EP2373054B1 - Wiedergabe in einem beweglichen Zielbeschallungsbereich mittels virtueller Lautsprecher - Google Patents

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EP2373054B1
EP2373054B1 EP10155873.2A EP10155873A EP2373054B1 EP 2373054 B1 EP2373054 B1 EP 2373054B1 EP 10155873 A EP10155873 A EP 10155873A EP 2373054 B1 EP2373054 B1 EP 2373054B1
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EP
European Patent Office
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sound
focused
sound sources
control signals
area
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EP10155873.2A
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EP2373054A1 (de
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Sascha Spors
Jens Ahrens
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Deutsche Telekom AG
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Deutsche Telekom AG
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Publication date
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    • H04S2420/13—Application of wave-field synthesis in stereophonic audio systems

Definitions

  • the present invention relates to the reproduction of a sound field in a limited area using multiple speakers.
  • stereophonic techniques For generating a spatial sound impression stereophonic techniques can be used. These techniques use two or more loudspeakers to produce a spatial sound impression in natural hearing through level differences and / or differences in propagation time. However, the desired spatial hearing impression arises only within a limited range, the so-called "sweet spot" within the speaker assembly. Furthermore, there are various approaches to tracking or enlargement of the sweet spot in stereophonic playback, as for example in the DE-A-10 125 229 , or the DE-A-10 2005 052 904 are described. In stereo, however, a soundfield is not physically reconstructed, but creates an illusion that sounds very similar to the natural model, but has very different physical properties. Also, with the stereophonic only the impression of a sound source can be taught that has at least the distance to the nearest speakers.
  • the technique of wave field synthesis can be used for the authentic physical reconstruction of a sound field over a wide range.
  • This technique uses a large number of loudspeakers, thereby avoiding the problem that in a sweet spot within the loudspeaker arrangement, the reconstruction of the desired sound field is significantly more accurate than in the rest of the listening area, as occurs, for example, in stereo technology
  • the loudspeaker drive signals for the individual Speakers are calculated analytically. In the practical implementation, however, there are large deviations from the desired sound field over the entire potential listening area.
  • the technique of wave field synthesis is, for example, in the publication of S. Spors, R. Rabenstein and J. Ahrens, "The Theory of Wave Field Synthesis Revisited", in: Proceedings of the 124th Convention of the Audio Engineering Society, May 17-20, Amsterdam, The Netherlands, 2008 described.
  • Wave field synthesis can also be used to generate so-called virtual focused sound sources. This is the physical re-synthesis of a sound source located between the listener and the speakers. Focused sound sources in wave field synthesis and their properties are described, for example, in the publication of S. Spors, H. Wierstorf, N. Geier, and J. Ahrens, "Physical and Perceptual Properties of Focused Sources in Wave Field Synthesis," which are convention papers of the 127th Convention of the Audio Engineering Society, New York, USA, 9 .-12. October 2009 , published.
  • Ambisonics Another known technique for reconstruction of a sound field is called Ambisonics and is for example in the WO 2005/0195954 A2 described.
  • This technique requires circular arrays of loudspeakers, with the loudspeaker signals typically being generated using numerical algorithms.
  • the limitation of the spatial bandwidth of the drive signals necessary in the calculation path causes the reconstruction of the desired sound field in the center of the loudspeaker arrangement to be most accurate. In the center of the loudspeaker arrangement is therefore a sweet spot. With increasing distance from the center of the loudspeaker arrangement, the deviations in the reconstructed sound field become larger.
  • J. Hannemann and KD Donohue "Virtual Sound Source Rendering Using a Multipole Expansion and Method-of-Moments Approach," J.
  • Audio Eng. Soc., Vol. 56, No. 6, June 2008 describes a method related to the Ambisonics method, which makes it possible to choose relatively freely the arrangement of the loudspeakers and the location of the sweet spot. Again, the loudspeaker signals are calculated using numerical and thus very computationally intensive algorithms.
  • the DE 10 2007 032 272 A1 describes a method of simulating headphone reproduction through multiple focused sound sources, wherein in the virtual headset presentation, tolerance to head position changes is enhanced by focusing on the geometrical relationships between speakers, depending on the detected position and orientation of the head Sound sources and ears of the listener in all six degrees of freedom is dynamically calculated.
  • the loudspeaker arrangement for the reconstruction of the sound field should be freely selectable and the desired display area should be freely selectable within or in front of the loudspeaker arrangement.
  • the present invention provides a method and an apparatus for reproducing a sound field in a target sound area by means of a plurality of electroacoustic transducers. It is a basic idea of the present invention to use focused sources as virtual sound sources for the reproduction in the spatially limited target sound area.
  • the focused sources are generated by the electroacoustic transducers.
  • the control of the virtual sound sources is performed according to real speakers in the appropriate position to physically reconstruct a desired sound field within the target sound area, wherein the driving signals for the focused sound sources by wave field synthesis, an Ambisonics or a higher order Ambisonics method are determined.
