen Unterschieden eines mittleren Zuhörers übereinstimmen.
Die zweite Voraussetzung ist jedoch noch nicht befriedigend erfüllt. Vergleicht man bezüglich der Ohrsignale im Gehörgang des Zuhörers das natürliche Hören mit der Kunstkopfstereophonie nach dem Stand der Technik, so zeigen sich erhebliche Abweichungen. Diese Abweichungen sind sehr deutlich hörbar und führen zu Abbildungsfehlern bezüglich der Klangfarbe und der Lokalisation von Schallquellen. Dies für gilt in gleichem Maße/frontalen und seitlichen Schalleinfall. Die Ursache hierfür liegt in der Kombination der Obertragungsfunktionen von Kopfhörer und Kunstkopf.
Der verwendete Kopfhörer entspricht in seiner Obertragungsfunktion den Anforderungen der DIN 45500 für hochwertige Kopfhörer. Ein solcher freifeldentzerrter Kopfhörer ruft im Gehörgang einer Versuchsperson die gleichen Ohrsignale hervor wie ein Lautsprecher mit frequenzunabhängiger Obertragungsfunktion, der einige Meter vor der Versuchsperson steht. Zu diesem Zweck weist der Kopfhörer die gleiche Obertragungsfunktion wie das äußere menschliche Ohr auf. Der freifeldentzerrte Kopfhörer bildet also die Außenohrfunktion für frontalen Schalleinfall nach.
Beim Kunstkopf sind die Mikrophonsig nale näherungsweise elektrische Entsprechungen von Ohrsignalen. In der elektroakustischen, Obertragungskette der heute üblichen kopfbezogenen Stereophonie ist die Außenohrfunktion für frontalen Schalleinfall im Kunstkopf nochmals und damit insgesamt einmal zuviel enthalten, was zu der bereits erwähnten Abweichung vom natürlichen Hören führt.
Eier schafft die Erfindung Abhilfe durch das erste kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1. Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Filteranordnung ergibt sich aus dem Anspruch 3. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Filteranordnung nach Anspruch 3 sind in Anspruch 4 gekennzeichnet.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in der Obertragungskette Kunstkopf-Kopfhörer einmal zuviel enthaltene Außenohr-Obertragungsfunktion des Kunstkopfes gegenläufig kompensiert, so daß die Obertragungsfunktion der gesamten aufnahmeseitigen Kunstkopfanordnung A , einschließlich der Mikrofone A1 mit nachgeschalteter Filteranordnung A2 frequenzunabhängig für frontalen Schalleinfall ist. Bei der Obertragung der so entzerrten Kunstkopfsignale hat die Versuchsperson aufgrund der Außenohr-Obrtragungseigenschaft des freifeldentzerrten Kopfhörers einen weitgehend natürlichen Höreindruck. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens freifeldangepaßten ( entzerrten ) Kunstkopfsignale auch bei Wiedergabe mittels Lautsprecher einen stark verbesserten Höreindruck vermitteln, wie durch praktische Versuche festgestellt werden konnte.
Dieser Teil der Erfindung wird anhand der Zeichnungen 2 bis 4 näher erläutert. Es zeigt:

Fig.2 den Frequenzgang des Freifeldübertragungsmasses des äußeren Ohrs für frontalen Schalleinfall, der mit dem Frequenzgang des Übertragungsmasses eines nach DIN 45500 freifeldentzerrten Kopfhörers übereinstimmt;
Fig. 3 die Frequenzgänge des Freifeldübertragungsmasses eines bekannten Kunstkopfes für frontalen Schalleinfall ( mit ausgezogener Linie gezeichnete Kurve ) sowie des Obertragungsmasses der erfindungsgemäß vorgesehenen Filteranordnung ( mit gestrichelter Linie gezeichnete Kurve ), und
Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäß vorgesehenen Filteranordnung.

