EP0156334B1

EP0156334B1 - Simulationsverfahren und Vorrichtung (elektronischer Kunstkopf) zur Nachbildung der Übertragungseigenschaften des menschlichen Aussenohrs bei Freifeldbeschallung

Info

Publication number: EP0156334B1
Application number: EP85103441A
Authority: EP
Inventors: Klaus Dr. Genuit
Original assignee: HEAD Acoustics GmbH Kopfbezogene Aufnahme und Wiedergabetechnik Messtechnik
Current assignee: HEAD Acoustics GmbH Kopfbezogene Aufnahme und Wiedergabetechnik Messtechnik
Priority date: 1984-03-27
Filing date: 1985-03-23
Publication date: 1992-11-25
Anticipated expiration: 2005-03-23
Also published as: CA1237192A; DE3586850D1; BR8501394A; DK134285A; US4672569A; DK134285D0; EP0156334A3; ATE82812T1; EP0156334A2; AU4043085A; DE3509358A1; AU573493B2

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektroakustischen Simulationsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einer entsprechenden Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2. Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (US-A-3 970 787) wird versucht, nach Art eines Richtungsmischpults elektronische oder elektrische Schaltungsmittel vorzusehen, die für angenommene Schalleinfallsrichtungen eine geeignete mittlere Außenohrübertragungsfunktion repräsentieren.
Dabei wird jedoch, wie bei üblichen Richtungsmischpulten auch, auf die eigentlichen Entstehungsmechanismen von Außenohrübertragungseigenschaften nicht eingegangen, beispielsweise weil diese unbekannt oder einer Bestimmung aufgrund ihrer Komplexität einfach unzugänglich sind, sondern man mißt die Übertragungsfunktionen einfach mit einem Mikrofon empirisch und bestimmt danach elektrische Schaltungen und deren Parameter.
Ein solches Verfahren macht es dann auch erforderlich, für jede gewünschte Übertragungsrichtung eine Übertragungsfunktion durch Messung zu erstellen, wobei ergänzend noch vorgeschlagen wird, die für die Simulationsschaltungen verwendeten Einzelelemente, insbesondere Filter,durch geeignete Wahl der Filtergrößen in ihren Charakteristiken umzuschalten, so daß etwa bei Drehung des Kopfes einer Versuchsperson um notwendigerweise einen vorgegebenen Verdrehungswinkel von beispielsweise 10° durch entsprechende Veränderungen der Filtereigenschaften der beteiligten Filter dann mit der für diese Winkelrichtung gemessenen Übertragungsfunktion gearbeitet werden kann. Zwischenwerte sind allerdings nicht einstellbar, trotz des erheblichen Aufwands an elektrischen Schaltungen, da aus verständlichen Gründen immer nur mit einer endlichen Anzahl gemessener Übertragungsfunktionen gearbeitet werden kann.
Zu ergänzen ist noch, daß die bekannte Vorrichtung aus der US-A-3 970 787 nicht der Nachbildung von dem menschlichen Außenohr bei Freifeldbeschallung entsprechenden Übertragungseigenschaften dient, sondern eine raumakustische Wiedergabe von Hörereignissen über Kopfhörer zum Ziel hat, was bedeutet, daß die gemessenen Übertragungsfunktionen noch zusätzliche, auf die Raumakustik zurückgehende Reflexionseinflüsse enthalten. Insofern beschäftigt sich die genannte Veröffentlichung auch nicht mit den bei einer akustischen Übertragung tatsächlich auftretenden Phänomenen, Reflexionsereignissen, Hörereignissen und sonstigen Einflüssen, die sich etwa bei einem Kunstkopf ergeben, sondern stellt Ergebnisse durch einfache empirische Messung fest, so daß auch bei beliebig vielen, zugrunde gelegten Außenohrübertragungsfunktionen eine Umschaltung eines solchermaßen ausgebildeten "Richtungsmischpultes" dennoch nur für diskrete Richtungen möglich ist, mit den verbleibenden Problemen, daß

1. bislang kein Mittelungsverfahren für Außenohrübertragungsfunktionen existiert, welches mit Sicherheit zu mittleren Übertragungseigenschaften führt, die dem Nachrichtenempfänger "menschliches Gehör" tatsächlich adäquat sind;
2. daß eben nur die Einstellung einer endlichen Anzahl unterschiedlicher Schalleinfallsrichtungen möglich ist; und daß
3. der sich aus einer solchen Arbeit ergebende Aufwand proportional mit der Anzahl der einstellbaren Schalleinfallsrichtungen, die man wünscht, ansteigt.

Eine andere Möglichkeit zur elektronischen Nachbildung eines sogenannten Außenohrsimulators zur Simulation mittlerer Außenohrübertragungsfunktionen im Zeitbereich würde beispielsweise darin bestehen, daß an Versuchspersonen gemessene Stoßantworten für alle Schalleinfallsrichtungen geeignet gemittelt und abgespeichert werden, was zunächst einen, je nach gewünschter Rasterung unter Umständen extrem hohen Speicherplatzbedarf benötigt. Das Ausgangssignal wäre in einem solchen Fall die sogenannte Faltung des Eingangssignals mit den beiden für die jeweilige Schalleinfallsrichtung gültigen Stoßantworten (für das linke und das rechte Ohr). Eine derartige Signalverarbeitung in Echtzeit ist jedoch praktisch unmöglich, da zumindest die zur Zeit erhältlichen Signalprozessoren nur mit erheblichem Aufwand in der Lage sind, eine solche Verarbeitung durchzuführen. Aus dem gleichen Grund scheidet auch die Möglichkeit aus, die sogenannte Fouriertransformation des Eingangssignals vorzunehmen mit anschließen-der Multiplikation der entsprechenden Übertragungsfunktionen und Rücktransformation.
Herkömmliche Mischpultsysteme können zwar mit Hilfe der sogenannten Panoramaregler einzelne Mikrofonsignale derart auf die beiden Kanäle einer stereofonen Übertragung verteilen, daß bei Wiedergabe über zwei Lautsprecher in typischer Stereoaufstellung eine räumliche Verteilung von Hörereignissen zwischen den beiden Lautsprechern entsteht (Summenlokalisation). Dieses Verfahren hat aber die Nachteile, daß

1. die Hörereignisse nur innerhalb des von der Lautsprecheraufstellung vorgegebenen Raumwinkelbereichs liegen,
2. die Höhe des Hörereignisses häufig unterhalb der Verbindungslinie zwischen den Lautsprechern wahrgenommen wird und abhängig von der Position des Zuhörers zu den Lautsprechern ist, und daß
3. bei Kopfhörerwiedergabe in der Regel das Hörereignis im oder am Kopf des Zuhörers auftritt, da dem Gehör ungewohnte bzw. unnatürliche Ohrsignale angeboten werden.