  • control signals for the virtual focused sound sources are determined, which are arranged on a contour around the target PA range.
  • drive signals are determined for the actually arranged electro-acoustic transducers, by which the virtual sources and the output signals desired by them are generated. These drive signals are supplied to the electroacoustic transducers.
  • the virtual sound sources are closer to the target sound area and / or spatially denser than the electroacoustic transducers. Thereby, the accuracy of the reproduction within the target sounding area can be increased.
  • the result is a sweet spot, so a limited target sound area with improved playback properties.
  • a physical reconstruction of a sound field in a limited area is achieved by means of several loudspeakers or electroacoustic transducers. This can be done by means of a closed, preferably convex arrangement of the electroacoustic transducer. However, it is also a non-closed, for example, linear arrangement of the electro-acoustic transducer possible. Furthermore, the desired display area can be placed dynamically and freely within or in front of the loudspeaker arrangement and thus, for example, adapted dynamically to a listener position.
  • the calculation of the control of the virtual sound sources and the actually existing electroacoustic transducer can be done by various methods, in a particularly efficient manner, for example, with the wave field synthesis.
  • the invention can be advantageously applied to sonicating a moving listener or to sonicating a listener at a fixed position with electro-acoustic transducers disposed on the walls of a room. It is also possible to sonicate several listeners by generating focused sound sources that are arranged on contours surrounding several target PA areas. For this it may be necessary to compensate for the influence of the virtual sound sources among each other.
  • a device for reproducing a sound field in a target PA 3 is shown, with which the inventive method can be technically realized.
  • the electroacoustic transducers 16 are located on a contour 15, which in the in Fig. 1 embodiment shown encloses the potential target PA 3.
  • a closed arrangement is not absolutely necessary;
  • the electroacoustic transducers 16 convert the input electrical signals into sound signals.
  • virtual secondary sources (virtual loudspeakers) 14 are generated by the electroacoustic transducers 16, which in turn are arranged on a contour 13 which surrounds the target sound area 3.
  • These virtual loudspeakers 14 are generated as focused sound sources and driven according to real speakers at their position to produce the desired sound field corresponding to a desired virtual sound source 1 within the area 3.
  • the focused sound sources 14 are preferably arranged spatially denser than the electroacoustic transducers 16, since thereby the accuracy of the reproduction within the sounding area 3 is higher and in this way a "sweet spot" with improved reproduction properties arises.
  • the loudspeaker drive signals 12 for generating the focused sound sources 14 on the contour 13 are generated in a signal processing unit 4.
  • the positions 6 and the orientations 7 of the sound sources 14 are generally required.
  • a signal processing unit 5 is provided, which calculates the drive signals 11 for the virtual loudspeakers 14 within the target sonication area 3.
  • the positions 8 and 9 alignments of the virtual speakers 14 are needed.
  • the method according to the present invention is independent of the method used for resynthesis of the sound field within the target sounding area 3 and regardless of the method used to generate the virtual loudspeakers 14 by the electroacoustic transducers 16 by means of acoustic focusing.
  • the methods of wave field synthesis or ambisonics are suitable for this and can be selected independently of one another according to the requirements.
  • a particularly efficient implementation of the method according to the invention results from the use of wave field synthesis.
  • the signal processing units 4 and 5 can be realized as follows.
  • the driving signals of the virtual focused sound sources 14 corresponding to the positions of the electroacoustic transducers 16 and the virtual speakers 14 are generated.
  • the required electroacoustic transducers 16 are initially selected according to the position of the focused sound sources 14 and their emission direction.
  • a method can be used, as is known from the document of S. Spors, "Extension of Analytical Secondary Source Criterion for Wave Field Synthesis", in: 123rd Audio Engineering Society (AES) Convention, New York, USA, October 2007 is described.
  • the wavefronts converge towards the focal point, ie the position of the focused sound source, and diverge behind it like a point source at the focal point.
  • the direction of the wavefronts is equal to that of a point source in the focal point only in a half-space.
  • This half-space can be controlled according to the invention by appropriate methods, in the wave field synthesis, this is done for example by the selection of the active electroacoustic transducer.
  • the selected active electroacoustic transducer can then, for example, according to the focus operator, as in the thesis of E. Verheijen, "Sound Reproduction by Wave Field Synthesis", Delft University of Technology, 1997 , the input signals of the signal processing unit 4 are weighted and time-delayed.
  • Fig. 2 is shown schematically the arrangement and structure of the signal processing units, with which the electro-acoustic transducer 16 can be controlled.
  • the loudspeaker signals can be obtained by prefiltering in prefilter 18, weighting and delaying the signal from virtual source 10.
  • the output signals of the signal processing unit 5 thus arise by time delay and weighting of the source signal according to the theory of wave field synthesis (see the above-mentioned thesis by E. Verheijen) for the reproduction of virtual point sources and plane waves or other complex sound fields.