In Fig. 2 ist zur Verdeutlichung der eingangs bereits dargelegten Problematik für einen freifeldentzerrten Kopfhörer und in Fig. 3 für einen Kunstkopf des Typs KU 80 der Firma Neumann GmbH, Berlin jeweils der Frequenzgang des Obertragungsmasses dargestellt. Wie aus dem Vergleich beider Frequenzgänge ersichtlich ist, ergibt die Addition beider Frequenzgänge bei der Kettenschaltung von Kunstkopf und Kopfhörer eine starke Oberhöhung des resultierenden Frequenzgangs und damit einen unnatürlichen Höreindruck. Die der.Erfindung zugrunde liegende Oberlegung besteht nunmehr darin, den Frequenzgang des Kunstkopfes für frontalen Schalleinfall gegenläufig mit Hilfe einer Filteranordnung zu kompensieren, wie in Fig. 3 mit der gestrichelt eingezeichneten Kurve angedeutet ist. Als Ergebnis dieser Maßnahme wird in der Obertragungskette von Kunstkopf zum Kopfhörer für frontalen Schalleinfall nur noch der von dem Kopfhörer nachgebildete Frequenzgang des Freifeldübertragungsmasses des äußeren Ohrs gemäß Fig. 2 wirksam, so daß die Versuchsperson einen weitgehend natürlichen Höreindruck hat.
Die in Fig. 4 anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellte, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Filteranordnung besteht aus der Kettenschaltung eines Bandpasses 10 und zweier Bandsperren 20, 30, wobei die Schaltungsbestandteile 10, 20 und 30 durch senkrechte gestrichelte Lienien voneinander getrennt sind. Der Bandpaß 10 und die Bandsperren 20, 30 sind in Form von Brücken-T-Gliedern ausgebildet. Der Querzweig des Bandpasses 10 umfaßt einen Parallelschwingkreis mit einer Induktivität L₁, einer Kapazität C₁ und einem ohmschen Widerstand R₁, ferner einen Serienwiderstand R₂. Der Brückenzweig des Bandpasses 10 umfaßt einen Serienschwingkreis mit einer Induktivität L₃, einer Kapazität C₃ und einem ohmschen Widerstand R₃, ferner einen Parallelwiderstand R₄. Der Längszweig des Bandpasses 10 umfaßt zwei ohmsche Widerstände R. Dies gilt in gleicher Weise auch für die Längszweige der beiden Bandsperren 20 und 30.
Bei der ersten Bandsperre 20 umfaßt der Querzweig einen Serienschwingkreis mit einer Induktivität L₅, einer Kapazität C₅ und einem ohmschen Widerstand R₅. Der Bruckenzweig der Bandsperre 20 umfaßt einen Parallelschwingkreis mit einer Induktivität L₆, einer Kapazität C₆ und einem ohmschen Widerstand R₆.
Bei der zweiten Bandsperre 30 umfaßt der Querzweig einen Serienschwingkreis mit einer Induktivität L₇, einer Kapazität C₇ und einem ohmschen Widerstand R₇. Der Brückenzweig der Bandsperre 30 umfaßt einen Parallelschwingkreis mit einer Induktivität L₈, einer Kapazität C₈ und einem ohmschen Widerstand R₈.
Dem Eingang 11 der Filteranordnung nach Fig. 4 ist zur Impedanzanpassung ein ohmscher Widerstand Rg vorgeschaltet.
Eine praktisch verwirklichte Filteranordnung gemäß Fig.4 besaß eine Einschaltdämpfung 37 dB für ein breitbandiges Signal. Aufgrund der ausschließlichen Verwendung passiver Bauelemente zeigt die Filteranordnung nach Fig.4 praktisch kein Eigenrauschen.
Die Wirkungsweise der Filteranordnung nach Fig. ₄ ist am besten aus den Frequenzgang gemäß Fig. 3 ( gestrichelt eingezeichnete Kurve ) ersichtlich. Der Bandpaß 10 bewirkt die Anhebung des Frequenzgangs bei 10 kHz, während die Bandsperren 20, 30 die Absenkungen bei 1,4 kHz bzw. 4,2 kHz bewirken.
Das bisher beschriebene Verfahren läßt sich nur unter der Voraussetzung anwenden, daß der verwendete Kopfhörer für frontalen Schalleinfall freifeldentzerrt ist. Die Aufgabe, das Verfahren auch für nicht freifeldentzerrte Kopfhörer, d.h. für Kopfhörer mit frequenzabhängigem Freifeldübertragungsmaß anwendbar zu machen, wird durch die kennzeichnenden MerKmale des Anspruchs 6 gelöst. Eine zur Durchführung des modifizierten Verfahrens geeignete Filteranordnung ergibt sich aus dem Anspruch 7.
Das modifizierte Verfahren berücksichtigt die Frequenzabhängigkeit des Kopfhörers dadurch, daß der Amplitudenfrequenzgang des Anpassungsfilters invers zur Summe der Freifeldübertragungsmaße des Kunstkopfes und des Kopfhörers ist. Bei dieser Auslegung des Anpassungsfilters erhält der Zuhörer natürliche Ohrsignale auch dann, wenn der verwendete Kopfhörer nicht nach DIN 45 500, Teil 10 vom September 1975 freifeldentzerrt ist.
Dieser Teil der Erfindung wird anhand der Zeichnungen 5 und 6 näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 5 den Frequenzgang eines Kopfhörers mit frequenzabhängigem Freifeldübertragungsmaß (mit ausgezogener Linie gezeichnete Kurve) sowie eines nach DIN 45 500 freifeldentzerrten Kopfhörers (mit gestrichelter Linie gezeichnete Kurve);
Fig. ₆' die Frequenzgänge der Summe aus den Freifeidübertragungsmaßen eines bekannten Kunstkopfes für frontalen Schall ein- fall und des in Fig. ₅ zugrundegelegten Kopfhörers mit frequenzabhängigem Freifeidubertragungsmaß (mit ausgezogener Linie gezeichnete Kurve) sowie des Obertragungsmaßes der erfindungsgemäß vorgesehenen Filteranordnung (mit gestrichelter Linie gezeichnete Kurve).