Aufgrund dieser erheblichen Probleme und des großen Aufwandes dann, wenn die Ohrsignale für viele Schalleinfallsrichtungen reproduziert werden sollen, existiert bisher keine praktisch brauchbare Realisierungsform eines sogenannten elektronischen Kunstkopfes oder Außenohrsimulators.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, hier Neuland zu betreten und einen Außenohrsimulator als sogenannten elektronischen Kunstkopf zu schaffen, der in der Lage ist, ohne größeren Aufwand eine stufenlose Richtungseinstellung unter Berücksichtigung der menschlichen Außenohrübertragungseigenschaften, und zwar nach Betrag und Phase für alle Frequenzen zu liefern, und der dabei trotz des vereinfachten Aufbaus mit besonders hoher Genauigkeit arbeitet, also die Simulation so durchführt, daß die Übertragungseigenschaften der elektroakustischen Ersatzschaltung des Außenohrs denen des menschlichen Außenohrs bei Freifeldbeschallung praktisch identisch entsprechen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2 und hat den Vorteil, daß mit geringem Aufwand einer beliebigen Schalleinfallsrichtung im Freifeld entsprechende Ohrsignale erzeugt werden können, die etwa einer Kopfhörerwiedergabe dienen können. Hierdurch ist die Realisierung eines natürlichen Klangbildes möglich.
Vorteilhaft ist ferner, daß, obwohl, wie dem Fachmann bekannt, gerade Außenohrübertragungsfunktionen besonders komplizierte Strukturen aufweisen, die für die praktische Realisierung des erfindungsgemäßen Außenohrsimulators notwendige Schaltungsteile auf Laufzeiten, einfache Filter, Hoch- und Tiefpässe und gegebenenfalls Resonanzsysteme beschränkt sind. Dabei lassen sich die für die Einstellung der Schaltungen beim Betrieb erforderlichen Parameter wie Größe einer Laufzeit oder Grenzfrequenz eines Tiefpasses direkt mit Hilfe eines Modells zur analytischen Beschreibung der Außenohrübertragungseigenschaften aus physikalisch vorgegebenen geometrischen Abmessungen bestimmen. Es ändern sich für die verschiedenen Schalleinfallsrichtungen außer den Laufzeiten nur wenige Filterparameter des durch eine elektronische Schaltung dargestellten Modells des elektronischen Kunstkopfs. Es ist daher möglich, durch Bestimmung nur weniger Parameter die Übertragungsfunktion für eine Schalleinfallsrichtung zu simulieren, wobei es ferner möglich ist, zur Nachbildung mittlerer Außenohrübertragungsfunktionen die Werte der gemittelten geometrischen Kenngrößen fest zu programmieren, so daß man in weiterer, praxisgeeigneter Vereinfachung die entsprechenden Steuerparameter von einer elektronischen Logikschaltung, Mikrorechner oder Mikroprozessor direkt berechnet und an die steuerbaren Schaltungsblöcke jeweils übergeben werden, die Einzelelemente des elektronischen Kunstkopfes simulieren. Dadurch ist es möglich, ohne großen Speicherplatzbedarf beliebig feine Unterteilungen des Winkelbereichs sowohl in der Horizontalals auch in der Medianebene zu realisieren, so daß für effektiv jede Schalleinfallsrichtung, auch und insbesondere in der Vertikalen im Freifeld die entsprechenden Ohrsignale erzeugt werden können.
Der elektronische Kunstkopf entsprechend der Erfindung erzeugt dem Gehör vertraute Ohrsignale, so daß einerseits die Im-Kopf-Lokalisation vermieden und andererseits die Einstellung von beliebigen Hörereignisrichtungen möglich wird. Dies eröffnet völlig neue Perspektiven nicht nur für die Kunstkopftechnik, sondern auch für die Mehrspuraufnahmetechnik. In der Kunstkopftechnik ist es mit dem elektronischen Kunstkopf möglich, Signale von Stützmikrofonen räumlich korrekt der kopfbezogenen Aufnahme zuzumischen. In der Mehrspuraufnahmetechnik können durch Einsatz des elektronischen Kunstkopfes die Signale von Einzelschallquellen so umcodiert werden, daß bei kopfbezogener Wiedergabe der gesamte, dem menschlichen Gehör zur Verfügung stehende Bereich zur Erzeugung von Hörereignissen ausgenutzt werden kann. Dabei kann die Hörereignisrichtung auch während einer Aufnahme verändert werden, so daß Bewegungen einer Schallquelle simuliert werden können. Die Lautsprecherkompatibilität des elektronischen Kunstkopfes ist vergleichbar mit Kunstkopf-Aufnahmesystemen, da beide Systeme zueinander äquivalente Freifeldübertragungseigenschaften aufweisen bzw. approximieren.
Weitere Verbesserungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt. Hierbei ist besonders vorteilhaft, daß es möglich ist, die fest gespeicherten geometrischen Kenngrößen auch abzuändern, wodurch sich dann andere Außenohrübertragungsfunktionen nachbilden lassen. Über eine Schnittstelle kann der erfindungsgemäße Außenohrsimulator ferner an einen externen Rechner angekoppelt werden, so daß die individuellen Übertragungsfunktionen von Versuchspersonen oder aber auch die Auswirkung von Hörgeräten (HDO-Geräte, Im-Ohr-Geräte), Anomalie der Ohrmuschel oder Änderung der Trommelfellimpedanz elektrisch nachgebildet werden können.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein stark schematisiertes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Außenohrsimulators, aus dem auch die Unterteilung in richtungsabhängige Schaltungselemente und richtungsunabhängige Schaltungselemente hervorgeht,
die Fig. 2a und 2b: den Verlauf einer entsprechend vorliegender Erfindung simulierten Freifeld-Außenohrübertragungsfunktion (I) im Vergleich zu einer gemessenen (II) über der Frequenz und die Kurvenverläufe (1), (2), ( 3 ) die Simulation einzelner akustisch wirksamer Parameter, nämlich des Ohrkanals (Kurve 1), der Schulter- und des Ohrmuschelrandes (Kurve 2) und des cavum conchae (Kurve 3);
Fig.3: ein detaillierteres Ausführungsbeispiel, noch immer in vereinfachter Form und lediglich der richtungsabhängigen Elemente für einen Kanal (einkanaliges Blockschaltbild des Außenohrsimulators - richtungsbestimmender Teil),
Fig.4: das Prinzipschaltbild einer praxisgerechten Ausführungsform unter Steuerung der Parameter der jeweiligen Schaltungselemente durch ein Mikroprozessorsystem und unter Beachtung gespeicherter gemittelter geometrischer Kenngrößen,
Fig.5: in größerem Detail eine mögliche Ausführungsform eines spannungsgesteuerten Tiefpaß-/Hochpaß-Filters, wie er zur Realisierung des erfindungsgemäßen elektronischen Kunstkopfs Verwendung finden kann,
Fig.6: das Blockschaltbild einer Interface-Schaltung zur Erzeugung von Steuerspannungen für die einzelnen Schaltungsblöcke zur Veränderung von deren Parameter, unter der Führung eines Mikroprozessors und
die Fig. 7 und 8: jeweils für zwei verschiedene Schalleinfallswinkel in Form von Diagrammen den Verlauf von Freifeld-Außenohrübertragungsfunktionen (hier des linken Ohres) einer individuellen Versuchsperson im Freifeld (Horizontalebene), wobei der dick durchgezogene Kurvenverlauf die Rechnung anhand des durch die Erfindung realisierten Modells und die gestrichelten Funktionen die Standardabweichung einer vorgegebenen Anzahl von Messungen an derselben Versuchsperson darstellen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, die physikalischen Ursachen der Außenohrübertragungseigenschaften durch Unterscheidung und Rückführung auf vorgegebene, anschließend vereinfachte akustische Elemente aufzuteilen, also beispielsweise Oberkörper, Schulter, Kopf, Ohrmuschel mit cavum conchae-Höhlung, Ohrkanal und Trommelfell; alle diese Körper üben entsprechend ihren geometrischen Abmessungen in Abhängigkeit der Frequenz unterschiedliche Einflüsse auf die Außenohrübertragungseigenschaften aus, wobei sich dann die resultierende Übertragungsfunktion des Außenohrs aus den komplexen Überlagerungen der von allen Teilkörpern verursachten Resonanzen, Reflektionen und Beugungswellen zusammensetzt.
Richtungsabhängige Merkmale werden im wesentlichen von den Elementen, Oberkörper, Schulter und Ohrmuschelrand bestimmt. Die prinzipielle Berechnung solcher Abhängigkeiten ist zwar möglich (und zwar mit dem KIRCHHOFF'schen Beugungsintegrals, abgeleitet aus dem GREEN'schen Satz), jedoch ungeeignet für eine anschauliche Darstellung, die aber zur Beschreibung der mittleren Außenohrübertragungsfunktion und deren Simulation in einem Modell, wie durch die Erfindung angestrebt, benötigt wird.
Es ist daher von Bedeutung, daß die Erfindung sich aus der Berechnung komplizierter und aufwendiger Beugungsintregrale löst und Beugung und Reflektionan einem Körper mit Mitteln der Systemtheorie beschreibt, was erst die technische Realisierung eines elektronischen Außenohrsimulators ermöglicht, dann allerdings mit vergleichsweise einfachen Mitteln.
Die Erfindung geht daher an die Lösung des Problems nicht empirisch heran, sondern beginnt mit der Betrachtung und Zugrundelegung der mathematisch effektiv bestimmten, komplexen Beugungs- und Reflexionsverhältnisse und der sich hierdurch ergebenden Übertragungsfunktionen, die durch analytische Betrachtung in ein (vereinfachtes) Modell überführt werden, welches durch elektrische Schaltungen darstellbar ist, wobei beispielsweise Ohrmuschel oder Kopf dann durch die zunächst mathematische Betrachtung der Überlagerung mehrerer Beugungskörper in Form bestimmter Schaltungen dargestellt werden, wobei für die Gesamt-Außenohrübertragungsfunktion eine komplexe Addition der jeweiligen reflektierten und gebeugten, durch die elektrischen Schaltungsblöcke simulierten Schallanteile der entsprechenden Körperteile oder -bereiche vorgenommen werden. Eine lagenunterschiedliche Ebene wird durch eine zusätzliche Laufzeit berücksichtigt (Superpositionsprinzip).
Ohne daß die Beschreibung durch komplizierte mathematische Zusammenhänge überlastet werden soll, was zum Verständnis der Erfindung auch nicht erforderlich ist, wird an einem nachfolgenden Beispiel gezeigt, was hierunter zu verstehen ist. Um beispielsweise die Übertragungsfunktion des cavum conchae anzugeben - diese umfaßt Grundresonanzen und ist, ebenso wie der Einfluß des Ohrkanals und der Trommelfellimpedanz in diesem Fall richtungsunabhängig - kann das cavum conchae als ein System, bestehend aus mehreren ineinander geschachtelten Öffnungen aufgefaßt werden mit der folgenden Übertragungsfunktion:
Diese Funktion umfaßt mit K₁ sogenannte Rayleigh-Struve-Funktionen und mit J₁ sogenannte Bessel'sche Funktionen, wobei mit l_n noch der Länge entsprechende Angaben und mit r_n der Radius entsprechende Angaben von n-Öffnungen zu verstehen sind, mit k = Wellenzahl (Ω/c).
Eine solche Übertragungsfunktion erfährt mit guter Näherung eine Approximierung durch eine Laufzeit in Verbindung mit einem Resonanzsystem, wie folgt:

wobei V_n der Verstärkung, Q_n der Güte und f_on der Resonanzfrequenz der Öffnung n entspricht und die Parameter des Resonanzsystems - Resonanzfrequenz, Güte, Verstärkung - in einem funktionalen Zusammenhang zu den geometrischen Abmessungen - Radius und Tiefe - der Ohrmuschelöffnungen stehen.
Die Erfindung basiert daher auf der Erkenntnis, daß die äußere, akustisch wirksame Geometrie eines Menschen in einem mathematisch zumindest in guter Näherung beschreibbaren Zusammenhang zur gemessenen Außenohrübertragungsfunktion steht. Ausgehend von mittleren geometrischen Abmessungen kann daher auf diese Weise für jede Schalleinfallsrichtung ohne zusätzlichen Aufwand eine mittlere Außenohrübertragungsfunktion bestimmt werden, die in geeigneter Weise die für das menschliche Gehör erforderlichen Übertragungseigenschaften, da alle für die Signalanalyse- und und Mustererkennungsprozesse im Gehör erforderlichen Merkmale aufgrund des physikalischen Zusammenhangs von Außenohr und dessen Übertragungseigenschaften berücksichtigt werden, repräsentiert. Die Realisierung wird dann durch die Annahme möglich, daß diese mathematisch beschreibbaren physikalischen Ursachen der Außenohrübertragungseigenschaften mit einen Modell, das auf aus der Nachrichtentechnik bekannten Systemen (Hoch- und Tiefpässe, Laufzeitglieder, Resonanzelemente und dgl.) basiert, approximiert werden können. Dieses Modell erlaubt, die Außenohrübertragungsfunktion für alle Schalleinfallsrichtungen direkt anhand physikalischer Kenngrößen durch Variation weniger Parameter zu approximieren.
Das System Außenohr mit seinen richtungsabhängigen Übertragungseigenschaften beschreibt im nachrichtentechnischen Sinne die frequenzabhängigen Verzerrungen, die die Schallsignale in Abhängigkeit der Schalleinfallsrichtung bei der Umcodierung in Ohrsignale für den Nachrichtenempfänger "menschliches Gehör" erfahren.
Im folgenden soll anhand eines Beispiels, nämlich des Kopfes, der angenähert durch einen Ellipsoid beschrieben werden kann, dargetan werden, wie Beugung und Reflexion mit Hilfe eines Modells approximiert werden können.
Es wird hier zunächst verwiesen auf das in Fig. 3 gezeigte Blockschaltbild des richtungsbestimmenden Teils eines Außenohrsimulators 10 - nur ein Kanal -, wobei unterteilt durch strichpunktierte Linien die Approximation durch Schaltungsblöcke für den Bereich Kopf bei 10a, für den Bereich Ohrmuschel bei 10b und für den Bereich Schulter und Oberkörper bei 10c dargestellt ist.