  • the signal processing unit 4 it is also possible to proceed for the focused sources in wave field synthesis, but here the delays are negative and the pre-filter 17 has a different characteristic.
  • the efficiency of realization by wave field synthesis lies in the fact that delays and weights of an input signal can be converted very efficiently. Furthermore, the necessary time delays and weights can be obtained by simple formulas from the geometry and the desired source. However, the use of other methods is also possible. Thus, the focused sound sources can be realized not only by the wave field synthesis, but it is also the use of higher order Ambisonics possible, as well as by AJ Berkhout, D. de Vries and P. Vogel, "Acoustic control by wave field synthesis", Journal of the Acoustical Society of America, Volume 93 (5): 2764-2778, May 1993 , is described. Furthermore, a Spectral Division Method (see the above-mentioned publication by S. Spors, R. Rabenstein and J. Ahrens) or the application of modified time reversal focusing approaches is also conceivable.
  • the control of the focused sound sources in addition to the above-described wave field synthesis, which may be model- or data-based, also be done by time and amplitude delay techniques, such as stereophony or VBAP, by Higher-order Ambisonics, a Spectral Division method, for example according to the doctoral thesis of J. Daniel, "Representation of champs acoustics, application à la transmission and reproduction of scenes sonores complexes dans un contexte multimedia", Universite Paris 6, 2001 , or numerical (least-squares) approaches.
  • any combinations of the techniques for the realization and control of the virtual focused sound sources are conceivable.
  • FIGS. 3 to 5 Examples of the sound fields produced by various arrangements of electroacoustic transducers are disclosed in U.S. Pat FIGS. 3 to 5 shown.
  • Fig. 3 a circular listening area is surrounded by 56 electroacoustic transducers.
  • the aim is to reproduce a plane wave.
  • Such a plane wave reproduction is shown in (a) and (b) for a frequency of 1 kHz and 4 kHz, respectively. It can clearly be seen in (b) that artifacts occur due to spatial aliasing. These extend over almost the entire listening area.
  • FIGS. 3 (c) and (d) show the generation of a focused source by wave field synthesis, again for a frequency of 1 kHz and 4 kHz, respectively.
  • (d) shows that there is an area around the focused source that is almost free of artifacts. This can be exploited in the process according to the present invention.
  • Fig. 3 (e) shows the reproduction using the method according to the present invention.
  • Fig. 3 (e) It is shown that from the 56 electroacoustic transducers 56 are generated focused sources which are arranged circularly with a diameter of 40 cm around the center and which are driven for the reproduction of a 4 kHz level wave according to the method according to the invention. It is clear that resynthesis takes place without artifacts within the target sonication range.
  • Fig. 3 (f) the same scenario is shown, except that the target PA was moved here. Again, it is clear that resynthesis occurs without significant artifacts.
  • FIGS. 4 (a) and (b) shown Sound fields similar to those in Fig. 3 (e) and (f) are shown in FIGS. 4 (a) and (b) shown, except that instead of the circular arrangement of the electro-acoustic transducer, a rectangular arrangement is used. Such an arrangement is typically used in practical systems.
  • Fig. 4 (a) the reproduction of a plane wave with 4 kHz and a (circular) target PA in the middle
  • Fig. 4 (b) the situation in which the target PA is shifted. Again, it is shown that the resynthesis takes place without significant artifacts.
  • FIGS. 5 (a) and (b) considered a linear speaker assembly, as used in part in practical systems.
  • corresponding Fig. 3 and 4 also shows the Fig. 5 the reproduction of a plane wave with 4 kHz, wherein in (a) the target sound area is located in the middle.
  • Fig. 5 (b) is changed from (a) the angle of incidence of the plane wave in the target sound area.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Wiedergabe bzw. Rekonstruktion eines Schallfelds in einem begrenzten Bereich mithilfe mehrerer Lautsprecher.
  • Zur Erzeugung eines räumlichen Schalleindrucks können stereophonische Techniken eingesetzt werden. Bei diesen Techniken wird mithilfe von zwei oder mehr Lautsprechern durch Pegeldifferenzen und/oder Laufzeitdifferenzen ein räumlicher Schalleindruck beim natürlichen Hören erzeugt. Der gewünschte räumliche Höreindruck entsteht dabei jedoch nur innerhalb eines begrenzten Bereichs, dem sogenannten "Sweet Spot", innerhalb der Lautsprecheranordnung. Weiterhin gibt es verschiedene Ansätze zur Nachführung bzw. Vergrößerung des Sweet Spot bei stereophonischer Wiedergabe, wie sie beispielsweise in der DE-A-10 125 229 , oder der DE-A-10 2005 052 904 beschrieben sind. Bei Stereoverfahren wird ein Schallfeld allerdings nicht physikalisch rekonstruiert, sondern es wird eine Illusion erzeugt, die sich dem natürlichen Vorbild sehr ähnlich anhört, jedoch ganz andere physikalische Eigenschaften hat. Auch kann mit der Stereophonie nur der Eindruck einer Schallquelle vermittelt werden, die mindestens den Abstand zu den nächstgelegenen Lautsprechern hat.
