EP0156334B1 - Method and device for simulating (electronic artificial head) the free-field transmission characteristics of the ear - Google Patents

Method and device for simulating (electronic artificial head) the free-field transmission characteristics of the ear Download PDF

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EP0156334B1
EP0156334B1 EP85103441A EP85103441A EP0156334B1 EP 0156334 B1 EP0156334 B1 EP 0156334B1 EP 85103441 A EP85103441 A EP 85103441A EP 85103441 A EP85103441 A EP 85103441A EP 0156334 B1 EP0156334 B1 EP 0156334B1
Authority
EP
European Patent Office
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pass filters
parameters
ear
elements
circuit
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP85103441A
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German (de)
French (fr)
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EP0156334A3 (en
EP0156334A2 (en
Inventor
Klaus Dr. Genuit
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HEAD Acoustics GmbH Kopfbezogene Aufnahme und Wiedergabetechnik Messtechnik
Original Assignee
HEAD Acoustics GmbH Kopfbezogene Aufnahme und Wiedergabetechnik Messtechnik
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Publication date
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Publication of EP0156334A3 publication Critical patent/EP0156334A3/en
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R5/00Stereophonic arrangements
    • H04R5/027Spatial or constructional arrangements of microphones, e.g. in dummy heads
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06GANALOGUE COMPUTERS
    • G06G7/00Devices in which the computing operation is performed by varying electric or magnetic quantities
    • G06G7/48Analogue computers for specific processes, systems or devices, e.g. simulators
    • G06G7/60Analogue computers for specific processes, systems or devices, e.g. simulators for living beings, e.g. their nervous systems ; for problems in the medical field
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06JHYBRID COMPUTING ARRANGEMENTS
    • G06J1/00Hybrid computing arrangements