In Fig. 5 sind zur Veranschaulichung die unterschiedlichen Frequenzgänge von Kopfhörern mit frequenzabhängigem und frequenzunabhangigem Freifeldübertragungsmaß dargestellt. Wie man hieraus erkennt, zeigt der mit durchgezogener Kurve angedeutete Kopfhörer mit frequenzabhängigem Freifeldübertragungsmaß gegenüber dem mit gestrichelter Kurve angedeuteten Kopfhörer mit frequenzunabhängigem Freifeldübertragungsmaß eine Höhenanhebung bei einer Frequenz von ca. 10 kHz. Die Summe aus diesem Frequenzgang und dem Frequenzgang eines Kunstkopfes des Typs KU 80 der Firma Neumann GmbH, Berlin ergibt den in Fig. 6 mit ausgezogener Linie dargestellten Frequenzgang. Diedem modifizierte zugrunde liegende Oberlegung besteht nunmehr darin, diese Frequenzgangsumme von Kunstkopf und Kopfhörer gegenläufig mit Hilfe einer Filteranordnung zu kompensieren, wie in Fig.₅ mit der gestrichelt eingezeichneten Kurve angedeutet ist.
Als Ergebnis dieser Maßnahme wird in der Obertragungskette von Kunstkopf zum Kopfhörer für frontalen Schalleinfall der Frequenzgang des Freifeldübertragungsmaßes des äußeren Ohrs wirksam, so daß der Zuhörer einen weitgehend natürlichen Höreindruck hat.
Zur Durchführung des modifizierten Verfahrens ist ebenfalls die in Fig. 4 dargestellte Filteranordnung geeignet.
Bei der eingangs beschriebenen Anwendung des Verfahrens der Freifeldanpassung auf den bekannten Kunstkopf der Fa. Neumann wird die gegenläufige Kompensation der Übertragungsfunktion des Kunstkopfs mit Hilfe einer Filteranordnung erzielt, die aus der Kettenschaltung eines Bandpasses sowie zweier Bandsperren besteht. Neben dem baulichen Aufwand für diese Filteranordnung wird dadurch eine Dämpfung der stereophonen Signale um mehr als 30 dB hervorgerufen, die durch entsprechende Verstärkung wieder ausgeglichen werden muß. Da bei dieser Verstärkung auch der Rauschanteil mitverstärkt wird, erhöht sich insgesamt das Störgeräusch bei dem resultierenden Signal in entsprechender Weise.
Die Aufgabe, bei dem Verfahren eine Verbesserung des Störabstands zu erreichen, wird erfindungsgemäß durch das erste kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
Zweckmäßige Ausbildungen eines Kunstkopfes sowie einer Filteranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4. Eine baulich besonders günstige Ausbildung eines Kunstkopfes ist in dem Anspruch 5 angegeben.
Die Weiterentwicklung beruht auf der Oberlegung, für den Kunstkopf Mikrophone zu verwenden, die zusammen mit den Eigenschaften des Kunstkopfes einen solchen Frequenzgang besitzen, welcher lediglich Oberhöhungen und keine Einbrüche aufweist. Dadurch brauchen lediglich die Erhebungen weggefiltert zu werden, wodurch nicht nur die gewünschte Linearisierung des Nutzsignals im gesamten Frequenzbereich sondern auch eine Dämpfung der Rauschanteile in demjenigen Frequenzbereich erzielt wird, in welchem die Oberhöhung des Nutzsignals auftritt. Eine nachträgliche Verstärkung der gefilterten stereophonen i Signale zum Ausgleich der Filterdämpfung ist daher nicht erforderlich, wodurch insgesamt das Störgeräusch vermindert wird. Um einen lediglich Oberhöhungen aufweisenden Frequenzgang des Gesamtsystems Kunstkopf - Mikrophone zu erhalten, werden erfindungsgemäß Mikrophone verwendet, die im Frequenzbereich zwischen 5 und 12 kHz eine Resonanzstelle aufweisen. Hierfür kommen Elektretmikrophone oder Kondensatormikrophone in Betracht. Für die Filteranordnung zum Absieben der verbleibenden Oberhöhungen kann eine passive Bandsperre verwendet werden. Sämtliche Bauteile, wie Verstärker, Filter und Stromversorgung lassen sich in vorteilhafter Weise in den Kunstkopf einbauen, wodurch eine einfache, übersichtliche Handhabung erreicht wird.
Dieser Teil der Erfindung wird anhand der Zeichnungen 7 bis 10 näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 7 den Frequenzgang eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehenen Elektretmikrophons;
Fig. 8 die Frequenzgänge des Freifeldübertragungsmasses eines mit zwei Elektretmikrophone A1 ausgerüsteten Kunstkopfes A bei frontalem Schalleinfall (mit ausgezogener Linie gezeichnete Kurve) sowie des Obertragungsmasses der erfindungsgemäß vorgesehenen Filter- anordnung (mit gestrichelter Linie gezeichnete Kurve);
Fig. 9 ein elektrisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der er- findungsgemäß vorgesehenen Filteranordnung, A2 und
Fig. 10 ein elektrisches Schaltbild der in einem Kunstkopf A eingebauten Bauteile zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in Fig. 7 dargestellte Kurve zeigt den Frequenzgang eines bekannten Elektretmikrophons, welcher im Bereich zwischen 2 und 12 kHz eine Resonanzüberhöhung aufweist. Die Resonanzstelle ist so ausgewählt, daß sie zu dem jeweils verwendeten Kunstkopf paßt. Beim Einbau zweier, in Fig. ? mit ihrem Frequenzgang veranschaulichter Elektretmikrophone in einen Kunstkopf ergibt sich der in Fig. 8 mit ausgezogener Linie eingezeichnete Frequenzgang des Freifeldübertragungsmasses für frontalen Schalleinfall. Wie man hieraus erkennt, besitzt dieser Frequenzgang im wesentlichen nur eine Oberhöhung mit einem Maximum bei etwa 4 kHz. Die sich an diese Oberhöhung anschließenden Oberschwingungen in beiden Richtungen sind vernachlässigbar. Die dargestellte Überhöhung kann mit Hilfe einer Filteranordnung abgesiebt werden, welche den in Fig. ₈ mit gestrichelter Linie eingezeichneten Frequenzgang aufweist. Als geeignete Filteranordnung kommt beispielsweise die in Fig. 9 veranschaulichte passive Bandsperre in Betracht, welche einen T-Zweig und einen Brückenzweig sowie zur Widerstandsanpassung einen vorgeschalteten Längswiderstand und einen nachgeschalteten Parallelwiderstand aufweist. Der T-Zweig umfaßt in seinem Längsabschnitt zwei Längswiderstände R und in seinem Querabschnitt einen mit einem Serienwiderstand Rbedämpften Serien-LC-Kreis. Der Brückenzweig der Filteranordnung gemäß Fig. 9 besteht aus einem mit einem Parallelwiderstand R bedämpften Parallel-LC-Kreis.
In Fig. 10 ist ein Signalzweig zur Verarbeitung eines stereophonenL-oderR-Signals dargestellt, der aus der Kettenschaltung eines Mikrophons 20, eines Hochpasses 30, eines Operationsverstärkers 40 und der Filteranordnung 10 besteht. In bevorzugter Weise werden zwei derartige Signalzweige zusammen - mit der erforderlichen Stromversorgung (z.B. Batterie) baulich in den Kunstkopf integriert, so daß eine leicht handhabbare übersichtliche Aufnahmevorrichtung zur Verfügung steht. Als Mikrophon 20 ist ein Elektretmikrophon mit einem Frequenzgang gemäß Fig.7 oder ein Kondensatormikrophon mit einem vergleichbaren Frequenzgang vorgesehen. Der Hochpaß 30, welcher zwischen dem Mikrophon 20 und dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 40 angeordnet ist, besteht aus einer Längskapazität C und einem Querwiderstand R und dient zur Absiebung tief- . frequenter Störsignale, welche das Mikrophon 20 aus der Umgebung der interessierenden Schallquelle aufnimmt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 40 ist zur Einstellung des Verstärkungsfaktors mit einem Vorwiderstand R₁ beschaltet. Der Verstärkerausgang ist über einen Gegenkopplungswiderstand R₂ auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 40 ge^gengekoppelt. Als Filteranordnung 10 kommt beispielsweise die in Fig. 9 dargestellte Ausführungsform mit einer passiven Bandsperre in Betracht.