  • Zur authentischen physikalischen Rekonstruktion eines Schallfeldes über einen ausgedehnten Bereich kann die Technik der Wellenfeldsynthese verwendet werden. Diese Technik verwendet eine große Anzahl von Lautsprechern und vermeidet dadurch das Problem, dass in einem Sweet Spot innerhalb der Lautsprecheranordnung die Rekonstruktion des gewünschten Schallfeldes signifikant genauer ist als im Rest des Hörbereichs, wie es beispielsweise bei der Stereo-Technik auftritt Die Lautsprecheransteuerungssignale für die einzelnen Lautsprecher werden analytisch berechnet. In der praktischen Realisierung kommt es jedoch zu großen Abweichungen vom gewünschten Schallfeld über den gesamten potenziellen Hörbereich. Die Technik der Wellenfeldsynthese ist beispielsweise in der Veröffentlichung von S. Spors, R. Rabenstein und J. Ahrens, "The Theory of Wave Field Synthesis Revisited", in: Proceedings of the 124th Convention of the Audio Engineering Society, May 17-20, Amsterdam, The Netherlands, 2008 beschrieben.
  • Mittels der Wellenfeldsynthese kann auch eine Erzeugung sogenannter virtueller fokussierter Schallquellen erreicht werden. Darunter versteht man die physikalische Re-Synthese einer Schallquelle, die sich zwischen dem Zuhörer und den Lautsprechern befindet. Fokussierte Schallquellen in der Wellenfeldsynthese und deren Eigenschaften sind beispielsweise in der Veröffentlichung von S. Spors, H. Wierstorf, N. Geier und J. Ahrens, "Physical and Perceptual Properties of Focused Sources in Wave Field Synthesis" beschrieben, die als Convention Paper der 127. Convention der Audio Engineering Society, New York, USA, 9.-12. Oktober 2009, veröffentlicht ist.
  • Eine andere bekannte Technik zur Rekonstruktion eines Schallfeldes wird mit Ambisonics bezeichnet und ist beispielsweise in der WO 2005/0195954 A2 beschrieben. Diese Technik erfordert kreisförmige bzw. kugelförmige Anordnungen von Lautsprechern, wobei die Lautsprechersignale typischerweise mithilfe von numerischen Algorithmen generiert werden. Die im Rechenweg notwendige Beschränkung der räumlichen Bandbreite der Ansteuerungssignale bewirkt, dass die Rekonstruktion des gewünschten Schallfeldes im Zentrum der Lautsprecheranordnung am genauesten ist. Im Zentrum der Lautsprecheranordnung befindet sich daher ein Sweet Spot. Mit zunehmendem Abstand vom Zentrum der Lautsprecheranordnung werden die Abweichungen im rekonstruierten Schallfeld größer. In der Veröffentlichung von J. Hannemann und K. D. Donohue, "Virtual Sound Source Rendering Using a Multipole-Expansion and Method-of-Moments Approach", J. Audio Eng. Soc., Bd. 56, Nr. 6, Juni 2008, wird ein dem Ambisonics-Verfahren verwandtes Verfahren beschrieben, das es ermöglicht, die Anordnung der Lautsprecher und den Ort des Sweet Spot relativ frei zu wählen. Auch hier werden die Lautsprechersignale mit numerischen und somit sehr rechenintensiven Algorithmen berechnet.
  • Mit Erweiterungen von Ambisonics, beispielsweise der als Higher Order Ambisonics bezeichneten Technik, kann in Verbindung mit einer analytischen Berechnung der Lautsprecheransteuerungssignale ein effizienteres Verfahren bereitgestellt werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der Veröffentlichung von J. Ahrens und S. Spors, "Analytical driving functions for higher order Ambisonics", in: IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Las Vegas, Nevada, 30. März bis 4. April 2008 beschrieben. Auch gemäß dem dort beschriebenen Verfahren stimmt jedoch das resultierende wiedergegebene Schallfeld umso schlechter mit dem gewünschten Schallfeld überein, je höher die Frequenz ist und je weiter man sich vom Zentrum der Anordnung entfernt. Es existiert also wiederum ein Sweet Spot im Zentrum der Lautsprecheranordnung.
  • Die DE 10 2007 032 272 A1 beschreibt ein Verfahren zur Simulation einer Kopfhörerwiedergabe durch mehrere fokussierte Schallquellen, wobei bei der Darstellung des virtuellen Kopfhörers die Toleranz gegenüber Positionsänderungen des Kopfes dadurch erweitert wird, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Position und Ausrichtung des Kopfes ein Datensatz über die geometrischen Beziehungen zwischen Lautsprechern, fokussierten Schallquellen und Ohren des Hörers in allen sechs Freiheitsgraden dynamisch berechnet wird.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten physikalischen Rekonstruktion eines Schallfelds in einem begrenzten Bereich mithilfe von mehreren Lautsprechern bereitzustellen, wobei der begrenzte Wiedergabebereich dynamisch und frei platziert bzw. dynamisch verschoben werden kann. Die Lautsprecheranordnung zur Rekonstruktion des Schallfelds soll frei wählbar sein und der gewünschte Wiedergabebereich soll frei innerhalb bzw. vor der Lautsprecheranordnung ausgewählt werden können.