Basierend auf der Annahme, daß sich Beugung und Reflexion an einer kreisrunden Scheibe beispielsweise sehr gut mit einem einfachen Modell approximieren lassen, welches aus zwei Laufzeitgliedern und einem Tiefpaß besteht, (wenn man zunächst von einfachen geometrischen Grundfiguren ausgeht) wird bei der Approximation des Kopfmodells davon ausgegangen, daß der Schalldruckverlauf in einem Punkt auf einen Ellipsoid als Kopfnäherung in Abhängigkeit der Schalleinfallsrichtung durch die bei 10a angegebenen Schaltungsblöcke eines Teilmodells approximiert werden kann, wobei die Parameter dieses Modells in einem funktionalen Zusammenhang zu den geometrischen Abmessungen des betrachteten Körpers stehen; sie berücksichtigen auch Spezialfälle wie Kugelkopf, Ellipse und kreisförmige Scheiben. Dabei ist bei sämtlichen beispielsweise in Fig. 3 gezeigten Schaltungsblöcken unter K ein Koeffizientenglied, mit T und beliebigen Index ein Laufzeitglied, mit TP ein Tiefpaß und mit HP ein Hochpaß besteht. Der physikalische Bezug des bei 10a für den Kopf repräsentativen Modells ist folgendermaßen. Zur direkt einfallenden Schallwelle wird, abhängig vom Schalleinfallswinkel, das vom Ellipsoid (Kopf) reflektierte Schallfeld zuaddiert, durch die Blöcke K₁ und HP₁. Das von der Umrandung ausgehende Beugungsfeld wird in zwei Anteile aufgeteilt. Der Zweig mit den Elementen K₃, HP₃ und T₂ repräsentiert den dem Schallquellenort zugewandten Anteil der Beugungswelle, der Zweig mit den Elementen K₂, HP₂, T₁ und TP den den Schallquellenort abgewandten Teil. Die Grenzfrequenzen der Hoch- und Tiefpässe, die Beträge der Laufzeit und die Koeffizienten bestimmen sich direkt aus den Parametern Kopfgröße, Schalleinfallsrichtung und Position des Ohrkanaleingangs. Wie für den Kopf läßt sich auch der Einfluß der Beugungskörper Schulter (mit den Elementen K_S, HP_S, P_S und TP_S), Oberkörper (K_O, HP_O, T_O und TP_O) und

Tabelle

Geometrische Daten Von 6 männlichen Versuchspersonen (m = Mittelwert, σ ≙ Standardabweichung)
Nr.	Parameter		m	σ
1*	Schulterbreite	〈mm〉	496	28
2*	Schultertiefe	〈mm〉	269	29
3*	Schulterschräge	〈^o〉	23.3	2.9
4*	BP über Schulter	〈mm〉	160	11
5*	BP von oben	〈mm〉	156	11
6*	BP von unten	〈mm〉	105	5
7*	BP von vorne	〈mm〉	116	6
8*	BP von hinten	〈mm〉	102	5
9*	BP Winkel	〈^o〉	11.9	4.6
10*	Kopfbreite	〈mm〉	177	15
11*	Kopfhöhe	〈mm〉	261	10
12*	Kopftiefe	〈mm〉	218	6
13*	Kopfradius oben	〈mm〉	86	9
14*	Mitte über BP	〈mm〉	70	11
15*	Kopfradius unten	〈mm〉	66	13
16*	Mitte unter BP	〈mm〉	25	7
17*	Kopfradius seitlich	〈mm〉	109	7
18*	Mitte über BP	〈mm〉	41	13
19*	Mitte neben BP	〈mm〉	14	10
20*	Halsbreite	〈mm〉	104	8
21*	Halstiefe	〈mm〉	117	10
22*	Halswinkel	〈^o〉	35.9	3.1
23*	Kinn vor BP	〈mm〉	94	5
24*	Ohrmuschel Höhe	〈mm〉	70	6
25*	Ohrmuschel Breite	〈mm〉	35	3
26*	Ohrmuschel Neigung	〈^o〉	12.4	5.3
27*	Mitte über BP	〈mm〉	13	2
28*	Mitte neben BP	〈mm〉	5	1
29*	Cavum conchae Höhe	〈mm〉	30	2
30*	Cavum conchae Breite	〈mm〉	21	1
31*	Cavum conchae Tiefe	〈mm〉	19	2
32*	Mitte über BP	〈mm〉	4	1
33*	Mitte neben BP	〈mm〉	8	1
34*	Kopfradius oben	〈mm〉	81	11

Ohrmuschel (mit den Elementen K_a, T_a und TP_a sowie K_z, T_z) mit dem in Fig. 3 insoweit dann für die richtung sabhängigenElemente gezeigten Modell hinreichend genau beschreiben.
Die auf der vorhergehendenSeite angegebene Tabelle betrifft durch Messung ermittelte geometrische Daten von sechs Versuchspersonen, diese Daten können als geometrische Mittelwerte bei Bezugnahme der Parameter der einzelnen Approximations-Elemente wie in Fig. 3 gezeigt, und der Berechnung der Schaltungselemente zugrunde gelegt werden. Dabei können zur Nachbildung mittlerer Außenohrübertragungsfunktionen die Wette der gemittelten geometrischen Kenngrößen, wie weiter unten noch erläutert wird, fest programmiert werden.
Lediglich als Beispiel und nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen sind im folgenden noch mathematische Zusammenhänge aufgeführt, die erkennen lassen, wie die im Modell hier der Fig. 3 verwendeten Parameter (Koeffizient, Laufzeit, Hochpaß, Tiefpaß) in einem insoweit jetzt vereinfachten, mathematischen Zusammenhang zu den geometrischen Abmessungen (Parameter*) der Tabelle auf Seite 12 stehen.
Ohrmuschel:

$T_{a} {(r}_{a} {,r}_{b} {,ϑ) = T}_{o} {·(2 - K}_{e} {), T}_{o} {= r}_{a} /c$

$T_{z} {(r}_{a} {,r}_{b} {,ϑ) = T}_{o} K_{e}$

$K_{z} {(r}_{a} {,r}_{b},ϑ) = 0.5 K (1 + |sin(ϑ)|)$

$K_{a} {(r}_{a} {,r}_{b} {,ϑ) = 1 - K}_{z} {(r}_{a} {,r}_{b},ϑ)$

mit

ϑ:: Schalleinfallswinkel
r_a:: Hälfte des Parameters Nr. 24*
r_b:: Hälfte des Parameters Nr. 25*

{K₂ = 0.5}^{.} K·[(1 - sin(ϑ)).(r' - R)/r' + + 0.5·(1 - cos(ϑ))·R/(R + r')]

K₃ = 0.5 K'·[(1 + sin(ϑ))·(r' - R)/r'+ + 0.5·(1 - cos(ϑ))·R/(R + r')]

{ϑ'' = arccos(r'/r}_{a} cos(ϑ))

c: Schallgeschwindigkeit in Luft
f_g: Grenzfrequenz des jeweiligen Hoch- bzw. Tiefpasses.