EINRICHTUNG ZUM AUFNEHMEN STEREOPHONER SIGNALE B

Zur Aufnahme stereophoner Signale, welche zur raumbezogenen Wiedergabe, d.h. mittels ortsfester Lautsprecher vorgesehen sind, lassen sich stereophone Mikrophonanordnungen verschiedener Art verwenden, z.B. Koinzidenzstereomikrophon und Laufzeitstereomikrofon, denen gemeinsam ist, daß der Abstand der beiden Mikrophone zueinander klein gegenüber dem Abstand der Mikrophonan ordnung von den Schallquellen ist. Solche Mikrophonanordnungen lassen sich allgemein durch ihre Richtcharakteristik
(f,ρ,δ )=(A_1i(f,ϕ,δ), A_re(f,ϕ,δ) ) beschreiben. Dabei sind A_li bzw. A_re die Freifeld-Obertragungsfunktionen des linken bzw, rechten Mikrophons, die im allgemeinen von der Frequenz f, dem Seitenwinkel _f zu einer Bezugsrichtung und dem Erhebungswinkel d über der Horizontalebene abhängen. Die Mikrophonrichtcharakteristik
(f,ϕ,δ) ist von der Entfernung der Schallquellen unabhängig, wenn voraussetzungsgemäß der Abstand der Schallquellen groß gegen die Abmessungen der Mikrophonanordnung ist.
Den stereophonen Lautsprecheranordnungen zur Wiedergabe raumbezogen stereophoner Signale ist gemeinsam, daß der Abstand der beiden Lautsprecher zum Hörerort groß gegenüber dem Kopfdurchmesser des Zuhörers und den Lautsprecherabmessungen ist. Von praktischer Bedeutung sind Lautsprecheraufstellungen, die mediansymmetrisch in Bezug auf die Kopfposition des Zuhörers sind und eine Basisbreite von einigen Metern mit einem Basiswinkel von etwa 60° haben. Die Wirkung solcher stereophoner Lautsprecheranordnungen am Hörerort läßt sich allgemein durch die Freifeidübertragsfunktion C_i(f) und C₂(f) sowie durch die Aufstellrichtung (ϕ₁,δ₁) und (ϕ₂, δ₂) der beiden Lautsprecher beschreiben. ϕ₁ bzw. ϕ₂ sind dabei die Seitenwinkel zu einer Bezugsrichtung, während δ₁ bzw. δ₂ die Erhebungswinkel über der Horizontalebene jeweils für den ersten bzw. zweiten Lautsprecher bezogen auf den Hörerort sind.
Durch Filter mit den inversen Obertragungsfunktionen 1/C₁(f) und 1/C₂(f), die den beiden Lautsprechern vorgeschaltet werden können, läßt sich stets erreichen, daß die Freifeldübertragungsfunktionen der Lautsprecheranordnung bezogen auf den Hörerort frequenzunabhängig sind und der Laufzeitunterschied zum Hörerort ausgeglichen wird. Die Wirkung der Lautsprecher hängt dann nur noch von den Aufstellrichtungen (ϕ₁,δ₁) und (ϕ₂,δ₂) ab, Bei der Wiedergabe der über Koinzidenz- oder Laufzeitmikrophonen aufgenommenen stereophonen Signale mittels der erwähnten Lautsprecheranordnungen treten bekanntlich starke Verfälschungen hinsichtlich der Klangfarben, der Lokalisation und der zeitlichen Wahrnehmung der einzelnen ursprünglichen Schallquellen auf, was dazu geführt hat, daß bei qualitativ hochwertigen Aufnahmen räumlich verteilter Schallquellen zusätzliche Stützmikrophone und vielkanalige Mischpulte verwendet werden
Lie Aufgabe, bei einer Aufnahmeeinrichtung eine klang-, richtungs- und zeitgetreue Aufnahme von raumbezcgen stereophonen Signalen auf einfache Weise zu erzielen, wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
Vcrteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung B ergeben sich aus den Unteransprüchen 9 und 10.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die Mikrophonsignale von lediglich zwei Mikrophonen mittels einer Entkopplungsanordhung bei der Aufnahme so umgewandelt, daß bei Lautsprecherwiedergabe der umgewandelten Signale das wiedergegebene Schallereignis dem ursprünglichen, räumlich verteilten Schallereignis klang-, zeit- und richtungsgetreu entspricht. Der Aufwand für die beiden Mikrophone und die Entkopplungsanordnung ist im Vergleich zu der eingangs erwähnten Aufnahmeeinrichtung mit zusätzlichen Stützmikrophonen und vielkanaligen Mischpulten um ein Vielfaches geringer, wobei die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erzieite Wiedergabequalität gegenüber diesem Stand der Technik zumindest gleich und eher noch besser ist, wie sich anhand praktischer Versuche gezeigt h_at. Dies gilt insbesondere dann, wenn die beiden Mikrofone in einem Kunstkopf angeordnet sind, weil die sterephonen Signale dann die natürliche Rauminformation enthalten.
Dieser Teil der Erfindung wird anhand der Zeichnungen 11 und 12 näher erläutert. Es zeigt:

Fig.11 ein Blockschaltbild eines allgemeinen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgebildeten, raumbezogen stereophonen Aufnahme- und Wiedergabeeinrichtung, und
Fig.12 ein Blockschaltbild einer bei der Einrichtung nach Fig.11 alternativ verwendbaren Entkopplungsanordnung ,