  • Der Gegenstand der Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 8 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Mit der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wiedergabe eines Schallfelds in einem Zielbeschallungsbereich mittels mehrerer elektroakustischer Wandler bereitgestellt. Es ist eine Grundidee der vorliegenden Erfindung, fokussierte Quellen als virtuelle Schallquellen für die Wiedergabe in dem räumlich begrenzten Zielbeschallungsbereich zu nutzen. Die fokussierten Quellen werden hierbei durch die elektroakustischen Wandler erzeugt. Die Ansteuerung der virtuellen Schallquellen erfolgt entsprechend realer Lautsprecher an der entsprechenden Position, um ein gewünschtes Schallfeld innerhalb des Zielbeschallungsbereichs physikalisch zu rekonstruieren, wobei die Ansteuerungssignale für die fokussierten Schallquellen durch Wellenfeldsynthese, ein Ambisonics- oder ein Higher-Order-Ambisonics-Verfahren bestimmt werden. So werden zum Einen Ansteuerungssignale für die virtuellen fokussierten Schallquellen bestimmt, die auf einer Kontur um den Zielbeschallungsbereich angeordnet sind. Weiterhin werden Ansteuerungssignale für die tatsächlich angeordneten elektroakustischen Wandler bestimmt, durch die die virtuellen Quellen und die von diesen erwünschten Ausgangssignale erzeugt werden. Diese Ansteuerungssignale werden den elektroakustischen Wandlern zugeführt.
  • Zur Resynthese des Schallfelds innerhalb des Zielbeschallungsbereichs und zur Erzeugung der virtuellen Schallquellen durch die elektroakustischen Wandler mittels akustischer Fokussierung können bekannte Verfahren eingesetzt werden. Insbesondere können die Verfahren der Wellenfeldsynthese oder Ambisonics unabhängig voneinander entsprechend den Anforderungen gewählt werden. Die Verwendung der Wellenfeldsynthese ist jedoch bevorzugt.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, die virtuellen Schallquellen näher am Zielbeschallungsbereich und/oder räumlich dichter anzuordnen als die elektroakustischen Wandler. Dadurch kann die Genauigkeit der Wiedergabe innerhalb des Zielbeschallungsbereichs erhöht werden. So entsteht ein Sweet Spot, also ein begrenzter Zielbeschallungsbereich mit verbesserten Wiedergabeeigenschaften. Durch zeitliches Verschieben der virtuellen Schallquellen kann dieser Sweet Spot, also der begrenzte Zielbeschallungsbereich, dynamisch nachgeführt werden, z.B. einem Zuhörer folgend, der sich bewegt.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird eine physikalische Rekonstruktion eines Schallfelds in einem begrenzten Bereich mithilfe mehrerer Lautsprecher bzw. elektroakustischer Wandler erreicht. Dies kann mittels einer geschlossenen, vorzugsweise konvexen Anordnung der elektroakustischen Wandler geschehen. Es ist jedoch auch eine nicht geschlossene, beispielsweise lineare Anordnung der elektroakustischen Wandler möglich. Weiterhin kann der gewünschte Wiedergabebereich dynamisch und frei innerhalb bzw. vor der Lautsprecheranordnung platziert werden und so beispielsweise dynamisch an eine Hörerposition angepasst werden. Die Berechnung der Ansteuerung der virtuellen Schallquellen und der tatsächlich vorhandenen elektroakustischen Wandler kann durch verschiedene Verfahren geschehen, in besonders effizienter Weise beispielsweise mit der Wellenfeldsynthese.
  • Die Erfindung kann vorteilhaft zur Beschallung eines sich bewegenden Zuhörers oder zur Beschallung eines Zuhörers an einer festen Position mit elektroakustischen Wandlern, die an den Wänden eines Raums angeordnet sind, angewendet werden. Auch ist eine Beschallung mehrerer Zuhörer möglich, indem fokussierte Schallquellen erzeugt werden, die auf mehreren Zielbeschallungsbereichen umgebenen Konturen angeordnet sind. Dazu ist es unter Umständen nötig den Einfluss der virtuellen Schallquellen untereinander zu kompensieren.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben, wobei
    • Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wiedergabe eines Schallfelds zeigt,
    • Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung der Ansteuerungssignale für die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt,
    • Fig. 3(a) bis (f) durch eine kreisförmige Lautsprecheranordnung erzeugte Schallfelder,
    • Fig. 4(a) und (b) durch eine rechteckige Lautsprecheranordnung erzeugte Schallfelder und
    • Fig. 5(a) und (b) durch eine lineare Lautsprecheranordnung erzeugte Schallfelder zeigen.