Zur vollständigen Beschreibung der strukturbestimmenden Merkmale muß noch der Einfluß der richtungsunabhängigen Elemente Ohrkanal und carvum conchae Höhlung bestimmt werden. Die Resonanzeigenschaft dieser Höhlung läßt sich sehr gut durch Bandpaßsysteme in Form von Serienschwingkreisen approximieren. Die Parameter (Resonanzfrequenz, Güte und Verstärkung) stehen ebenfalls in einem funktionalen Zusammenhang zu den geometrischen Abmessungen der Höhlung. Der Ohrkanal kann als Rohr mit einer komplexen Abschußimpedenz, der Trommelfellimpedanz, aufgefaßt werden. In guter Näherung wird dieses System durch ein Modell, bestehend aus Laufzeit, Hochpaß und Koeffizient beschrieben.
Man gelangt dann mit diesen Überlegungen zu dem in der Fig. 1 dargestellten, stark vereinfachten Blockschaltbild eines Außenohrmodells, wobei nur der linke Kanal angegeben ist; die einzelnen Blöcke dieses Modells stehen, entsprechend der weiter vorn schon erläuterten Verfeinerung nach Fig. 3, für die entsprechenden akustischen Elemente, die in Fig. 1 auch angegeben sind und die grundsätzlich bei allen Menschen zu finden sind,und die damit die überindividuellen Strukturen der Außenohrübertragungsfunktionen festlegen. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das in Fig. 1 gezeigte Modell, wie weiter vorn schon kurz erwähnt, in einen richtungsabhängigen Teil 12, der zur Simulation der Richtcharakteristik des Außenohrs dient, und in einen richtungsunabhängigen Teil 13 zu unterteilen, der die Freifeld-Außenohrübertragungsfunktion simuliert. Über die Ausgänge zur Freifeldsimulation können bei Wiedergabe über einen freifeldentzerrten Kopfhörer Ohrsignale erzeugt werden, die den Ohrsignalen einer "mittleren" Versuchsperson für die eingestellten Schalleinfallsrichtungen entsprechen. Der zweite Ausgang, in Fig. 1 mit 14b bezeichnet,-14a ist der freifeldentzerrte Ausgang - dient zur Nachbildung der Freifeld-Außenohrübertragungsfunktionen. Das vollständige, schematisch vereinfachte Modell der Fig. 1 ist in den notwendigen Schaltungsteilen auf Laufzeiten, einfache Filter, Allpässe und Addierer beschränkt - obwohl die Außenohrübertragungsfunktionen, wie weiter vorn erläutert, zum Teil extrem komplizierte Strukturen aufweisen -, wobei die Parameter der Schaltungsteile und -blöcke,wie Größe einer Laufzeit oder Grenzfrequenz eines Tiefpasses oder dgl. sich direkt mit Hilfe eines Modells zur analytischen Beschreibung der Außenohrübertragungseigenschaften aus physikalisch vorgegebenen geometrischen Abmessungen, nämlich aus der weiter vorn angegebenen Tabelle bestimmen lassen, mit der weiteren, ganz wesentlichen Folgerung, daß durch Variation oder Änderung solcher oder jedenfalls vorgegebener Parameter der Schaltungsblöcke hier, und wie sofort zu verstehen ist, vollständig kontinuierlich die Möglichkeit eröffnet wird, für jede Schalleinfallsrichtung in Horizontal- und Medianebene die entsprechenden Ohrsignale zu erzeugen, so daß mit einem solchen elektronischen Kunstkopf ein System zur Verfügung steht, das für beliebige Schalleinfallsrichtungen einer Freifeldbeschallung entsprechende Ohrsignale bei Kopfhörerwiedergabe erzeugt und die Realisierung eines besonders natürlichen, eindrucksvollen Klangbilds ermöglicht. Dabei ist auch bei Lautsprecherwiedergabe analog zur Kunstkopftechnik eine Verbesserung der Transparenz gewährleistet. Es ergeben sich daher nicht nur spezielle Anwendungsbereiche in der Psychoakustik, auf die noch eingegangen wird, sondern es eröffnen sich hierdurch speziell in der Tonstudiotechnik neue Möglichkeiten zur künstlerischen Gestaltung einer Aufnahme.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Modell, welches lediglich für einen Kanal durch Schaltungsblöcke zusammengefaßte Koeffizienten-, Tiefpaß-, Hochpaß-, Allpaß-, Bandpaß-, Addier-, Resonanzglieder und ähnliches umfaßt, ändern sich außer den Laufzeiten für die verschiedenen Schalleinfallsrichtungen nur wenige Filterparameter. Es ist daher auch möglich, durch die Bestimmung dieser nur wenigen Parameter die Übertragungsfunktion für eine Schalleinfallsrichtung zu simulieren. Die einzelnen Schaltungsblöcke sind in Fig. 1 für den Kopfbereich mit 10a', für Ohrmuschel und -umrandung mit 10b' und für Schulter und Oberkörper mit 10c' bezeichnet; ein die additive Überlagerung der jeweiligen komplexen Teilübertragungsfunktionen bewirkendes Additionsglied trägt das Bezugszeichen 15. Der Schaltungsblock des richtungsunabhängigen Teils umfaßt die Bereiche Ohrkanal und cavum conchae und ist mit 16 bezeichnet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung bei vorliegender Erfindung besteht darin, daß alle im Außenohrmodell auftretenden Laufzeiten in einen den Schaltungsblöcken 10a', 10b' und 10c' vorgeschalteten Grundlaufzeit-Schaltungsblock 17 zusammengefaßt sind, der die erforderlichen Signalverzögerungen und Laufzeiten repräsentiert und realisiert.
Da in diesem Zusammenhang die technische Realisation der Laufzeiten unter Verwendung analoger Verzögerungsleitungen beispielsweise deshalb zu Problemen führen kann, weil neben einem unzureichenden Nutz-/Störleistungsverhältnis Mischprodukte der Frequenzen im hörbaren Frequenzbereich auftreten könnten, zieht die vorliegende Erfindung für einen qualitativ hochwertigen Aufbau eine digitale Realisation der Laufzeiten in Betracht, die im Grundsatz so erfolgt, daß alle den jeweiligen Teilmodellen oder Schaltungselementen-Ketten zugeordneten Laufzeitglieder so wie in Fig. 1 dargestellt angeordnet werden, also vor die einzelnen anderen Schaltungen gezogen werden, wodurch es möglich ist, mit nur einer Analog/Digital-Umsetzung auszukommen. Im einzelnen wird für den Grundlaufzeit-Block 17 ein 16-bit A-D/Umsetzer verwendet, der mit einer Abtastrate von hier beispielsweise 44KHz, was hinreichend hoch ist, arbeitet. Die quantisierten Abtastwerte werden nach der Umsetzung in ein Schieberegister eingelesen. Die Verzögerungszeit bestimmt sich dann durch die von einem nachfolgend noch zu erläuterndem,eine zentrale Steuerung der einzelnen Elemente bewirkendem Mikroprozessor gesteuerte Zeitdifferenz zwischen Einschreiben und Auslesen verschiedener Speicherstellen. Aufgrund der kurzen Speicherzugriffszeiten ist es während einer Abtastperiode möglich, alle Speicherstellen, die zur Laufzeitsimulation benötigt werden (pro Kanal 8 Laufzeiten - es sind linker und rechter Kanal vorhanden) auszulesen. Mit einem schnellen D-A/Umsetzer können die so verzögerten Abtastwerte im Zeitmultiplexbetrieb wieder ausgegeben werden. Unter Zugrundelegung dieser Konzeption sind dann nur ein oder zwei D-A/Umsetzer (für jeden Kanal ein Umsetzer) notwendig. Die zur Simulation notwendigen Filter und Koeffizienten werden dann vorzugsweise mit Hilfe von steuerbaren Operationsverstärkern realisiert, was weiter unten noch erläutert wird. Eine digitale Filterrealisierung - beispielsweise mit schnellen Signalprozessoren - liegt ebenfalls innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens, es empfiehlt sich jedoch, jedenfalls derzeit insbesondere aus Kosten- und Aufwandsgründen hiervon noch Abstand zu nehmen.