Die Einrichtung gemäß Fig.11 umfaßt auf der Aufnahmeseite zwei Mikrophone 20, 30, deren Signale denEingängenM_li und M_re einer Entkopplungsanordnung 10 zugeführt werden. Die entkoppelten Signale an den Ausgängen L₁, L₂ der Anordnung 10 können auf einen geeigneten, zweikanaligen Tonträger aufgezeichnet oder über getrennte Rundfunktonkanäle gesendet werden. Auf der Empfangsseite sind für die beiden Obertragungs- bzw, Tonkanäle zwei Lautsprecher 40, 50 zur raumbezogen stereophonen Wiedergabe vorgesehen.denen Übertragungsglieder 80 bzw. 90 vorgeschaltet werden können, um eine frequenz- und laufzeitunabhängige Schallwandlun^g zu erzielen. Die Lautsprecher 40, 50 besitzen mit Bezug auf den Kopf 100 eines Zuhörers die Azimuthwinkel ϕ₁ bzw. ϕ₂ und die Elevationswinkel C₁ bzw. δ₂, Desweiteren sind mit Bezug auf die beiden Mikrophone 20, 30 der allgemeine Fall der Schallaufnahme einer Schallquelle S mit einer Schalleinfallsrichtung (ϕ,δ) bezüglich einer strichpunktiert eingezeichneten, beliebigen Bezugsrichtung und der Fall zweier Schallquellen S₁ und S₂ mit den speziellen Schalleinfallsrichtungen (ϕ₁, δ₁) und (ϕ₂, δ₂) in Fig.11 veranschaulicht.
Die Entkopplungsanordnung 10 umfaßt vier spezielle Übertragungsglieder 15 - 18, deren Obertragungsfunktionen nachstehend noch näher erläutert werden. Die Obertragungsglieder 15 - 18 sind in Form eines inversen Filters zusammengeschaltet, wobei das Obertragungsglied 15 im Längszweig 11 des linken Übertragungskanals und das Obertragungsglied 16 im Längszweig des rechten Dbertragungskanals angeordnet sind. Zwischen den Eingängen M_li und M_re und den Obertragungsgliedern 15 bzw. 16 ist jeweils ein Subtraktionsglied 13 bzw. 14 vorgesehen. Der negative Eingang des Subtraktionsgliedes t3 ist über das Übertragungsglied 18 mit dem Ausgang des Übertragungsgliedes 16 bzw. dem Ausgang L₂ im Sinne einer Rückwärts-Gegenkopplung verbunden, während der negative Eingang des Subtraktionsgliedes 13 über das Übertragungsglied 17 mit dem Ausgang des Obertragungsgliedes 15 bzw. dem Ausgang L₁ im Sinne einer Rückwärts-Gegenkopplung verbunden ist. Durch die Entkopplungsanordnung 10 werden die Mikrophon- signale
=(M_1i, M_re) so entkoppelt, daß die entstehenden Lautsprechersignaie
=(L₁, L₂) alle Schallinformationen aus den speziellen Richtungen (ϕ₁,δ₁) und (ϕ₂,δ₂) getrennt enthalten. Eine Symmetrie der Lautsprecher 40, 50 ist im allgemeinen Fall nicht notwendig.
Für praktische Anwendungen kann man auf der Wiedergabeseite zwei der DIN-Norm entsprechende Lautsprecher in Stereostandardaufstellung zuxrundelegen. Da diese Lautsprecher dann die gleiche Entfernung zum Hörerort und die gleiche, hinreichend frequenzunabhängige Freifeld-übertragungsfunktion aufweisen, entfallen die Übertragungsglieder 80, 90. Die Azinuthwinkel betragen in der Standardaufstellung ϕ₁ = -30° und f₂ = +30°, die Elevationswinkel sind δ₁ = δ₂ = 0°. Für diese beiden Schalleinfallsrichtungen müssen dann die Freifeld-Obertragungsfunktionen des linken und des rechten Mikrophons 20 bzw. 30 bekannt sein, um die Entkopplungsanordnung berechnen zu können.
Für die drei praktisch bedeutsamen stereophonen Mikrophonanordnungen gibt die Tabelle t die Obertragungsfunktion [F] der Entkopplungsanordnung an. Im Normalfall sind die Mikrophonanordnungen mediansymmetrisch, so daß die beschreibenden Matrizen deshalb symmetrisch bezüglich der Hauptdiagonalen sind.
Bei der in Fig.12 dargestellten, verallgemeinerten Ausführungsform einer Entkopplungsanordnung sind in den linken und rechten Obertra- ^gungskanälen M_li, L₁ bzw. M_re, L₂ vor und hinter der hier mit 10^* bezeichneten, "reduzierten" Entkopplungsanordnung weitere Obertragungsglieder 61, 7t bzw. 72 angeordnet. Die Obertragungsfunktionen dieser weiteren Obertragungsglieder 61, 71, 62, 72, nämli.ch D_li(f), E
(f), D_re(f) und E₂(f) enthalten abgespaltene Teile der Gesamtübertragungsfunktion [F] der Entkopplungsanordnung 10 gemäß Fig.11. Mit dem Ausdruck "reduzierte" Entkopplungsanordnung ist demgemäß der um die abgespaltenen Teile der Gesamtübertragungsfunktion reduzierte Rest der Entkopplungsanordnung 10 gemäß Fig.11 gemeint, der daher in Fig.12 mit 10^* bezeichnet ist. Vom Aufbau her unterscheiden sich die Entkopplungsanordnung 10 gemäß Fig,11 und die reduzierte Entkopplungsanordnung 10^* gemäß Fig.12 lediglich durch die jeweilige Obertragungsfunktion der Obertragungsglieder 15 bis 18, wie nachfolgend im einzelnen erläutert wird:
Die vor den Eingängen der reduzierten Entkopplungsnetzwerksanordnung 10^* mit der Übertragungsfunktion [F*] angeordneten Übertragungsglieder 61, 62 besitzen die Obertragungsfunktion
während die hinter den Ausgängen der reduzierten Entkopplungsanordnung 10^* angedeuteten Obertragungsglieder 71, 72 die Übertragungsfunktion
besitzen.
Die reduzierte Entkopplungsanordnung 10* besitzt dann die Obertragungsfunktion [F*]:
Die Kettenschaltung der drei übertragungsblöcke 60, 10^* und 70 mit den Obertragungsfunktionen [b*], [F*] und [E*] ergibt wieder die gewünschte
Entkopplungsfunktion [F] = [A]^-1:
wobei sich [F] nach Aufspaltung der Matrix [F*] wie folgt ergibt:
Die Tabelle 2 enthält die sieben möglichen Vereinfachungen der Entkopplungsanordnung 60, t0^*, 70 nach Fig.12, die dadurch entstehen, daß bestimmte Paare von Übertragungsfunktionen gleich einsgesetzt werden. In der ersten Zeile der Tabelle 2 ist der in Fig.ft dargestellte Fall der Entkopplungsanordnung 10 enthalten, der sich dadurch auszeichnet, daß alle der Entkopplungsanordnung vor- und nachgeschalteten Obertragungsglieder 61, 71, 62, 72 die Obertragungsfunktion eins besitzen. Alle Entkopplungsanordnungen gemäß Tabelle12 sind bezüglich der Obertragungsfunktion [F] äquivalent, jedoch nicht hinsichtlich der baulichen Ausgestaltung,