  • In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Wiedergabe eines Schallfelds in einem Zielbeschallungsbereich 3 gezeigt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren technisch realisiert werden kann. Die elektroakustischen Wandler 16 befinden sich auf einer Kontur 15, die in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform den potentiellen Zielbeschallungsbereich 3 umschließt. Eine solche geschlossene Anordnung ist jedoch nicht zwingend notwendig; es ist beispielsweise auch eine lineare Anordnung der elektroakustischen Wandler möglich. Die elektroakustischen Wandler 16 wandeln die eingespeisten elektrischen Signale in Schallsignale um. Durch die den elektroakustischen Wandlern 16 zugeführten Signale werden durch die elektroakustischen Wandler 16 virtuelle Sekundärquellen (virtuelle Lautsprecher) 14 erzeugt, die wiederum auf einer Kontur 13 angeordnet sind, die den Zielbeschallungsbereich 3 umgibt. Diese virtuellen Lautsprecher 14 werden als fokussierte Schallquellen erzeugt und entsprechend realer Lautsprecher an deren Position angesteuert, um das gewünschte Schallfeld entsprechend einer gewünschten virtuellen Schallquelle 1 innerhalb des Bereichs 3 zu erzeugen.
  • Die fokussierten Schallquellen 14 werden vorzugsweise räumlich dichter angeordnet als die elektroakustischen Wandler 16, da dadurch die Genauigkeit der Wiedergabe innerhalb des Beschallungsbereichs 3 höher ist und auf diese Weise ein "Sweet Spot" mit verbesserten Wiedergabeeigenschaften entsteht.
  • Die Lautsprecheransteuerungssignale 12 zum Erzeugen der fokussierten Schallquellen 14 auf der Kontur 13 werden in einer Signalverarbeitungseinheit 4 erzeugt. Hierfür werden im Allgemeinen die Positionen 6 und die Ausrichtungen 7 der Schallquellen 14 benötigt. Weiterhin ist eine Signalverarbeitungseinheit 5 vorgesehen, die die Ansteuerungssignale 11 für die virtuellen Lautsprecher 14 innerhalb des Zielbeschallungsbereichs 3 berechnet. Hierzu werden wiederum im Allgemeinen die Positionen 8 und Ausrichtungen 9 der virtuellen Lautsprecher 14 benötigt.
  • Prinzipiell ist das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unabhängig vom verwendeten Verfahren zur Resynthese des Schallfelds innerhalb des Zielbeschallungsbereichs 3 und unabhängig vom verwendeten Verfahren zur Erzeugung der virtuellen Lautsprecher 14 durch die elektroakustischen Wandler 16 mittels akustischer Fokussierung. Insbesondere sind die Verfahren der Wellenfeldsynthese oder Ambisonics hierfür geeignet und können unabhängig voneinander entsprechend den Anforderungen gewählt werden. Eine besonders effiziente Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich bei der Verwendung der Wellenfeldsynthese.
  • Bei Anwendung der Wellenfeldsynthese können die Signalverarbeitungseinheiten 4 und 5 folgendermaßen realisiert werden.
  • In der Signalverarbeitungseinheit 4 werden die Ansteuerungssignale der virtuellen fokussierten Schallquellen 14 entsprechend der Positionen der elektroakustischen Wandler 16 und der virtuellen Lautsprecher 14 erzeugt. Hierzu werden zunächst die benötigten elektroakustischen Wandler 16 entsprechend der Position der fokussierten Schallquellen 14 und deren Abstrahlrichtung ausgewählt. Für die Auswahl der elektroakustischen Wandler 16 kann beispielsweise ein Verfahren benutzt werden, wie es aus der Dokument von S. Spors, "Extension of an Analytic Secondary Source Selection Criterion for Wave Field Synthesis", in: 123. Convention der Audio Engineering Society (AES), New York, USA, Oktober 2007 beschrieben wird. Eine wichtige Eigenschaft einer fokussierten Quelle ist, dass die Wellenfronten vor dem Fokuspunkt, also der Position der fokussierten Schallquelle, zu diesem hin konvergieren und dahinter wie eine Punktquelle am Fokuspunkt divergieren. Damit ist die Laufrichtung der Wellenfronten nur in einem Halbraum gleich der einer Punktquelle im Fokuspunkt. Dieser Halbraum kann gemäß der Erfindung durch entsprechende Verfahren gesteuert werden, bei der Wellenfeldsynthese geschieht dies beispielsweise durch die Auswahl der aktiven elektroakustischen Wandler. Für die ausgewählten aktiven elektroakustischen Wandler kann dann beispielsweise entsprechend des Fokusoperators, wie er in der Doktorarbeit von E. Verheijen, "Sound Reproduction by Wave Field Synthesis", Delft University of Technology, 1997, beschrieben ist, die Eingangssignale der Signalverarbeitungseinheit 4 gewichtet und zeitverzögert werden.