Definitions

  • the invention is based on an electroacoustic simulation method according to the preamble of claim 1 and a corresponding device according to the preamble of claim 2.
  • a known device of this type US-A-3 970 787
  • an attempt is made to electronic or electrical in the manner of a directional mixer
  • switching means that represent a suitable mean outer ear transfer function for assumed sound incidence directions.
  • Such a method then also makes it necessary to create a transfer function by measurement for each desired transfer direction, and it is additionally proposed to switch the characteristics of the individual elements, in particular filters, used for the simulation circuits by appropriately selecting the filter sizes, so that, for example, at Rotation of the head of a test subject by a predetermined twist angle of, for example, 10 ° by appropriate changes in the filter properties of the filters involved can then be worked with the transfer function measured for this angular direction.
  • a predetermined twist angle of, for example, 10 ° by appropriate changes in the filter properties of the filters involved can then be worked with the transfer function measured for this angular direction.
  • intermediate values cannot be set, despite the considerable outlay on electrical circuits, since, for understandable reasons, only a finite number of measured transfer functions can be used.
  • outer ear transmission functions in the time domain would consist, for example, in that shock responses measured on test subjects are appropriately averaged and stored for all directions of sound incidence, which initially requires an extremely high storage space requirement, depending on the desired screening.
  • the output signal would be the so-called convolution of the input signal with the two shock responses valid for the respective direction of sound incidence (for the left and right ear).
  • signal processing in real time is practically impossible, since at least the signal processors currently available are only able to carry out such processing with considerable effort.
  • the possibility of performing the so-called Fourier transformation of the input signal with subsequent multiplication of the corresponding transfer functions and reverse transformation is also ruled out.
  • the invention is therefore based on the object to enter new territory here and to create an outer ear simulator as a so-called electronic artificial head, which is capable of a stepless directional adjustment without great effort, taking into account the human outer ear transmission properties, by amount and phase for all frequencies deliver, and which works in spite of the simplified structure with particularly high accuracy, that is, carries out the simulation so that the transmission properties of the electroacoustic equivalent circuit of the outer ear correspond practically identically to those of the human outer ear in free-field sound.
  • the invention solves this problem with the characterizing features of claim 1 and the characterizing features of claim 2 and has the advantage that corresponding ear signals can be generated with little effort in any direction of sound incidence in the free field, which can serve as headphone reproduction. This enables the realization of a natural sound image.
  • the circuit parts necessary for the practical implementation of the outer ear simulator according to the invention are limited to runtimes, simple filters, high and low passes and possibly resonance systems.
  • the parameters required for setting the circuits during operation such as the size of a transit time or the cut-off frequency of a low-pass filter, can be determined directly from physically predetermined geometric dimensions using a model for the analytical description of the outer ear transmission properties. For the various directions of incidence of the sound, only a few filter parameters of the model of the electronic artificial head represented by an electronic circuit change in addition to the transit times.
  • the electronic artificial head generates ear signals familiar to the ear, so that on the one hand the in-head localization is avoided and on the other hand the setting of any hearing event directions is possible.
  • artificial head technology it is possible with the electronic artificial head to spatially correctly mix signals from support microphones with the head-related recording.
  • multi-track recording technology the use of the electronic artificial head enables the signals from individual sound sources to be recoded so that the entire area available to human hearing can be used to generate hearing events when the head is played back.
  • the direction of the hearing event can also be changed during a recording, so that movements of a sound source can be simulated.
  • the loudspeaker compatibility of the electronic artificial head is comparable to artificial head recording systems, since both systems have or approximate free field transmission properties that are equivalent to one another.
  • outer ear simulator according to the invention can also be coupled to an external computer via an interface, so that the individual transmission functions of test subjects or the effect of hearing aids (HDO devices, in-the-ear devices), anomaly of the ear cup or change in the eardrum impedance are electrically simulated can be.
  • the basic idea of the present invention is to divide the physical causes of the outer ear transmission properties by differentiation and tracing back to predetermined, then simplified acoustic elements, for example the upper body, shoulder, head, auricle with cavum conchae cavity, ear canal and eardrum; All of these bodies have different influences on the outer ear transmission properties, depending on the frequency, depending on their geometric dimensions, the resulting transfer function of the outer ear then being composed of the complex superimpositions of the resonances, reflections and diffraction waves caused by all partial bodies.
  • Direction-dependent features are essentially determined by the elements, upper body, shoulder and auricular rim.
  • the basic calculation of such dependencies is possible (using the KIRCHHOFF diffraction integral, derived from the GREEN theorem), but it is unsuitable for a clear representation, but it is used to describe the mean outer ear transmission function and its simulation in a model, as by aimed at the invention is needed.
  • the invention therefore does not approach the solution of the problem empirically, but begins with the consideration and basis of the mathematically effectively determined, complex diffraction and reflection relationships and the resulting transfer functions, which are converted into a (simplified) model by analytical consideration, which can be represented by electrical circuits, whereby, for example, the auricle or head is then represented by the first mathematical consideration of the superposition of several diffraction bodies in the form of certain circuits, with a complex addition of the respective reflected and diffracted sound components simulated by the electrical circuit blocks for the overall outer ear transmission function the corresponding parts or areas of the body.
  • a layer at different levels is taken into account by an additional term (superposition principle).
  • such a transfer function is approximated by a transit time in connection with a resonance system, as follows: where V n corresponds to the amplification, Q n the quality and f on the resonance frequency of the opening n and the parameters of the resonance system - resonance frequency, quality, amplification - are functionally related to the geometric dimensions - radius and depth - of the auricle openings.
  • the invention is therefore based on the knowledge that the external, acoustically effective geometry of a human being has a mathematically at least good approximation to the measured outer ear transfer function. Starting from average geometric dimensions, it is therefore possible in this way to determine an average outer ear transfer function for each direction of sound incidence without additional effort, which in a suitable manner is the one required for human hearing Transmission properties, since all features required for the signal analysis and pattern recognition processes in the ear are taken into account due to the physical connection of the outer ear and its transmission properties. The realization is then possible by the assumption that these mathematically describable physical causes of the outer ear transmission properties can be approximated with a model that is based on systems known from telecommunications (high and low passes, delay elements, resonance elements and the like). This model allows the outer ear transfer function to be approximated for all sound incidence directions directly on the basis of physical parameters by varying a few parameters.
  • the system outer ear with its direction-dependent transmission properties describes in the communications technology sense the frequency-dependent distortions that the sound signals experience depending on the direction of sound incidence during the recoding into ear signals for the message receiver "human hearing".
  • FIG. 3 of the direction-determining part of an outer ear simulator 10 - only one channel - the approximation by circuit blocks for the head area at 10a, for the auricle area at 10b and for the area divided by dash-dotted lines
  • the shoulder and upper body area is shown at 10c.
  • the cut-off frequencies of the high and low passes, the amounts of the transit time and the coefficients are determined directly from the parameters head size, sound incidence direction and position of the ear canal entrance.
  • the table given on the previous page relates to geometric data of six test persons determined by measurement, this data can be used as geometric mean values when referring to the parameters of the individual approximation elements as shown in FIG. 3, and the calculation of the circuit elements.
  • the bet of the averaged geometric parameters can be permanently programmed to emulate mean outer ear transmission functions.
  • the influence of the direction-independent elements of the ear canal and carvum conchae cavity must be determined.
  • the resonance property of this cavity can be approximated very well by bandpass systems in the form of series resonant circuits.
  • the parameters (resonance frequency, quality and amplification) are also functionally related to the geometric dimensions of the cavity.
  • the ear canal can be understood as a tube with a complex firing impedance, the eardrum impedance. To a good approximation, this system is described by a model consisting of transit time, high pass and coefficient.
  • ear signals can be generated via the outputs for the free-field simulation, which correspond to the ear signals of a "middle" test person for the set sound incidence directions.
  • the second output, designated 14b in FIG. 1, -14a is the free-field equalized output - is used to emulate the free-field outer ear transmission functions.
  • the parameters of the circuit parts and - Blocks such as the size of a transit time or cut-off frequency of a low-pass filter or the like, can be determined directly with the aid of a model for the analytical description of the outer ear transmission properties from physically predetermined geometric dimensions, namely from the table given above, with the further, very significant conclusion that by Variation or change of such or in any case predetermined parameters of the circuit blocks here, and as can be understood immediately, completely continuously opens up the possibility of the corresponding ear signals for each direction of sound incidence in the horizontal and median plane to generate, so that with such an electronic artificial head, a system is available which, for any sound incidence directions, corresponds to a free field sound system Headphone playback generated and the realization of a particularly natural, impressive sound. An improvement in transparency is also guaranteed for loudspeaker reproduction analogous to artificial head technology. There are therefore not
  • FIG. 1 which comprises coefficients, low-pass, high-pass, all-pass, bandpass, adder, resonance elements and the like only for one channel combined by circuit blocks, only the runtimes for the different sound incidence directions only change few filter parameters. It is therefore also possible to simulate the transfer function for a sound incidence direction by determining these only a few parameters.
  • the individual circuit blocks are designated in FIG. 1 for the head region with 10a ', for the ear cup and border with 10b' and for the shoulder and upper body with 10c '; an addition element which effects the additive superimposition of the respective complex partial transmission functions bears the reference number 15.
  • the circuit block of the direction-independent part comprises the areas of the ear canal and cavum conchae and is designated by 16.
  • a further advantageous embodiment in the present invention is that all the runtimes occurring in the outer ear model are combined in a basic runtime circuit block 17 which is upstream of the circuit blocks 10a ', 10b' and 10c 'and which represents and implements the required signal delays and runtimes.
  • the present invention draws a digital realization of the high-quality construction Runtimes into consideration, which in principle take place in such a way that all the runtime elements assigned to the respective sub-models or circuit element chains are arranged as shown in FIG. 1, that is to say they are drawn in front of the individual other circuits, which makes it possible to use only one analog / Get by digital implementation.
  • a 16-bit AD / converter is used for the basic runtime block 17, which operates at a sampling rate of 44 kHz, for example, which is sufficiently high.
  • the quantized samples are read into a shift register after the conversion.
  • the delay time is then determined by the time difference between writing and reading out different memory locations, which is controlled by a microprocessor, which is to be explained below and effects central control of the individual elements. Due to the short memory access times, it is possible to read out all memory locations required for runtime simulation (8 runtimes per channel - there are left and right channels) during a sampling period. With a fast DA / converter, the delayed samples can be output again in time-division multiplexing. Based on this concept, only one or two DA / converters (one converter for each channel) are then necessary.
  • the filters and coefficients necessary for the simulation are then preferably implemented with the help of controllable operational amplifiers, which further will be explained below.
  • a digital filter implementation - for example with fast signal processors - is also within the scope of the invention, but it is advisable, at least for the time being, in particular for cost and effort reasons.
  • the electronic artificial head (outer ear simulator) forming the invention is preferably under a central control, which considerably simplifies practical handling;
  • a microprocessor 18 is provided, in which, for example, the values of the averaged geometric parameters can also be permanently programmed, which are required for emulating mean outer ear transmission functions.
  • the corresponding control parameters can then be calculated by the processor 18 and transferred directly to the controllable circuit blocks.
  • outer ear simulator according to the invention to an external computer via an interface; this possibility is denoted by 19 in the more detailed representation of FIG. 4, where, assigned to the microprocessor 18 ', the keypad of an external computer, for example a personal computer, is shown.
  • FIG. 2a shows a free field outer ear transmission function (I) simulated according to the invention - here without upper body simulation - compared to an effective one measured, i.e. empirically determined transfer function, as shown in (II).
  • FIG. 2b shows the simulation of individual acoustically effective parameters, to be referred to as free-field partial outer ear transmission functions, namely for the area of the ear canal at (1), the area of the shoulder and pinna border at (2) and the cavum conchae at (3);
  • the outer ear transfer function (I) of Figure 2a is then composed of these two partial courses.
  • the individual circuit elements of FIG. 3 represent the head, auricle border and shoulder / upper body areas of the circuit blocks of FIG. 1 in more detail, they connect to the basic runtime block 17 realized with digital elements and each contain individual, not yet mentioned addition elements 15a, 15b, 15c, 15d with the end adder 15 'with the output connection 20 leading to the direction-independent elements.
  • the high and low passes and the adders summarizing their output signals.
  • FIG. 4 represents the basic circuit diagram of a possible form of implementation of an outer ear simulator according to the present invention, with a block 21 containing operating and input elements and display elements, assigned to the microprocessor system 18 ', to which a central time control 22 is also assigned or contained in it.
  • the microprocessor influences the parameters of, for example, eight analog circuit channels 24 present here, which operate with their outputs on the summation element 15 ′′.
  • the analog circuit channels 24 contain first and third order low and high pass filters 24a, 24b, bandpasses 24c and so-called coefficient elements 24d with a gain of - 1 ... + 1.
  • the delay elements for the respective channels are realized as digital delay lines and arranged for this purpose so that only an AD / conversion to a digitization block 26 connected downstream of an input low-pass filter 25 is required.
  • the quantized samples are read into a freely addressable memory 27 (delay memory RAM).
  • the delay times that result between reading in and reading out the samples at different storage locations determine the time difference, the length of the register being determined by the maximum necessary delay time. Since a memory access is very short compared to the already mentioned sampling rate of preferably 44 kHz, all the sampling values necessary for the simulation of the different transit times can be read out in succession during a sampling period.
  • the right channel area for example, is also designated 30a, and an associated left channel area is designated 30b;
  • a low-pass filter 31a, 31b is also connected downstream of the adder elements 15 ', the right ear signal at the output 32a of the low-pass filter 31a and the left ear signal at the output 32b of the low-pass filter 31b.
  • FIG. 5 A possible embodiment of a circuit element which can be designed as a low-pass filter or high-pass filter of the 1st order is shown in FIG. 5; the filter is constructed with the aid of a so-called "Operational Transconductance Amplifier - OTA" 33, which is connected as a controllable resistor, in which the forward steepness (transconductance) is the reciprocal of the gain and can be set with the aid of an externally fed direct current I St.
  • the transfer function of either a low pass or a high pass results for the overall arrangement.
  • a normal operational amplifier 34 is still connected downstream of the OTA 33; the control current results from the lower circuit part, the control voltage U St being fed to an operational amplifier 35 and reaching the OTA 33 via an FET transistor 36 at the output; only a capacitor C on the feedback branch and the resistors R3 and R4 in the input circuit for the inverting connection are essential to a feedback line 37.
  • a limit frequency proportional to the control current I St then results in the case of such a circuit, for example from the following formula Overall, such a circuit of FIG. 5 results in a voltage-controlled low-pass / high-pass filter element.
  • the circuit in FIG. 6 is a block diagram of an interface circuit for generating the control voltages U St , which can be taken off at the output 38 of the circuit and are required for the parameter setting of the filters and coefficient elements.
  • the microprocessor 18 '(FIG. 4) writes the parameter data word via a data bus line 39 into a data register 40. At its outputs, the data word is converted into a voltage by a digital / analog converter 41 with a downstream current-voltage converter 42 for example 0 ... -10 V implemented.
  • sample + hold circuit 45 consists only of a storage capacitor C and a very high-resistance voltage follower 46 as an operational amplifier. If the capacitor C is charged, the channel is switched off again with an inhibit signal which is output by the address register 43. The whole process runs in the the same way cyclically for all other channels. In this way, the voltages across the holding capacitors C are refreshed in each case.
  • An existing decoding logic 47 generates the loading pulses for the two registers 43 and 40 with the aid of address bus input lines 48 and control bus input lines 49 from the microprocessor system 18 '.