SCEALTUNGSANORDNUNG C ZUM ANPASSEN EINES RAUMBEZOGEN

STEREOPHONEN PROGRAMMSIGNALS AN EINEN KOPFHÖRER D

Dieser Teil der Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Anpassen eines raambezogen stereophonen Programmsignals an einen Kopfhörer, wie sie als solche bekannt ist. Schaltungsanordnungen dieser Art zielen darauf ab, die Direktbeschallung durch zwei Stereolautsprecher nachzubilden, um damit bei Benutzung von Kopfhörern die gleichen Hörereignisse zu erzeugen wie bei Benutzung von Lautsprechern.
Die bekannten.Schaltungsanoränungen sind jedoch einerseits sehr aufwendig, andererseits nicht genau genug und damit nicht wirksam genug. Das Verhältnis zwischen schaltungsmäßigem Aufwand und der erzielten Verbesserung der Kopfhörerwiedergabe (z.B. bei der Vermeidung der sog. Im-Kopf-Lokalisation) ist dabei so gering, daß sich das Verfahren bisher nicht durchsetzen konnte.
Bezüglich der erforderlichen Genauigkeit ist aus Acustica Vol. 29 (1973) S.273-277 bekannt, daß bei der Nachbildung der stereophonen Lautsprecherbeschallung die Schaltungsanordnung vor dem Kopfhörer prinzipiell die individuelle Richtcharakteristik des Zuhörers berücksichtigen nuß. Ausmaß und Bedeutung sowohl der Unterschiede der Richtcharakteristik von Zuhörer zu Zuhörer als auch der Unsymmetrie des linken und rechten Ohrs wurden jedoch nicht genügend beachtet und es wurde deshalb keine technische Vorrichtung beschrieben , die es gestattet, die Eigenschaften einer solchen Schaltungsanordnung an die individuellen Gehöreigenschaften anzupassen.
Aus US-FS 4 143 244 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die für frontalen Schalleinfall Unterschiede zwischen dem Kopf des Zuhörers und dem der Aufnahme dienenden Kunsckopf ausgleicht. Diese Schaltungsanordnung kann sinngemäß auch zur individuellen Nachbildung der Beschallung durch einen frontal aufgestellten Lautsprecher verwendet werden. Sie ist jedoch nicht in der Lage, die praktisch wichtigert Beschallung durch zwei seitlich aufgestellte Lautsprecher individuell nachzubilden. Beispielsweise ist die Kreuzkopplung der beiden raumbezogenen Stereosignale an den Ohren des Zuhörers (einschließlich des von der Kopfgröße abhängigen interauralen Laufzeitunterschieds) in dieser Schaltungsanordnung nicht berücksichtigt.
Aufgabe dieses Teils der Erfindung ist es demgegenüber, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die unter Verzicht auf Unwesentliches sinnvolle Näherungen und damit eine Vereinfachung ermöglicht, gleichzeitig aber die wesentlichen Eigenschaften der Lautsprecherbeschallung genauer, d.h. individuell richtig, nachbildet.
Als unwesentlich im Sinne der Aufgabenstellung ist beispielsweise das Freifeldübertragungsmaß der Lautsprecher anzusehen, weil es für die Ortung bei Lautsprecherwiedergabe unerheblich ist. Deshalb ist diese Lautsprechereigenschaft auch für die Nachbildung der Lautsprecherbeschallung mit Hilfe von Kopfhörern unwichtig, sodaß es genügt, sich auf zwei "ideale" Lautsprecher zu beziehen. Bezüglich einer weiteren Übertragungseigenschaft ist es sogar nachteilig, am Prinzip der genauen Simulation einer stereophonen Lautsprecherbeschallung festzuhalten: die meisten stereophonen Frogrammsignale zeigen bei stereophoner Lautsprecherwiedergabe die Eigenart, daß frontale Hörereignisse eleviert, d.h. über der Lautsprecherbasis abgebildet werden. Diese Eigenschaft sollte nicht mit simuliert werden, zumal die Hörereignisse bei Kopfhörerwiedergabe sowieso eine starke Iendenz zur Elevation zeigen.
Als unabdingbar für eine gute Lokalisation hat es sich hingegen herausgestellt, den interauralen Pegel- und Laufzeitunterschied für die seitliche Aufstellrichtung der Lautsprecher genau nachzubilden. Dazu ist es erforderlich, die individuelle Richtcharakteristik des Zuhörers, und zwar getrennt für die linke und rechte Schalleinfallsrichtung, zu berücksichtigen.
Um eine möglichst einfache, aber individuell anpassbare Schaltungsanordnung C zu erhalten, sieht die Erfindung zwei Lösungswege vor. Sie unterscheiden sich in der Kombination der Übertragungseigenschaften der Schaltungsanordnung C und des Kopfhörers D. Dieser Teil der Erfindung wird anhand der Zeichnungen 13 bis 19 näher erläutert.
Es zeigt:

Fig.13a und b zwei Blockschaltbilder der bekannten Schaltungsanordnungen
Fig.14 mittlere monaurale Übertragungsmaße (zugewandtes und abgewandtes Ohr) für eine Schalleinfallsrichtung von etwa 30⁰ (gestrichelter Kurvenzug, nach J. Acoust. Soc. Amer. Vol.61 (1977) S. 1567-1576) sowie jeweils halber interauraler Pegelunterschied (ausgezogene Kurvenzüge)
Fig.15 interauraler Phasenlaufzeitunterschied Δτt für die Schalleinfallsrichtung 30° (nach 9th International Congress on Acoustics, H 45 (Madrid 1977) S. 369)
Fig.16 aktiver Resonanzkreis zweiter Ordnung
Fig.17a und b Blockschaltbilder der Schaltungsanordnung C nach dem zweiten Lösungsweg
Fig.18 aktive Bandsperre zweiter Ordnung
Fig.19 Übertragungsmaß der Schaltungsanordnung nach Fig.17b für zwei identische Eingangssignale (gestrichelte Kurve) sowie Freifeldübertragungsmaß G_F, des zur Schaltungsanordnung nach Fig.17b passenden Kopfhörerwandlers