Es ist weiter vorn schon erwähnt worden, daß, wie die Darstellung der Fig. 1 zeigt, der die Erfindung bildende elektronische Kunstkopf (Außenohrsimulator) vorzugsweise unter einer zentralen Steuerung steht, was die praktische Handhabung entscheidend vereinfacht; zu diesem Zweck ist ein Mikroprozessor 18 vorgesehen, in welchem beispielsweise auch die Werte der gemittelten geometrischen Kenngrößen fest programmiert sein können, die zur Nachbildung mittlerer Außenohrübertragungsfunktionen erforderlich sind. In entsprechender Weise können dann vom Prozessor 18 die entsprechenden Steuerparameter berechnet und direkt an die steuerbaren Schaltungsblöcke übergeben werden. Mit dieser Methode lassen sich ohne großen Speicherplatzbedarf beliebig feine Unterteilungen des Winkelbereichs in der Horizontal- und Medianebene realisieren, so daß für jede Schalleinfallsrichtung im Freifeld die entsprechenden Ohrsignale erzeugt werden können. Es ist dann zusätzlich möglich, die fest gespeicherten geometrischen Kenngrößen abzuändern, wodurch sich auch andere Außenohrübertragungsfunktionen nachbilden lassen. Ferner ist es möglich, über eine Schnittstelle den erfindungsgemäßen Außenohrsimulator an einen externen Rechner zu koppeln; diese Möglichkeit ist in der detaillierteren Darstellung der Fig. 4 mit 19 bezeichnet, wo, dem Mikroprozessor 18' zugeordnet, das Tastenfeld eines externen Rechners, beispielsweise Personalcomputers, dargestellt ist.
Die geradezu verblüffende Simulationsfähigkeit des erfindungsgemäßen Außenohrsimulators läßt sich den beiden Diagrammdarstellungen der Fig. 2a und 2b entnehmen, wobei die Fig. 2a eine entsprechend der Erfindung simulierte Freifeld-Außenohrübertragungsfunktion (I) - hier ohne Oberkörper-Simulation - zeigt, im Vergleich zu einer effektiv gemessenen, also empirisch ermittelten Übertragungsfunktion, wie bei (II) gezeigt. Ergänzend hierzu zeigt die Fig. 2b die Simulation einzelner, beispielsweise als Freifeld-Teilaußenohrübertragungsfunktionen zu bezeichnender akustisch wirksamer Parameter, nämlich für den Bereich Ohrkanal bei (1), den Bereich Schulter und Ohrmuschelrand bei (2) und das cavum conchae bei (3); aus diesen beiden Teilverläufen setzt sich dann die Außenohrübertragungsfunktion (I) der Abbildung 2a zusammen.
Wie weiter vorn schon erwähnt, stellen die einzelnen Schaltungselemente der Fig. 3 die Kopf-, Ohrmuschelumrandung- und Schulter/Oberkörper-Bereiche der Schaltungsblöcke der Fig. 1 detaillierter dar, sie schließen sich an den mit digitalen Elementen realisierten Grundlaufzeit-Block 17 an und enthalten jeweils einzelne, noch nicht erwähnte Additionsglieder 15a, 15b, 15c, 15d mit dem Endaddierglied 15' mit dem zu den richtungsunabhängigen Elementen weiterführenden Ausgangsanschluß 20. Die Schaltungselemente der Fig. 3 stellen den analogen Teil des mikroprozessorgesteuerten Außenohrsimulators dar, zur Realisation der Koeffizienten, der Hoch- und Tiefpässe und der deren Ausgangssignale zusammenfassenden Addierglieder.
Das detaillierte Ausführungsbeispiel der Fig. 4 stellt das Prinzipschaltbild einer möglichen Realisierungsform eines Außenohrsimulators nach vorliegender Erfindung dar, mit einem Bedienungs- und Eingabeelemente sowie Anzeigeelemente enthaltendem Block 21, zugeordnet dem Mikroprozessorsystem 18', dem ferner eine zentrale Zeitablaufsteuerung 22 zugeordnet oder in ihm enthalten ist. Der Mikroprozessor beeinflußt über die Vielfach-Verbindungsleitungen 23a, 23b die Parameter von hier beispielsweise vorhandenen acht analogen Schaltungskanälen 24, die mit ihren Ausgängen auf das Summationsglied 15'' arbeiten. Je nach Art und Aufbau des Modells enthalten die analogen Schaltungskanäle 24 Tief- und Hochpaßfilter 24a, 24b erster bzw.dritter Ordnung, Bandpässe 24c und sogenannte Koeffizientenglieder 24d mit einer Verstärkung von - 1... + 1. Die Laufzeitglieder für die jeweiligen Kanäle werden als digitale Verzögerungsleitungen realisiert und zu diesem Zweck so angeordnet, daß nur eine A-D/Umsetzung an einem einen Eingangs-Tiefpaßfilter 25 nachgeschaltetem Digitalisierungsblock 26 erforderlich ist. Nach der Umsetzung werden die quantisierten Abtastwerte in einen frei adressierbaren Speicher 27 (Verzögerungsspeicher RAM) eingelesen. Die sich zwischen Einlesen und Auslesen der Abtastwerte an verschiedenen Speicherstellen ergebenden Verzögerungszeiten bestimmen die Zeitdifferenz, wobei die Länge des Registers sich durch die maximal notwendige Verzögerungszeit bestimmt. Da ein Speicherzugriff im Vergleich zu der schon erwähnten Abtastrate von vorzugsweise 44KHz sehr kurz ist, können während einer Abtastperiode alle für die Simulation der verschiedenen Laufzeiten notwendigen Abtastwerte hintereinander ausgelesen werden. Es ist daher mit Hilfe eines entsprechend schnellen D-A/Umsetzers 26 möglich, die so erhaltenen Abtastwerte für die unterschiedlichen Laufzeiten im Zeitmultiplexbetrieb wieder umzusetzen, wozu nach einem Signalrückgewinnungsblock 28 schematisch ein von der zentralen Zeitablaufsteuerung gesteuerter Zeitmultiplex-Umschalter 29 angedeutet ist, dessen Ausgänge mit den Eingängen der verschiedenen Kanäle 24 verbunden sind. Durch die Kombination von analogen und digitalen Schaltungsteilen ist einerseits eine problemlose Realisierbarkeit und andererseits ein äußerst vielseitiges, qualitativ hochwertiges Simulationssystem für die Darstellung von Außenohrübertragungsfunktionen erzielt. In Fig. 4 ist der beispielsweise rechte Kanalbereich noch mit 30a, ein zugehöriger linker Kanalbereich mit 30b bezeichnet; den Addiergliedern 15' ist noch ein Tiefpaß 31a, 31b jeweils nachgeschaltet, wobei sich am Ausgang 32a des Tiefpasses 31a das rechte Ohrsignal und am Ausgang 32b des Tiefpasses 31b das linke Ohrsignal abnehmen läßt.
Eine mögliche Realisierungsform eines beliebig als Tiefpaßfilter oder Hochpaßfilter 1. Ordnung auslegbaren Schaltungselements ist in Fig. 5 dargestellt; das Filter ist mit Hilfe eines als steuerbarer Widerstand geschalteten sogenannten "Operational Transconductance Amplifier - OTA" 33 aufgebaut, bei dem die Vorwärtssteilheit (Transconductance) der Kehrwert der Verstärkung ist und mit Hilfe eines extern eingespeisten Gleichstroms I_St einstellbar ist. Dabei ergibt sich je nach Einspeisungspunkt dieses Gleichstrom-Eingangssignals für die Gesamtanordnung die Übertragungsfunktion entweder eines Tiefpasses oder auch eines Hochpasses. Dem OTA 33 ist ein normaler Operationsverstärker 34 noch nachgeschaltet; der Steuerstrom ergibt sich durch den unteren Schaltungsteil, wobei die Steuerspannung U_St einem Operationsverstärker 35 zugeführt und über einen FET-Transistor 36 am Ausgang zum OTA 33 gelangt; wesentlich sind lediglich noch ein am Rückführungszweig liegender Kondensator C und die in der Eingangsbeschaltung zum invertierenden Anschluß liegenden Widerstände R3 und R4, an eine Rückführleitung 37 angeschlossen. Eine zum Steuerstrom I_St proportionale Grenzfrequenz ergibt sich dann bei einer solchen Schaltung beispielsweise aus folgender Formel