Abstract

An electroacoustic simulation method and apparatus for imitating electroacoustically the human outer ear having transmission properties corresponding to those of the human outer ear when exposed to sound in the free field is proposed, wherein the physical acoustical causes of the outer ear, the head, the upper part of the body, the pinna rim, and the like, are represented mathematically by simple partial models and approximated in the form of electric circuits containing circuit elements such as high-pass filters, low-pass filters, all-pass filters . . . and the like, with the possibility to vary certain properties of the circuit elements continuously by varying the parameters so that arbitrary directions of sound incidence can be adjusted infinitely in the horizontal and median planes.

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.The invention is based on an electroacoustic simulation method according to the preamble of claim 1 and a corresponding device according to the preamble of claim 2. In a known device of this type (US-A-3 970 787) an attempt is made to electronic or electrical in the manner of a directional mixer To provide switching means that represent a suitable mean outer ear transfer function for assumed sound incidence directions.

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.However, as with conventional directional consoles, the actual mechanisms of formation of external ear transmission properties are not discussed, for example because they are unknown or a determination is simply inaccessible due to their complexity, but the transfer functions are simply measured empirically with a microphone and then electrical circuits and their determinations are determined 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.Such a method then also makes it necessary to create a transfer function by measurement for each desired transfer direction, and it is additionally proposed to switch the characteristics of the individual elements, in particular filters, used for the simulation circuits by appropriately selecting the filter sizes, so that, for example, at Rotation of the head of a test subject by a predetermined twist angle of, for example, 10 ° by appropriate changes in the filter properties of the filters involved can then be worked with the transfer function measured for this angular direction. However, intermediate values cannot be set, despite the considerable outlay on electrical circuits, since, for understandable reasons, only a finite number of measured transfer functions can be used.

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.
It should also be added that the known device from US Pat. No. 3,970,787 does not reproduce the human outer ear in the case of free field sound systems Corresponding transmission properties is used, but the goal is a room-acoustic reproduction of hearing events via headphones, which means that the measured transmission functions also contain additional reflection effects that go back to the room acoustics. In this respect, the publication mentioned does not deal with the phenomena, reflection events, hearing events and other influences that actually occur in the case of acoustic transmission, which arise, for example, with an artificial head, but rather determines results by simple empirical measurement, so that even with any number placed outer ear transmission functions a switchover of such a "directional mixer" is nevertheless only possible for discrete directions, with the remaining problems that
  • 1. So far there is no averaging method for outer ear transmission functions which certainly leads to average transmission properties which are actually adequate for the message recipient "human hearing";
  • 2. that only a finite number of different directions of sound incidence is possible; and that
  • 3. The effort resulting from such work increases proportionally with the number of adjustable sound incidence directions that one desires.

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.Another possibility for the electronic simulation of a so-called outer ear simulator for simulation Average outer ear transmission functions in the time domain would consist, for example, in that shock responses measured on test subjects are appropriately averaged and stored for all directions of sound incidence, which initially requires an extremely high storage space requirement, depending on the desired screening. In such a case, the output signal would be the so-called convolution of the input signal with the two shock responses valid for the respective direction of sound incidence (for the left and right ear). However, such signal processing in real time is practically impossible, since at least the signal processors currently available are only able to carry out such processing with considerable effort. For the same reason, the possibility of performing the so-called Fourier transformation of the input signal with subsequent multiplication of the corresponding transfer functions and reverse transformation is also ruled out.