Die Schaltungsanordnung nach dem ersten Lösungsweg (Anspruch 11) hat dieselbe Schaltungsstruktur wie in DE-OS 20 07 623 beschrieben (s. Fig.13a) und besteht aus vier vor den Summierpunkten angeordneten Übertragungsgliedern 1 bzw. 2 und zwei Verzögerungsgliedern 3. Eine wesentliche Schaltungsvereinfachung läßt sich dadurch erreichen, daß das Übertragungsglied 1 genau die Hälfte des interauralen Pegelunterschieds als Pegelanhebung am zugewandten Ohr nachbildet, während das Übertiagungsglied 2 die andere Hälfte des interauralen Pegelunterschieds als Pegelabsenkung am abgewandten Ohr nachbildet. Wie Fig.14 zeigt, stimmt der halbe interaurale Pegelunterschied in sehr guter Näherung mit den monauralen Ubertragungsmaßen überein. Deshalb kann diese Schaltungsanordnung ohne hörbaren Klangfarbenfehler zusammen mit einem freifeldentzerrten Kopfhörer betrieben werden, d.h. die Schaltungsanordnung ist kompatibel mit jedem Kopfhörer, dessen Freifeldübertragungsmaß entsprechend DIN 45500 frequenzunabhängig ist. Die exakte Lokalisation ist durch die genaue Nachbildung des interauralen Pegelunterschieds (Fig.14) und des interauralen Laufzeitunterschieds (Fig.15) gewährleistet.
Die Vereinfachung der Schaltungsanordnung wird dadurch möglich, daß die Ubertragungsfunktionen der Übertragungsglieder 1 und 2 nunmehr reziprok zueinander sind. Daher lassen sich die Ubertragungsglieder 1 und 2 sehr ähnlich aufbauen, wie anhand von Fig. 16 veranschaulicht ist. Die Übertragungsglieder 1 und 2 werden durch mehrstufige (vorzugsweise vierstufige) Resonanzkreise zweiter Ordnung realisiert. Fig.16 zeigt das Prinzipschaltbild einer solchen Stufe, bei welcher der Resonanzkreis in aktiver RC-Technik aufgebaut ist. Das Netzwerk enthält die ohm'schen Widerstände R_x und Ry, deren Vertauschung die Funktionen des Bandpasses und der Bandsperre vertauscht.
Außerdem enthält es zwei einstellbare kapazitive oder chm'sche Impedanzen Z, welche die Resonanzfrequenz des Schaltkreises festlegen. Durch Einstellung dieser Impedanzen kann das Übertragungsmaß der mehrstufigen Resonanzschaltung an den halben interauralen Pegelunterschied des individuellen Zuhörers angepaßt werden.
Zur Nachbildung des interauralen Laufzeitunterschieds Δτ; tragen Verzögerungsglieder 3 bei, bestehend aus einer Kettenschaltung von Allpaßgliedern zweiter Ordnung. Vorzugsweise sind als Verzögerungsglied 3 vier der in Fig.18 dargestellten Resonanzkreise vorgesehen. Ihre frequenzabhängige Laufzeit zusammen mit dem frequenzabhängigen Laufzeitunterschied des ersten und zweiten Ubertragungsglieds 1 bzw. 2 bildet den individuellen, frequenzabhängigen Laufzeitunterschied des Gehörs eines bestimmten Zuhörers für die Schalleinfallsrichtung 30° nach.
Die Messung der interauralen Übertragungsfunktion kann durch bekannte Meßverfahren (z.B. US-PS 4 143 244) und die Optimierung der Filter durch bekannte Optimierungsverfahren erfolgen.
Eine weitere Vereinfachung der Schaltungsanordnung ergibt sich aus dem zweiten Lösungsweg (Anspruch 12 und 13, Fig.17). Dabei wird auf jegliche Übertragungsglieder 1 in den Längszweigen der Schaltungsanordnung verzichtet (Fig.17b). Die gesamte interaurale ubertragungsfunktion wird im jeweiligen Querzweig nachgebildet. Durch die Kettensschaltung von vier der in Fig.18 dargestellten Resonanzkreise als Bandsperren kann sowohl der frequenzabhängige interaurale Pegelunterschied (Fig. 14) als auch der frequenzabhängige inreraurale Laufzeitunterschied (Fig.15) gleichzeitig nachgebildet werden. Je nach Wahl der Widerstände R₁ bis R₄ kann eine Bandsperre nach Fig.18 entweder minimalphasig sein oder (bei gleichem Amplitudenfrequenzgang) zusätzliche Laufzeiten erzeugen. Jede Bandsperre ist durch drei unabhängige Parameter (z.B. die Widerstände R₁, R₂ und R₃) bestimmt, sodaß bei vier Resonanzkreisen zwölf unabhängige Parameter zur Nachbildung des individuellen interauralen Unterschieds zur Verfügung stehen.
Diese vereinfachte Schaltungsanordnung ist so klein und leicht, daß sie in den Bügel eines Kopfhörers eingebaut werden kann. Zur Vermeidung von Lokalisationsfehlern in der Medianebene hat der an die Schaltangsanordnung angeschlossene Wandler des Kopfhörers kein frequenzunabhängiges Freifeldübertragungsmaß, sondern das in Fig.19 mit ausgezogener Linie dargestellte frequenzabhängige Freifeldübertragungsmaß G_F. Der Frequenzgang des Wanalers ist damit invers zum Frequenzgang der Schaltungsanordnung für den Fall eines frontalen Hörereignisses. In diesem Fall, also bei zwei identischen Eingangssignalen, unterliegen die Ausgangssignale wegen der Kreuzkopplung dem in Fig.19 gestrichelt eingetragenen Frequenzgang (Kammfiltereffekt). Durch die inverse Wahl des Wandlerfrequenzgangs ist das Freifeldübertragungsmaß der gesamten Kopfhöreranordnung (Schaltungsanordnung plus Wandler) frequenzunabhängig und entspricht der DIN 45500.
Die in den zwei Lösungswegen beschriebenen Wiedergabeanordnungen eignen sich zur Wiedergabe sämtlicher raumbezogener Stereosignale, also insbesondere solcher Stereosignale eines Kunstkopfs A, die aus Gründen der Kompatibilität durch ein Entkopplungsfilter B in raumbezogene Stereosignale umgewandelt wurden.

Claims

1. Verfahren zur stereophonen Übertragung von Schall;.- signalen mittels eines Kunstkopfs, welcher eine dem menschlichen Gehör weitgehend angenäherte Richtcharakteristik besitzt, und mittels eines freifeldentzerrten Kopfhörers, dadurch gekennzeichnet ,

―daß für den Kunstkopf A MiKrophone A 1 verwendet werden, die im Frequenzbereich zwischen 5 und 12 kHz eine Resonanzstelle aufweisen, und daß anschließend diese Mikrophonsignale einer Filteranordnung A 2 zugeführt werden, deren Frequenzgang invers bezüglich des Freifeldübertragungsmaßes der eingebauten Mikrophone A 1 für frontalen Schalleinfall ist,

- daß die so erzeugten Kunstkppfsignale einer Einrichtung B zum Aufnehmen raumbezogen stereophoner Signale zugeführt werden,

- und daß die Wiedergabe über eine Schaltungsanordnung C zum Anpassen eines raumbezogen stereophonen Programmsignals an einen Kopfhörer D erfolgt.

2. Kunstkopf zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Elektretmikrophonen oder Kondensatormikrophonen.

3. Filteranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Frequenzgang, welcher invers bezüglich des Freifeldübertragungsmaßes für frontalen Schalleinfall der eingebauten Kunstkopfmikrophone ist.

4. Filteranordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine passive Bandsperre oder durch die Kettenschaltung eines Bandpasses (10), einer ersten Bandsperre (20) und einer zweiten Bandsperre (30), wobei der Bandpaß (10) und jede der Bandsperren (20 bzw. 30) in Form von Brücken-T-Gliedern mit frequenzunabhängiger Eingangs- und Ausgangsimpedanz ausgebildet sind.

5. Kunstkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kunstkopf die Filteranordnung zusammen mit einem vorgeschalteten Verstärker sowie der Stromversorgung eingebaut sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines freifeldentzerrten Kopfhörers ein Kopfhörer mit frequenzabhängigem Freifeldübertragungsmaß verwendet wird und daß der Frequenzgang der Filteranordnung invers bezüglich der Summe der Freifeldübertragungsmaße von Kunstkopf und Kopfhörer ist.

7. Filteranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Frequenzgang, welcher invers bezüglich der Summe der Freifeldübertragungsmaße von Kunstkopf und Kopfhörer ist.