  • In Fig. 2 ist schematisch die Anordnung und der Aufbau der Signalverarbeitungseinheiten gezeigt, mit denen die elektroakustischen Wandler 16 angesteuert werden können. Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform können unter Verwendung der modelbasierten Wellenfeldsynthese die Lautsprechersignale durch Vorfilterung im Vorfilter 18, Gewichtung und Verzögerung des Signals von der virtuellen Quelle 10 gewonnen werden. Die Ausgangssignale der Signalverarbeitungseinheit 5 entstehen also durch Zeitverzögerung und Gewichtung des Quellensignals entsprechend der Theorie der Wellenfeldsynthese (siehe die oben genannte Doktorarbeit von E. Verheijen) für die Wiedergabe von virtuellen Punktquellen und ebenen Wellen oder anderer komplexer Schallfelder. In der Signalverarbeitungseinheit 4 kann für die fokussierten Quellen bei der Wellenfeldsynthese ebenso verfahren werden, wobei jedoch hier die Verzögerungen negativ sind und der Vorfilter 17 eine andere Charakteristik aufweist.
  • Es ist weiterhin möglich, Vorfilterungen, Gewichtungen und Verzögerungen auch in einer einzigen Signalverarbeitungseinheit zusammenzufassen bzw. zu kombinieren. Das Signal eines spezifischen elektroakustischen Wandlers entsteht dann durch eine kombinierte Vorfilterung und mehrfache Gewichtung/Verzögerung des Signals 10 der virtuellen Quelle 10.
  • Die Effizienz der Realisierung mittels Wellenfeldsynthese liegt darin, dass Verzögerungen und Gewichtungen eines Eingangssignals sehr effizient umgesetzt werden können. Weiterhin können die notwendigen Zeitverzögerungen und Gewichtungen mittels einfacher Formeln aus der Geometrie und der gewünschten Quelle gewonnen werden. Hierbei ist jedoch auch die Verwendung von anderen Verfahren möglich. So können die fokussierten Schallquellen nicht nur durch die Wellenfeldsynthese realisiert werden, sondern es ist auch die Verwendung von Higher-Order Ambisonics möglich, wie sie auch von A.J. Berkhout, D. de Vries und P. Vogel, "Acoustic control by wave field synthesis", Journal of the Acoustical Society of America, Volume 93(5): 2764-2778, Mai 1993, beschrieben wird. Weiterhin ist auch eine Spectral Division Method (siehe die oben genannte Veröffentlichung von S. Spors, R. Rabenstein und J. Ahrens) oder die Anwendung von modifizierten "time reversal focusing"-Ansätzen denkbar.
  • Die Ansteuerung der fokussierten Schallquellen kann, neben der oben dargestellten Wellenfeldsynthese, die model- oder datenbasiert sein kann, auch durch Time- und Amplitude Delay-Techniken erfolgen, wie Stereophonie oder VBAP, durch Higher-Order Ambisonics, einer Spectral Division-Methode, beispielsweise gemäß der Doktorarbeit von J. Daniel, "Representation de champs acoustiques, application à la transmission et à la reproduction de scenes sonores complexes dans un contexte multimedia", Universite Paris 6, 2001, oder numerische (Least-Squares)-Ansätze erfolgen. Hierbei sind auch beliebige Kombinationen der Techniken für die Realisation und Ansteuerung der virtuellen fokussierten Schallquellen denkbar.
  • Beispiele für die Schallfelder, die durch verschiedene Anordnungen von elektroakustischen Wandlern erzeugt werden, sind in den Figuren 3 bis 5 gezeigt. In Fig. 3 ist ein kreisförmiger Hörbereich von 56 elektroakustischen Wandlern umgeben. Es wird die Wiedergabe einer ebenen Welle angestrebt. Eine solche Wiedergabe einer ebenen Welle ist in (a) und (b) für eine Frequenz von 1 kHz bzw. 4 kHz gezeigt. Hierbei ist in (b) deutlich zu sehen, dass Artefakte aufgrund der räumlichen Abtastung (spatial aliasing) auftreten. Diese erstrecken sich über nahezu den gesamten Hörbereich.
  • Figuren 3(c) und (d) zeigen die Erzeugung einer fokussierten Quelle mittels Wellenfeldsynthese, wiederum für eine Frequenz von 1 kHz bzw. 4 kHz. In (d) zeigt sich, dass es einen Bereich um die fokussierte Quelle gibt, der nahezu frei von Artefakten ist. Dies kann im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgenutzt werden. Fig. 3(e) zeigt die Wiedergabe unter Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 3(e) wird gezeigt, dass aus den 56 elektroakustischen Wandlern 56 fokussierte Quellen erzeugt werden, die kreisförmig mit einem Durchmesser von 40 cm um das Zentrum angeordnet sind und die für die Wiedergabe einer ebenen Welle mit 4 kHz entsprechend dem Verfahren gemäß der Erfindung angesteuert werden. Es ist klar ersichtlich, dass innerhalb des Zielbeschallungsbereichs eine Resynthese ohne Artefakte erfolgt. In Fig. 3(f) ist das gleiche Szenario gezeigt, nur wurde hier der Zielbeschallungsbereich verschoben. Auch hier ist klar zu sehen, dass die Resynthese ohne wesentliche Artefakte erfolgt.