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.
Conventional mixer systems can use the so-called panorama controls to distribute individual microphone signals to the two channels of a stereo transmission in such a way that when played over two loudspeakers in a typical stereo configuration, there is a spatial distribution of listening events between the two loudspeakers (total localization). This method has the disadvantages that
  • 1. the hearing events only lie within the solid angle range specified by the loudspeaker set-up,
  • 2. the level of the hearing event is often perceived below the connecting line between the speakers and depends on the position of the listener to the speakers, and that
  • 3. When listening to headphones, the hearing event usually occurs in or on the head of the listener, since unusual or unnatural ear signals are offered to the hearing.

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.Because of these considerable problems and the great effort involved when the ear signals are to be reproduced for many directions of sound incidence, there has hitherto been no practical form of implementation of a so-called electronic artificial head or outer ear simulator.

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.The invention is therefore based on the object to enter new territory here and to create an outer ear simulator as a so-called electronic artificial head, which is capable of a stepless directional adjustment without great effort, taking into account the human outer ear transmission properties, by amount and phase for all frequencies deliver, and which works in spite of the simplified structure with particularly high accuracy, that is, carries out the simulation so that the transmission properties of the electroacoustic equivalent circuit of the outer ear correspond practically identically to those of the human outer ear in free-field sound.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.The invention solves this problem with the characterizing features of claim 1 and the characterizing features of claim 2 and has the advantage that corresponding ear signals can be generated with little effort in any direction of sound incidence in the free field, which can serve as headphone reproduction. This enables the realization of a natural sound image.

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.It is also advantageous that, although, as is known to the person skilled in the art, outer ear transmission functions in particular have particularly complicated structures, the circuit parts necessary for the practical implementation of the outer ear simulator according to the invention are limited to runtimes, simple filters, high and low passes and possibly resonance systems. The parameters required for setting the circuits during operation, such as the size of a transit time or the cut-off frequency of a low-pass filter, can be determined directly from physically predetermined geometric dimensions using a model for the analytical description of the outer ear transmission properties. For the various directions of incidence of the sound, only a few filter parameters of the model of the electronic artificial head represented by an electronic circuit change in addition to the transit times. It is therefore possible to simulate the transfer function for a sound incidence direction by determining only a few parameters, it also being possible to simulate average outer ear transfer functions to program the values of the averaged geometric parameters so that, in a further, practical simplification, the corresponding control parameters are calculated directly by an electronic logic circuit, microcomputer or microprocessor and transferred to the controllable circuit blocks, which simulate the individual elements of the electronic artificial head. This makes it possible to realize arbitrarily fine subdivisions of the angular range in the horizontal as well as in the median plane without requiring a large amount of storage space, so that the corresponding ear signals can be generated effectively for each direction of sound incidence, also and in particular in the vertical, in the free field.

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.The electronic artificial head according to the invention generates ear signals familiar to the ear, so that on the one hand the in-head localization is avoided and on the other hand the setting of any hearing event directions is possible. This opens up completely new perspectives not only for artificial head technology, but also for multi-track recording technology. In artificial head technology, it is possible with the electronic artificial head to spatially correctly mix signals from support microphones with the head-related recording. In multi-track recording technology, the use of the electronic artificial head enables the signals from individual sound sources to be recoded so that the entire area available to human hearing can be used to generate hearing events when the head is played back. The direction of the hearing event can also be changed during a recording, so that movements of a sound source can be simulated. The loudspeaker compatibility of the electronic artificial head is comparable to artificial head recording systems, since both systems have or approximate free field transmission properties that are equivalent to one another.

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.Further improvements and refinements of the invention are the subject of the subclaims and are set out in these. It is particularly advantageous here that it is also possible to change the permanently stored geometric parameters, as a result of which other outer ear transmission functions can then be simulated. The outer ear simulator according to the invention can also be coupled to an external computer via an interface, so that the individual transmission functions of test subjects or the effect of hearing aids (HDO devices, in-the-ear devices), anomaly of the ear cup or change in the eardrum impedance are electrically simulated can be.

Zeichnungdrawing

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.
An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1
2 shows a highly schematic block diagram of the outer ear simulator according to the invention, from which the division into direction-dependent circuit elements and direction-independent circuit elements also results,
2a and 2b
the course of a free-field outer ear transmission function (I) simulated in accordance with the present invention in comparison to a measured (II) over the frequency and the waveforms (1), (2), (3) the simulation of individual acoustically effective parameters, namely the ear canal (curve 1), the shoulder and auricle rim (curve 2) and the cavum conchae (curve 3);
Fig. 3
a more detailed embodiment, still in a simplified form and only the direction-dependent elements for a channel (single-channel block diagram of the outer ear simulator - direction-determining part),
Fig. 4
the basic circuit diagram of a practical embodiment under control of the parameters of the respective circuit elements by a microprocessor system and taking into account stored averaged geometric parameters,
Fig. 5
in greater detail a possible embodiment of a voltage-controlled low-pass / high-pass filter, as can be used to implement the electronic artificial head according to the invention,
Fig. 6
the block diagram of an interface circuit for generating control voltages for the individual circuit blocks for changing their parameters, under the guidance of a microprocessor and
7 and 8
For two different sound incidence angles in the form of diagrams, the course of free-field outer ear transmission functions (here of the left ear) of an individual test subject in the free field (horizontal plane), with the thick curve showing the calculation using the The model implemented by the invention and the functions shown in dashed lines represent the standard deviation of a predetermined number of measurements on the same test subject.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

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.The basic idea of the present invention is to divide the physical causes of the outer ear transmission properties by differentiation and tracing back to predetermined, then simplified acoustic elements, for example the upper body, shoulder, head, auricle with cavum conchae cavity, ear canal and eardrum; All of these bodies have different influences on the outer ear transmission properties, depending on the frequency, depending on their geometric dimensions, the resulting transfer function of the outer ear then being composed of the complex superimpositions of the resonances, reflections and diffraction waves caused by all partial bodies.

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.Direction-dependent features are essentially determined by the elements, upper body, shoulder and auricular rim. The basic calculation of such dependencies is possible (using the KIRCHHOFF diffraction integral, derived from the GREEN theorem), but it is unsuitable for a clear representation, but it is used to describe the mean outer ear transmission function and its simulation in a model, as by aimed at the invention is needed.

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.It is therefore important that the invention separate itself from the calculation of complicated and complex diffraction integrals and diffraction and reflection at one Bodies using means of system theory describe what is only possible with the technical implementation of an electronic outer ear simulator, but then with comparatively simple means.