8. Einrichtung zum Aufnehmen stereophoner Signale, welche zur raumbezogenen Wiedergabe, insbescndere mittels zweier getrennt aufgestellter Lautsprecher vorgesehen sind, mit zwei Aufnahmemikrophonen, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,
daß die Mikrophonsignale einer Entkopplungsanordnung (10) zugeführt werden, bei der in Längszweigen (11, 12) eines linken (M_1i, L₁) und eines rechten (M_re, L₂) Übertragungskanals jeweils ein Subtraktionsglied (13 bzw. 14) mit nachgeschaltetem Obertragungsglied (15 bzw. 16) angeordnet ist und bei der in Querzweigen, welche den Ausgang (L₁) des linken Obertragungskanals (M_li, L₁) mit dem negativen Eingang des im ^Län^gszwei^g (12) des rechten Obertragungskanals (M_re, L₂) angeordneten Subtraktionsgliedes (14) sowie den Ausgang (L₂) des rechten Obertragungskanals (M_re, L₂) mit dem negativen Eingang des im Längszweig (11) des linken Dbertragungskanals (M_li, L₁) angeordneten Subtraktionsgliedes (13) rückwärts gegenkoppeln, jeweils ein Gegenkopplungsglied (17, 18) enthalten, daß das Übertragungsglied (15) im Längszweig (11) des linken Übertragungskanals (M_1i, L₁) die inverse Freifeldübertragungsfunktion des linken Mikrophons (20) für die der Aufstellrichtung eines ersten Lautsprechers (40) entsprechende Schalleinfallsrichtung nachbildet, daß das Obertragungsglied (16) im Längszweig (12) des rechten Übertragungskanals (Mre, L₂) die ; inverse Freifeldübertragungsfunktion des rechten Mikrophons (30) für die der Aufstellrichtung eines zweiten Lautsprechers (50) entsprechende Schalleinfallsrichtung nachbildet, daß das den Ausgang (L₂) des rechten Übertragungskanals (M_re, L₂) rückwärts gegenkoppelnde Gegenkopplungsglied (18) die Freifeldübertragungsfunktion des linken Mikrophons (20) für die der Aufstellrichtung des zweiten Lautsprechers (50) entsprechende Schalleinfallsrichtung nachbildet und daß das den Ausgang (L₁) des linken Obertragungskanals (M_li, L₁) rückwärts gegenkoppelnde Gegenkopplungsglied (17) die Freifeldübertragungsfunktion des rechten Mikrophons (30) für die der Aufstellrichtung des ersten Lautsprechers (40) entsprechende Schalleinfallsrichtung nachbildet.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den linken und rechten Obertragungskanälen vor und/oder hinter der um abspaltbare Teile ihrer Gesamtübertragungsfunktion reduzierten Entkopplungsanordnung (10^*) weitere Übertragungsglieder (61, 72 bzw. 62, 72) angeordnet sind, deren Übertragungsfunktionen die abgespalteten Teile der Gesamtübertragungsfunktion der Entkopplungsanordnung (10) enthalten.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9 , dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Mikrophone (20, 30) in einem Kunstkopf angeordnet sind.

11. Schaltungsanordnung zum Anpassen eines raumbezogen stereophonen Programmsignals an einen freifeldentzerrten Kopfhörer, bei der in Längszweigen eines linken und rechten Übertragungskanals vor oder hinter einem linken und rechten Summierglied jeweils ein erstes Übertragungsglied angeordnet ist, und bei der in Querzweigen, welche den linken mit dem rechten sowie den rechten mit dem linken Übertragungskanal additiv koppeln, jeweils ein zweites Übertragungsglied und gegebenenfalls ein Verzögerungsglied angeordnet ist, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,

- daß das erste, vor einem Summierglied 4 angeordnete Übertragungsglied 1 mittels einer Kettenschaltung von Bandpässen zweiter Ordnung den halben interauralen Pegelunterscried des Gehörs für die Schalleinfallrichtung 30 ° nachbildet,

- daß das zweite Übertragungsglied 2 mittels einer Kettenschaltung von Bandsperren zweiter Ordnung, die sich von den Bandpässen des ersten Übertragungsglieds 1 nur durch die Vertauschung jeweils zweier Widerstände R_x und R unterscheiden, die inverse Übertragungsfunktion des ersten Übertragungsglieds 1 aufweist,

- daß die Resonanzfrequenzen aller Bandpässe und Bandsperren durch variable kapazitive oder ohm'sche Impedanzen Z an die Resonanzfrequenzen angepaßt werden können, die im Frequenzgang des individuellen interauralen Pegelunterschieds des Gehörs eines bestimmten Zuhörers auftreten,

- und daß in den Querzweigen variable Verzögerungsglieder 3 aus einer Kettenschaltung von Allpässen zweiter Ordnung vorgesehen sind, deren variable frequenzabhängige Laufzeit zusammen mit dem durch die Einstellung der Resonanzfrequenzen veränderlichen, frequenzabhängigen Laufzeitunterschied des ersten und zweiten Übertragungsglieds 1 und 2 den individuellen, frequenzabhängigen Laufzeitunterschied des Gehörs eines bestimmten Zuhörers für die Schalleinfallsrichtung 30 ⁰ nachbildet.

12. Schaltungsanordnung zum Anpassen eines raumbezogen stereophonen Programmsignals an einen Kopfhörer, bei der in Längszweigen eines linken und rechten Übertragungskanals jeweils ein erstes Übertragungsglied angeordnet ist, und bei der in Querzweigen, welche den linken mit dem rechten sowie den rechten mit dem linken Übertragungskanal additiv koppeln, jeweils ein zweites Übertragungsglied und gegebenenfalls ein Verzögerungsglied angeordnet ist, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , da3 die ersten Übertragungsglieder 1 vor der Signalverzweigung in einen Längszweig und einen Querzweig angeordnet sind.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

- daß die ersten Übertragungsglieder 1 im Frequenzbereich bis 15 kHz ein frequenzunabhängiges Übertragungsmaß von 0 dB aufweisen,

- daß die zweiten Übertragungsglieder 2 mittels einer Kettenschaltung von einfachen Bandsperren zweiter Ordnung sowohl den interauralen Pegelunterschied als auch den interauralen Laufzeitunterschied des Gehörs für die Schalleinfallsrichtung 30 ° nachbilden, wobei jede Bandsperre minimalphasig oder mit zusätzlichen Laufzeiten behaftet sein kann,

- daß jede Bandsperre des zweiten Übertragungsglieds ? durch drei variable ohmsche Widerstände an die individuelle Richtcharakteristik des Gehörs eines bestimmten Zuhörers angepaßt werden kann,

- und daß die vereinfachte Schaltungsanordnung in einen Kopfhörer eingebaut ist, dessen Freifeldübertragungsmaß zusammen mit der Schaltungsanordnung frequenzunabhängig ist.