Insgesamt ergibt sich durch eine solche Schaltung der Fig. 5 ein spannungsgesteuertes Tiefpaß/Hochpaß-Filterelement.
Bei der Schaltung der Fig. 6 handelt es sich um ein Blockschaltbild einer Interface-Schaltung zur Erzeugung der Steuerspannungen U_St, die sich am Ausgang 38 der Schaltung abnehmen lassen und für die Parametereinstellung der Filter und Koeffizientenglieder benötigt werden. Der Mikroprozessor 18' (Fig. 4) schreibt das Parameter-Datenwort über eine Daten-Bus-Leitung 39 in ein Datenregister 40. An dessen Ausgängen wird das Datenwort von einem Digital-/Analog-Umsetzer 41 mit nachgeschaltetem Stromspannungswandler 42 in eine Spannung von beispielsweise 0 ... -10 V umgesetzt. Über ein von der gleichen Daten-Bus-Leitung 39 angesteuertes Adressregister 43 wird ein Kanal eines dem Strom/Spannungswandler 42 nachgeschalteten Analog-Multiplexers 44 adressiert und somit die erzeugte Spannung zu einer entsprechenden Ausgangs-Speicherschaltung (Sample + Hold) durchgeschaltet, wobei für jedes jeweils zu steuernde Filterelement eine solche S + H-Schaltung 45 vorgesehen ist. Die Sample + Hold-Schaltung 45 besteht lediglich aus einem Speicherkondensator C und einem sehr hochohmigen Spannungsfolger 46 als Operationsverstärker. Ist der Kondensator C aufgeladen, so wird der Kanal mit einem Inhibit-Signal, das vom Adressregister 43 ausgegeben wird, wieder abgeschaltet. Der gesamte Vorgang läuft in der gleichen Weise zyklisch bei allen anderen Kanälen ab. Auf diese Weise werden die Spannungen an der Halte-Kondensatoren C jeweils wieder aufgefrischt. Eine noch vorhandene Dekodierlogik 47 erzeugt mit Hilfe von Adress-Bus-Eingangsleitungen 48 und Steuer-Bus-Eingangsleitungen 49 vom Mikroprozessorsystem 18' die Ladeimpulse für die beiden Register 43 und 40.
Die Fig. 7 und 8 zeigen schließlich in Form von Diagrammen für zwei verschiedene Richtungen (0^o bzw. 270^o) die Freifeld-Außenohrübertragungsfunktionen des linken Ohrs einer individuellen Versuchsperson im Freifeld (Horizontalebene), wobei die durchgezogene Linie durch Rechnung entsprechend dem Gegenstand vorliegender Erfindung (Modell) und die beiden, diese durchgezogene Linie gestrichelt oben und unten umgebenden Kurvenverläufe die Standardabweichung bei sechs Messungen an derselben Versuchsperson darstellen; man erkennt, wie hochgenau durch die vorliegende Erfindung das gesteckte Ziel eines elektronischen Kunstkopfes realisiert werden konnte.
Besonders geeignete Anwendungsbereiche für den erfindungsgemäßen elektronischen Kunstkopf, der anstelle des natürlichen Außenohrs die Transformation von Schallsignalen und Ohrsignalen durchführt,liegen, unter anderem auf den folgenden drei Gebieten:

1. in der psychoakustischen Forschung zur leichten Realisation von speziellen Außenohrübertragungseigenschaften, z.B. zur Simulation einer Hörgeräteversorgung. Da die Möglichkeit besteht, einzelne Parameter in kürzester Zeit einfach zu ändern, kann beispielsweise der Einfluß von Hörgeräten oder die Auswirkungen von ein- und beidohriger Hörgeräteversorgung einfach simuliert werden;
2. im medizinisch-diagnostischen Bereich zur Überprüfung des Richtungshörvermögens oder der Sprachverständlichkeit in störschallerfüllter Umgebung. So sind Hörtests, insbesondere Richtungshörtests mit dem erfindungsgemäßen Gerät unter Freifeldbedingungen möglich ohne die Notwendigkeit, einen reflexionsarmen Raum vorzusehen, und ohne großen apparativen Aufwand;
3. im tontechnischen Bereich zur synthetischen Erzeugung einer kopfbezogenen Aufnahme, wobei es möglich ist, Signale für beliebige Schalleinfallsrichtungen etwa Kunstkopfaufnahmen oder dgl. zuzumischen.

Claims

Elektroakustisches Simulationsverfahren zur Nachbildung von dem menschlichen Außenohr bei Freifeldbeschallung entsprechenden Übertragungseigenschaften, wobei, z. B. durch Reihen- und Parallelschaltung von Hochpässe (24b), Tiefpässe (24a), Allpässe, Basspässe, Resonanzsysteme (24c), Addierer (15''), Laufzeiten (24d), elektrische Schaltungen realisiert werden, welche unter Zugrundelegung eines mindestens die Elemente Kopf und Ohrmuschel umfassenden Modells jedes Element durch Approximation jeweils komplexe Außenohr-Übertragungsteilfunktionen nach Betrag und Phase nachbilden und wobei Parameter der elektrischen Schaltungen von einem Rechner (18') an diese zu deren Steuerung übergeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß
die Parameter aus physikalisch vorgegebenen, geometrischen Abmessungen des menschlichen Außenohrs für beliebige Schalleinfallsrichtungen von dem Rechner errechnet werden.
Vorrichtung zur elektroakustischen Nachbildung von dem menschlichen Außenohr bei Freifeldbeschallung entsprechenden Übertragungseigenschaften, welche Vorrichtung elektrische Schaltungen wie zum Beispiel in Reihe- und parallel geschaltete Hochpässe (24b), Tiefpässe (24a), Allpässe, Basspässe, Resonanzsysteme (24c), Addierer (15''), Laufzeiten (24d), elektrische Schaltungen aufweist, welche unter Zugrundelegung eines mindestens die Elemente Kopf und Ohrmuschel umfassenden Modells jedes Element durch Approximation jeweils komplexe Außenohr-Übertragungsteilfunktionen nach Betrag und Phase nachbilden; welche Vorrichtung weiter einen Rechner (18') aufweist der die Parameter der elektrischen Schaltungen an diese zu deren Steuerung übergibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner Mittel aufweist die die Parameter aus physikalisch vorgegebenen, geometrischen Abmessungen des menschlichen Außenohrs für beliebige Schalleinfallsrichtungen errechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Schaltungen in einen richtungsabhängigen Teil (12) und einen sich daran anschließenden richtungsunabhängigen Teil (13) aufgeteilt sind, wobei die Laufzeiten aus den Schaltungselementen des richtungsabhängigen Teils herausgezogen und einem vorgeschalteten Grundlaufzeitblock (17) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils eine vorgegebene Anzahl von Schaltungseinzelelementen (Hochpässe 24b, Tiefpässe 24a, Bandpässe 24c, Koeffizientenglieder 24d) je nach Modell in vorgegebener Anzahl nach Art und Reihenfolge in Parallel- und Reihenschaltung enthaltenden elektrischen Schaltungen für den Kopfbereich (10a'),für den Ohrmuschelumrandungsbereich (10b') und für Schulter- und Oberkörperbereich (10c') mit ihren Ausgängen über Addierglieder (15a, 15b, 15c, 15d) miteinander verbunden und an ein Endaddierglied (15') angeschlossen sind, an welches sich der Ohrkanal und cavum conchae umfassende Schaltungsteilbereich (16) anschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter der einzelnen Schaltungselemente (Hochpässe 24b, Tiefpässe 24a, Bandpässe 24c, Koeffizientenglieder 24d, Laufzeiten) aus physikalisch vorgegebenen, gemittelten geometrischen Abmessungen bestimmt sind und daß mindestens bestimmte Schaltungselemente Parameter-Verstelleinrichtungen umfassen zur kontinuierlichen Erzeugung von jeder Schalleinfallsrichtung im Freifeld entsprechenden Ohrsignalen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung der Verzögerungszeiten (Grundlaufzeiten) digitale Verzögerungsleitungen vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur digitalen Laufzeitbildung lediglich ein Analog/Digitalumsetzer (26) vorgesehen ist, aus welchem die quantisierten Abtastwerte des analogen Eingangssignals in ein Schieberegister (27) eingelesen werden, derart, daß die zwischen Einlesen und Auslesen der Abtastwerte an verschiedenen Speicherstellen sich ergebende Zeitdifferenz die jeweiligen Verzögerungszeiten bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schieberegister ein frei adressierbarer Verzögerungsspeicher (RAM 27) ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der jeweiligen Steuerparameter der einzelnen Schaltungselemente der jeweiligen Schaltungsblöcke eine zentrale Steuer- und Speicherschaltung (Mikroprozessorsystem 18') vorgesehen ist, der die jeweils gewünschten Schalleinfallsrichtungen zur Bestimmung der Steuerparameter von außen zuführbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mikroprozessorsystem (18') eine zentrale Zeitablaufsteuerung (22) zugeordnet ist, die den Digitalisierungsablauf des zugeführten analogen Eingangssignals, die Zeitdifferenzbestimmung zur Laufzeiterzeugung am Verzögerungsspeicher sowie die Signalrückgewinnung bestimmt und einen nachgeschalteten Signalmultiplexer (29) derart ansteuert, daß den jeweiligen, die Schaltungselemente enthaltenden Kanälen (24) des nachfolgenden analogen Schaltungsteils die jeweils zugeordneten Laufzeiten zugeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein spannungsgesteuertes Tiefpaß/Hochpaßfilter mit einstellbarer Grenzfrequenz (f_g) vorgesehen ist, dem zur Änderung seiner Übertragungseigenschaften eine Steuerspannung zuführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Mikroprozessor (18') gesteuerte Vorrichtung zur Erzeugung der den jeweiligen Schaltungselementen zur Parameterbestimmung zuzuführenden Steuerspannungen vorgesehen ist, mit einem Adressen- und einem Datenregister (43, 40), einem nachgeschalteten Digital-/Analogwandler (41) und einem vom Adressregister (43) gesteuerten Multiplexer (44), der die jeweilige Ausgangssteuerspannung jedem elektrischen Schaltungselement zugeordneten Sample-and-Hold-Schaltungen (45) zuführt.