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).The invention therefore does not approach the solution of the problem empirically, but begins with the consideration and basis of the mathematically effectively determined, complex diffraction and reflection relationships and the resulting transfer functions, which are converted into a (simplified) model by analytical consideration, which can be represented by electrical circuits, whereby, for example, the auricle or head is then represented by the first mathematical consideration of the superposition of several diffraction bodies in the form of certain circuits, with a complex addition of the respective reflected and diffracted sound components simulated by the electrical circuit blocks for the overall outer ear transmission function the corresponding parts or areas of the body. A layer at different levels is taken into account by an additional term (superposition principle).

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:

Figure imgb0001
Without the description being overwhelmed by complicated mathematical relationships, which is also not necessary to understand the invention, the following example shows what this means. For example, to indicate the transfer function of the cavum conchae - this includes basic resonances and, like the influence of the ear canal and the eardrum impedance in this case, is independent of the direction - the cavum conchae can be understood as a system consisting of several nested openings are using the following transfer function:
Figure imgb0001

Diese Funktion umfaßt mit K₁ sogenannte Rayleigh-Struve-Funktionen und mit J₁ sogenannte Bessel'sche Funktionen, wobei mit ln noch der Länge entsprechende Angaben und mit rn der Radius entsprechende Angaben von n-Öffnungen zu verstehen sind, mit k = Wellenzahl (Ω/c).This function includes so-called Rayleigh-Struve functions with K₁ and so-called Bessel functions with J₁, with l n also information corresponding to the length and r n the radius corresponding information of n openings, with k = wavenumber ( Ω / c).

Eine solche Übertragungsfunktion erfährt mit guter Näherung eine Approximierung durch eine Laufzeit in Verbindung mit einem Resonanzsystem, wie folgt:

Figure imgb0002

wobei Vn der Verstärkung, Qn der Güte und fon 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.With a good approximation, such a transfer function is approximated by a transit time in connection with a resonance system, as follows:
Figure imgb0002

where V n corresponds to the amplification, Q n the quality and f on the resonance frequency of the opening n and the parameters of the resonance system - resonance frequency, quality, amplification - are functionally related to the geometric dimensions - radius and depth - of the auricle openings.

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.The invention is therefore based on the knowledge that the external, acoustically effective geometry of a human being has a mathematically at least good approximation to the measured outer ear transfer function. Starting from average geometric dimensions, it is therefore possible in this way to determine an average outer ear transfer function for each direction of sound incidence without additional effort, which in a suitable manner is the one required for human hearing Transmission properties, since all features required for the signal analysis and pattern recognition processes in the ear are taken into account due to the physical connection of the outer ear and its transmission properties. The realization is then possible by the assumption that these mathematically describable physical causes of the outer ear transmission properties can be approximated with a model that is based on systems known from telecommunications (high and low passes, delay elements, resonance elements and the like). This model allows the outer ear transfer function to be approximated for all sound incidence directions directly on the basis of physical parameters by varying a few parameters.

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.The system outer ear with its direction-dependent transmission properties describes in the communications technology sense the frequency-dependent distortions that the sound signals experience depending on the direction of sound incidence during the recoding into ear signals for the message receiver "human hearing".

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.In the following, an example, namely the head, which can be approximated by an ellipsoid, will be used to demonstrate how diffraction and reflection can be approximated using a model.

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.Reference is first made here to the block diagram shown in FIG. 3 of the direction-determining part of an outer ear simulator 10 - only one channel - the approximation by circuit blocks for the head area at 10a, for the auricle area at 10b and for the area divided by dash-dotted lines The shoulder and upper body area is shown at 10c.

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 KS, HPS, PS und TPS), Oberkörper (KO, HPO, TO und TPO) 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 Based on the assumption that diffraction and reflection on a circular disk can be approximated very well, for example, with a simple model consisting of two delay elements and a low-pass filter (if one starts out from simple basic geometric figures), this is used to approximate the head model assumed that the sound pressure curve at a point on an ellipsoid as a head approximation depending on the direction of sound incidence can be approximated by the circuit blocks of a partial model indicated at 10a, the parameters of this model being functionally related to the geometric dimensions of the body under consideration; they also take into account special cases such as spherical heads, ellipses and circular disks. In this case, in all of the circuit blocks shown in FIG. 3, there is a coefficient element under K, a time element with T and any index, a low-pass filter with TP and a high-pass filter with HP. The physical reference of the model representative of the head at 10a is as follows. For the directly incident sound wave, depending on the sound angle, the sound field reflected by the ellipsoid (head) is added by the blocks K₁ and HP₁. The diffraction field emanating from the border is divided into two parts. The branch with the elements K₃, HP₃ and T₂ represents the part of the diffraction wave facing the sound source location, the branch with the elements K₂, HP₂, T₁ and TP the part facing away from the sound source location. The cut-off frequencies of the high and low passes, the amounts of the transit time and the coefficients are determined directly from the parameters head size, sound incidence direction and position of the ear canal entrance. As for the head, the influence of the diffraction body shoulder (with the elements K S, HP S, P S and S TP), upper body (K O, HP O, O T and TP O) and can be table Geometric data of 6 male test subjects (m = mean, σ ≙ standard deviation) No. parameter m σ 1* Shoulder width 〈Mm〉 496 28 2 * Shoulder depth 〈Mm〉 269 29 3 * Shoulder slope O 23.3 2.9 4 * BP over shoulder 〈Mm〉 160 11 5 * BP from above 〈Mm〉 156 11 6 * BP from below 〈Mm〉 105 5 7 * BP from the front 〈Mm〉 116 6 8th* BP from behind 〈Mm〉 102 5 9 * BP angle O 11.9 4.6 10 * Head width 〈Mm〉 177 15 11 * Head height 〈Mm〉 261 10th 12 * Head depth 〈Mm〉 218 6 13 * Head radius above 〈Mm〉 86 9 14 * Middle over BP 〈Mm〉 70 11 15 * Head radius below 〈Mm〉 66 13 16 * Middle under BP 〈Mm〉 25th 7 17 * Head radius on the side 〈Mm〉 109 7 18 * Middle over BP 〈Mm〉 41 13 19 * Middle next to BP 〈Mm〉 14 10th 20 * Neck width 〈Mm〉 104 8th 21 * Neck depth 〈Mm〉 117 10th 22 * Neck angle O 35.9 3.1 23 * Chin in front of BP 〈Mm〉 94 5 24 * Auricle height 〈Mm〉 70 6 25 * Auricle width 〈Mm〉 35 3rd 26 * Ear cup inclination O 12.4 5.3 27 * Middle over BP 〈Mm〉 13 2nd 28 * Middle next to BP 〈Mm〉 5 1 29 * Cavum conchae height 〈Mm〉 30th 2nd 30 * Cavum conchae width 〈Mm〉 21st 1 31 * Cavum conchae depth 〈Mm〉 19th 2nd 32 * Middle over BP 〈Mm〉 4th 1 33 * Middle next to BP 〈Mm〉 8th 1 34 * Head radius above 〈Mm〉 81 11

Ohrmuschel (mit den Elementen Ka, Ta und TPa sowie Kz, Tz) mit dem in Fig. 3 insoweit dann für die richtung sabhängigenElemente gezeigten Modell hinreichend genau beschreiben.Describe the auricle (with the elements K a , T a and TP a as well as K z , T z ) with the model shown in FIG. 3 to the extent that it is sufficiently precise for the direction-dependent elements.

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.The table given on the previous page relates to geometric data of six test persons determined by measurement, this data can be used as geometric mean values when referring to the parameters of the individual approximation elements as shown in FIG. 3, and the calculation of the circuit elements. The bet of the averaged geometric parameters, as will be explained further below, can be permanently programmed to emulate mean outer ear transmission functions.

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

Figure imgb0003

T z (r a ,r b ,ϑ) = T o K e
Figure imgb0004

K z (r a ,r b ,ϑ) = 0.5 K (1 + |sin(ϑ)|)
Figure imgb0005

K a (r a ,r b ,ϑ) = 1 - K z (r a ,r b ,ϑ)
Figure imgb0006
Figure imgb0007

mit

ϑ:
Schalleinfallswinkel
ra:
Hälfte des Parameters Nr. 24*
rb:
Hälfte des Parameters Nr. 25*
Weiteres Beispiel Kopf:
Figure imgb0008

K₂ = 0.5 . K·[(1 - sin(ϑ)).(r' - R)/r' + + 0.5·(1 - cos(ϑ))·R/(R + r')]
Figure imgb0009


K₃ = 0.5 K'·[(1 + sin(ϑ))·(r' - R)/r'+ + 0.5·(1 - cos(ϑ))·R/(R + r')]
Figure imgb0010
Figure imgb0011


ϑ'' = arccos(r'/r a cos(ϑ))
Figure imgb0012
Figure imgb0013

mit
Figure imgb0014
c
Schallgeschwindigkeit in Luft
fg
Grenzfrequenz des jeweiligen Hoch- bzw. Tiefpasses.
In the following, only as an example and not to be understood as restricting the invention, there are also mathematical relationships which show how the parameters used in the model here of FIG. 3 (coefficient, transit time, high-pass, low-pass) in a mathematical that is now simplified to this extent There is a connection to the geometric dimensions (parameters *) of the table on page 12.
Auricle:

T a (r a , r b , ϑ) = T O · (2-K e ), T O = r a / c
Figure imgb0003

T e.g. (r a , r b , ϑ) = T O K e
Figure imgb0004

K e.g. (r a , r b , ϑ) = 0.5 K (1 + | sin (ϑ) |)
Figure imgb0005

K a (r a , r b , ϑ) = 1 - K e.g. (r a , r b , ϑ)
Figure imgb0006
Figure imgb0007

With
ϑ:
Sound incidence angle
r a :
Half of parameter No. 24 *
r b :
Half of parameter No. 25 *
Another example head:
Figure imgb0008

K₂ = 0.5 . K · [(1 - sin (ϑ)). (R '- R) / r' + + 0.5 · (1 - cos (ϑ)) · R / (R + r ')]
Figure imgb0009


K₃ = 0.5 K '· [(1 + sin (ϑ)) · (r' - R) / r '+ + 0.5 · (1 - cos (ϑ)) · R / (R + r')]
Figure imgb0010
Figure imgb0011


ϑ '' = arccos (r '/ r a cos (ϑ))
Figure imgb0012
Figure imgb0013

With
Figure imgb0014
c
Speed of sound in air
f g
Limit frequency of the respective high or low pass.

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.For a complete description of the structure-defining features, the influence of the direction-independent elements of the ear canal and carvum conchae cavity must be determined. The resonance property of this cavity can be approximated very well by bandpass systems in the form of series resonant circuits. The parameters (resonance frequency, quality and amplification) are also functionally related to the geometric dimensions of the cavity. The ear canal can be understood as a tube with a complex firing impedance, the eardrum impedance. To a good approximation, this system is described by a model consisting of transit time, high pass and coefficient.

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.These considerations then lead to the highly simplified block diagram of an outer ear model shown in FIG. 1, only the left channel being indicated; The individual blocks of this model, in accordance with the refinement according to FIG. 3 already explained above, stand for the corresponding acoustic elements, which are also shown in FIG. 1 and which can be found in principle in all people, and which thus represent the super-individual structures of the Set outer ear transmission functions. It has proven to be useful to divide the model shown in FIG. 1 into a direction-dependent part 12, which serves to simulate the directional characteristic of the outer ear, and a direction-independent part 13, which simulates the free-field outer ear transmission function. When playing back via a free-field-equalized headphone, ear signals can be generated via the outputs for the free-field simulation, which correspond to the ear signals of a "middle" test person for the set sound incidence directions. The second output, designated 14b in FIG. 1, -14a is the free-field equalized output - is used to emulate the free-field outer ear transmission functions. The complete, schematically simplified model of FIG. 1 is limited in the necessary circuit parts to run times, simple filters, all-passports and adders - although the outer ear transmission functions, as explained further above, sometimes have extremely complicated structures -, the parameters of the circuit parts and - Blocks, such as the size of a transit time or cut-off frequency of a low-pass filter or the like, can be determined directly with the aid of a model for the analytical description of the outer ear transmission properties from physically predetermined geometric dimensions, namely from the table given above, with the further, very significant conclusion that by Variation or change of such or in any case predetermined parameters of the circuit blocks here, and as can be understood immediately, completely continuously opens up the possibility of the corresponding ear signals for each direction of sound incidence in the horizontal and median plane to generate, so that with such an electronic artificial head, a system is available which, for any sound incidence directions, corresponds to a free field sound system Headphone playback generated and the realization of a particularly natural, impressive sound. An improvement in transparency is also guaranteed for loudspeaker reproduction analogous to artificial head technology. There are therefore not only special areas of application in psychoacoustics that will be discussed, but this also opens up new possibilities for the artistic design of a recording, especially in recording studio technology.

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.In the model shown in FIG. 1, which comprises coefficients, low-pass, high-pass, all-pass, bandpass, adder, resonance elements and the like only for one channel combined by circuit blocks, only the runtimes for the different sound incidence directions only change few filter parameters. It is therefore also possible to simulate the transfer function for a sound incidence direction by determining these only a few parameters. The individual circuit blocks are designated in FIG. 1 for the head region with 10a ', for the ear cup and border with 10b' and for the shoulder and upper body with 10c '; an addition element which effects the additive superimposition of the respective complex partial transmission functions bears the reference number 15. The circuit block of the direction-independent part comprises the areas of the ear canal and cavum conchae and is designated by 16.

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.A further advantageous embodiment in the present invention is that all the runtimes occurring in the outer ear model are combined in a basic runtime circuit block 17 which is upstream of the circuit blocks 10a ', 10b' and 10c 'and which represents and implements the required signal delays and runtimes.

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.In this context, since the technical realization of the transit times using analog delay lines can lead to problems, for example, because in addition to an insufficient useful / interference power ratio, mixed products of the frequencies could occur in the audible frequency range, the present invention draws a digital realization of the high-quality construction Runtimes into consideration, which in principle take place in such a way that all the runtime elements assigned to the respective sub-models or circuit element chains are arranged as shown in FIG. 1, that is to say they are drawn in front of the individual other circuits, which makes it possible to use only one analog / Get by digital implementation. In particular, a 16-bit AD / converter is used for the basic runtime block 17, which operates at a sampling rate of 44 kHz, for example, which is sufficiently high. The quantized samples are read into a shift register after the conversion. The delay time is then determined by the time difference between writing and reading out different memory locations, which is controlled by a microprocessor, which is to be explained below and effects central control of the individual elements. Due to the short memory access times, it is possible to read out all memory locations required for runtime simulation (8 runtimes per channel - there are left and right channels) during a sampling period. With a fast DA / converter, the delayed samples can be output again in time-division multiplexing. Based on this concept, only one or two DA / converters (one converter for each channel) are then necessary. The filters and coefficients necessary for the simulation are then preferably implemented with the help of controllable operational amplifiers, which further will be explained below. A digital filter implementation - for example with fast signal processors - is also within the scope of the invention, but it is advisable, at least for the time being, in particular for cost and effort reasons.

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.It has already been mentioned above that, as the illustration in FIG. 1 shows, the electronic artificial head (outer ear simulator) forming the invention is preferably under a central control, which considerably simplifies practical handling; For this purpose, a microprocessor 18 is provided, in which, for example, the values of the averaged geometric parameters can also be permanently programmed, which are required for emulating mean outer ear transmission functions. In a corresponding manner, the corresponding control parameters can then be calculated by the processor 18 and transferred directly to the controllable circuit blocks. With this method, arbitrarily fine subdivisions of the angular range in the horizontal and median planes can be realized without large storage space requirements, so that the corresponding ear signals can be generated for each sound incidence direction in the free field. It is then also possible to change the permanently stored geometric parameters, which means that other outer ear transmission functions can also be simulated. Furthermore, it is possible to couple the outer ear simulator according to the invention to an external computer via an interface; this possibility is denoted by 19 in the more detailed representation of FIG. 4, where, assigned to the microprocessor 18 ', the keypad of an external computer, for example a personal computer, is shown.

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.The almost amazing simulation capability of the outer ear simulator according to the invention can be seen in the two diagrams of FIGS. 2a and 2b, FIG. 2a showing a free field outer ear transmission function (I) simulated according to the invention - here without upper body simulation - compared to an effective one measured, i.e. empirically determined transfer function, as shown in (II). In addition to this, FIG. 2b shows the simulation of individual acoustically effective parameters, to be referred to as free-field partial outer ear transmission functions, namely for the area of the ear canal at (1), the area of the shoulder and pinna border at (2) and the cavum conchae at (3); The outer ear transfer function (I) of Figure 2a is then composed of these two partial courses.

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.As already mentioned above, the individual circuit elements of FIG. 3 represent the head, auricle border and shoulder / upper body areas of the circuit blocks of FIG. 1 in more detail, they connect to the basic runtime block 17 realized with digital elements and each contain individual, not yet mentioned addition elements 15a, 15b, 15c, 15d with the end adder 15 'with the output connection 20 leading to the direction-independent elements. the high and low passes and the adders summarizing their output signals.

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.The detailed exemplary embodiment in FIG. 4 represents the basic circuit diagram of a possible form of implementation of an outer ear simulator according to the present invention, with a block 21 containing operating and input elements and display elements, assigned to the microprocessor system 18 ', to which a central time control 22 is also assigned or contained in it. Via the multiple connecting lines 23a, 23b, the microprocessor influences the parameters of, for example, eight analog circuit channels 24 present here, which operate with their outputs on the summation element 15 ″. Depending on the type and structure of the model, the analog circuit channels 24 contain first and third order low and high pass filters 24a, 24b, bandpasses 24c and so-called coefficient elements 24d with a gain of - 1 ... + 1. The delay elements for the respective channels are realized as digital delay lines and arranged for this purpose so that only an AD / conversion to a digitization block 26 connected downstream of an input low-pass filter 25 is required. After the implementation, the quantized samples are read into a freely addressable memory 27 (delay memory RAM). The delay times that result between reading in and reading out the samples at different storage locations determine the time difference, the length of the register being determined by the maximum necessary delay time. Since a memory access is very short compared to the already mentioned sampling rate of preferably 44 kHz, all the sampling values necessary for the simulation of the different transit times can be read out in succession during a sampling period. It is therefore possible with the aid of a correspondingly fast DA / converter 26 to convert the sample values obtained in this way for the different transit times in time-division multiplex operation, for which purpose a time-division multiplex switch 29 controlled by the central time sequence control is shown schematically after a signal recovery block 28 is indicated, the outputs of which are connected to the inputs of the various channels 24. The combination of analog and digital circuit parts ensures problem-free implementation on the one hand and an extremely versatile, high-quality simulation system for the representation of outer ear transmission functions on the other. In FIG. 4 the right channel area, for example, is also designated 30a, and an associated left channel area is designated 30b; A low-pass filter 31a, 31b is also connected downstream of the adder elements 15 ', the right ear signal at the output 32a of the low-pass filter 31a and the left ear signal at the output 32b of the low-pass filter 31b.

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 ISt 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 USt 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 ISt proportionale Grenzfrequenz ergibt sich dann bei einer solchen Schaltung beispielsweise aus folgender Formel

Figure imgb0015

Insgesamt ergibt sich durch eine solche Schaltung der Fig. 5 ein spannungsgesteuertes Tiefpaß/Hochpaß-Filterelement.A possible embodiment of a circuit element which can be designed as a low-pass filter or high-pass filter of the 1st order is shown in FIG. 5; the filter is constructed with the aid of a so-called "Operational Transconductance Amplifier - OTA" 33, which is connected as a controllable resistor, in which the forward steepness (transconductance) is the reciprocal of the gain and can be set with the aid of an externally fed direct current I St. Depending on the feed-in point of this DC input signal, the transfer function of either a low pass or a high pass results for the overall arrangement. A normal operational amplifier 34 is still connected downstream of the OTA 33; the control current results from the lower circuit part, the control voltage U St being fed to an operational amplifier 35 and reaching the OTA 33 via an FET transistor 36 at the output; only a capacitor C on the feedback branch and the resistors R3 and R4 in the input circuit for the inverting connection are essential to a feedback line 37. A limit frequency proportional to the control current I St then results in the case of such a circuit, for example from the following formula
Figure imgb0015

Overall, such a circuit of FIG. 5 results in a voltage-controlled low-pass / high-pass filter element.

Bei der Schaltung der Fig. 6 handelt es sich um ein Blockschaltbild einer Interface-Schaltung zur Erzeugung der Steuerspannungen USt, 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.The circuit in FIG. 6 is a block diagram of an interface circuit for generating the control voltages U St , which can be taken off at the output 38 of the circuit and are required for the parameter setting of the filters and coefficient elements. The microprocessor 18 '(FIG. 4) writes the parameter data word via a data bus line 39 into a data register 40. At its outputs, the data word is converted into a voltage by a digital / analog converter 41 with a downstream current-voltage converter 42 for example 0 ... -10 V implemented. Via an address register 43 which is driven by the same data bus line 39, a channel of an analog multiplexer 44 connected downstream of the current / voltage converter 42 is addressed and thus the voltage generated is switched through to a corresponding output memory circuit (sample + hold), each for Such an S + H circuit 45 is provided for each filter element to be controlled. The sample + hold circuit 45 consists only of a storage capacitor C and a very high-resistance voltage follower 46 as an operational amplifier. If the capacitor C is charged, the channel is switched off again with an inhibit signal which is output by the address register 43. The whole process runs in the the same way cyclically for all other channels. In this way, the voltages across the holding capacitors C are refreshed in each case. An existing decoding logic 47 generates the loading pulses for the two registers 43 and 40 with the aid of address bus input lines 48 and control bus input lines 49 from the microprocessor system 18 '.

Die Fig. 7 und 8 zeigen schließlich in Form von Diagrammen für zwei verschiedene Richtungen (0o bzw. 270o) 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.7 and 8 finally show in the form of diagrams for two different directions (0 o and 270 o ) the free field outer ear transmission functions of the left ear of an individual test subject in the free field (horizontal plane), the solid line being calculated by calculation according to the subject of the present Invention (model) and the two curve lines surrounding this solid line with dashed lines at the top and bottom represent the standard deviation in six measurements on the same test subject; one recognizes how highly precisely the aim of an electronic artificial head could be achieved by the present invention.

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.
Particularly suitable areas of application for the electronic artificial head according to the invention, which carries out the transformation of sound signals and ear signals instead of the natural outer ear, are, inter alia, in the following three areas:
  • 1. in psychoacoustic research for the easy realization of special outer ear transmission properties, for example for the simulation of a hearing aid supply. Since it is possible to easily change individual parameters in the shortest possible time, the influence of hearing aids or the effects of single- and double-ear hearing aid supply can be easily simulated;
  • 2. in the medical-diagnostic area for checking directional hearing or speech intelligibility in a noise-filled environment. Hearing tests, in particular directional hearing tests, are possible with the device according to the invention under free field conditions without the need to provide an anechoic chamber and without great expenditure on equipment;
  • 3. in the field of sound technology for the synthetic generation of a head-related recording, it being possible to mix in signals for any sound incidence directions, for example artificial head recordings or the like.

Claims (12)

  1. An electro-acoustic simulation method for simulating transmission characteristics corresponding to the human external ear in free-field acoustic irradiation, wherein, for example, by connecting high pass filters (24b), low pass filters (24a) all-pass filters, bass pass filters, resonance systems (24c), adders (15''), time delays (24d) in series and in parallel, electrical circuits are put into effect which simulate by approximation respective complex external ear transmission partial functions according to amount and phase, taking as the basis a model of each element comprising at least the elements of head and auricle, and wherein parameters of the electrical circuits are passed from a computer (18') to these in order to control the same, characterised in that the parameters are calculated by the computer from physically predetermined, geometric dimensions of the human external ear for any sound incidence directions.
  2. A device for electro-acoustically simulating transmission characteristics corresponding to the human external ear in free-field acoustic irradiation, which device has electrical circuits such as, for example, high pass filters (24b), low pass filters (24a), all-pass filters, bass pass filters, resonance systems (24c), adders (15''), time delays (24d), connected in series and in parallel, which electrical circuits simulate by approximation respective complex external ear transmission partial functions according to amount and phase, taking as the basis a model of each element comprising at least the elements of head and auricle, which device further has a computer (18') which passes the parameters of the electrical circuits to these in order to control the same, characterised in that the computer has means which calculate the parameters from physically predetermined, geometric dimensions of the human external ear for any sound incidence directions.
  3. A device according to claim 2, characterised in that the electrical circuits are divided into a directional part (12) and a non-directional part (13) connected thereto, wherein the time delays are extracted from the circuit elements of the directional part and are assigned to a basic time delay block (17) connected in front of them.
  4. A device according to claim 2 or 3, characterised in that the electrical circuits for the head region (10a'), the region (10b') bordering the auricle, and the shoulder and upper body region (10c'), each of which contain a preset number of individual circuit elements (high pass filters 24b, low pass filters 24a, band pass filters 24c, coefficient elements 24d), depending on the model in a preset number according to the type and sequence in parallel and series connection, are interconnected by their outputs via adding elements (15a, 15b, 15c, 15d) and are connected to a final adding element (15') to which the ear canal and the circuit part region (16) comprising the cavum conchae is connected.
  5. A device according to one of claims 2 to 4, characterised in that the parameters of the individual circuit elements (high pass filters 24b, low pass filters 24a, band pass filters 24c, coefficient elements 24d, time delays) are determined from physically predetermined, averaged geometric dimensions, and in that at least certain circuit elements include parameter-adjustment devices for the continuous generation of ear signals corresponding to each sound incidence direction in the free field.
  6. A device according to one of claims 2 to 5, characterised in that digital delay lines are provided to represent the delay times (basic time delays).
  7. A device according to claim 6, characterised in that in order to form the digital time delay only one analogue/digital converter (26) is provided from which the quantized scanning values of the analogue input signal are read into a shift register (27), such that the time difference arising between the reading in and reading out of the scanning values at different storage locations determines the respective delay times.
  8. A device according to claim 6 or 7, characterised in that the shift register is a freely addressable delay memory (RAM 27).
  9. A device according to one or more of claims 2 to 8, characterised in that in order to adjust the particular control parameters of the individual circuit elements of the respective circuit blocks, there is provided a central control and memory circuit (microprocessor system 18') to which the sound incidence directions desired at the time may be supplied from outside to determine the control parameters.
  10. A device according to one of claims 2 to 9, characterised in that there is assigned to the microprocessor system (18') a central timing period control (22) which determines the digitization timing of the supplied analogue input signal, the determination of the time difference to produce the time delay at the delay memory and the signal recovery, and which triggers a signal multiplexer (29) connected in series such that to the particular channels (24) of the analogue circuit part connected in series which contain the circuit elements are supplied the time delays respectively assigned to them.
  11. A device according to one of claims 2 to 10, characterised in that there is provided a voltage-controlled low pass-high pass filter with an adjustable cut-off frequency (fg), to which a control voltage may be supplied in order to change its transmission characteristics.
  12. A device according to one of claims 2 to 11, characterised in that there is provided a device controlled by the microprocessor (18') for generating the control voltages to be supplied to the particular circuit elements for the purpose of parameter determination, comprising an address- and a data register (43, 40), a digital-/analogue converter (41) connected in series and a multiplexer (44) controlled by the address register (43), which supplies the particular output control voltage to sample-and-hold circuits (45) assigned to each electrical circuit element.
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