  • Schallfelder ähnlich denen, die in Fig. 3(e) und (f) gezeigt sind, sind in Figuren 4(a) und (b) gezeigt, nur dass hier statt der kreisförmigen Anordnung der elektroakustischen Wandler eine rechteckige Anordnung verwendet wird. Eine solche Anordnung wird typischerweise bei praktischen Systemen benutzt. Wiederum zeigt Fig. 4(a) die Wiedergabe einer ebenen Welle mit 4 kHz und einem (kreisförmigen) Zielbeschallungsbereich in der Mitte, Fig. 4(b) die Situation, in der der Zielbeschallungsbereich verschoben ist. auch hier ist gezeigt, dass die Resynthese ohne wesentliche Artefakte erfolgt.
  • Schließlich wird gemäß den Figuren 5(a) und (b) eine lineare Lautsprecheranordnung betrachtet, wie dies zum Teil bei praktischen Systemen genutzt wird. entsprechend Fig. 3 und 4 zeigt auch die Fig. 5 die Wiedergabe einer ebenen Welle mit 4 kHz, wobei in (a) der Zielbeschallungsbereich in der Mitte angeordnet ist. In Fig. 5(b) ist gegenüber (a) der Einfallswinkel der ebenen Welle im Zielbeschallungsbereich geändert. Auch hier ist deutlich zu sehen, dass die Resynthese ohne Artefakte erfolgt.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Wiedergabe eines Schallfelds in einem Zielbeschallungsbereich (3) mittels mehrerer elektroakustischer Wandler (16), mit den Schritten:
    - Bestimmen von Ansteuerungssignalen (11) für mehrere virtuelle, auf einer den Zielbeschallungsbereich (3) umgebenden Kontur (13) angeordnete fokussierte Schallquellen (14) zur Wiedergabe des Schallfelds im Zielbeschallungsbereich (3), so dass im Zielbeschallungsbereich (3) das Schallfeld physikalisch rekonstruiert wird, wobei die Ansteuerungssignale (11) für die fokussierten Schallquellen (14) durch Wellenfeldsynthese, ein Ambisonics- oder ein Higher-Order-Ambisonics-Verfahren bestimmt werden;
    - Bestimmen von Ansteuerungssignalen (12) für die elektroakustischen Wandler (16) zum Erzeugen der fokussierten Schallquellen (14) und zum Ansteuern der fokussierten Schallquellen (14) mit den Ansteuerungssignalen (11) für die fokussierten Schallquellen (14);
    - Zuführen der Ansteuerungssignale (12) an die elektroakustischen Wandler (16).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ansteuerungssignale (11) für die fokussierten Schallquellen (14) auf der Basis der Positionen und/oder der Ausrichtungen der fokussierten Schallquellen (14) bestimmt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ansteuerungssignale (12) für die elektroakustischen Wandler (16) zur Erzeugung der fokussierten Schallquellen (14) auf der Basis der Positionen und/oder der Ausrichtungen der elektroakustischen Wandler (16) und/oder der fokussierten Schallquellen (14) bestimmt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerungssignale für die elektroakustischen Wandler (16) zur Erzeugung der fokussierten Schallquellen (14) durch Wellenfeldsynthese, ein Ambisonics- oder Higher-Order-Ambisonics-Verfahren, ein Spectral-Division-Verfahren oder einen modifizierten "time-reversal focusing"-Ansatz bestimmt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die fokussierten Schallquellen (14) näher am Zielbeschallungsbereich (3) und/oder räumlich dichter als die elektroakustischen Wandler (16) angeordnet sind.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Position des Zielbeschallungsbereichs (3) durch zeitliches Verändern der Positionen der fokussierten Schallquellen (14) zeitlich verändert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Ansteuerungssignale (11) für fokussierte Schallquellen (14) bestimmt werden, die auf mehrere Zielbeschallungsbereiche (3) umgebenden Konturen (13) angeordnet sind, so dass das Schallfeld in den mehreren Zielbeschallungsbereichen (3) wiedergegeben wird.
  8. Vorrichtung zur Wiedergabe eines Schallfelds in einem Zielbeschallungsbereich (3) insbesondere durch ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit mehreren elektroakustischen Wandlern (16),
    einer ersten Signalverarbeitungseinheit (5) zum Bestimmen von Ansteuerungssignalen (11) für mehrere virtuelle, auf einer den Zielbeschallungsbereich (3) umgebenden Kontur (13) angeordnete fokussierte Schallquellen (14) zur Wiedergabe des Schallfelds im Zielbeschallungsbereich (3), so dass im Zielbeschallungsbereich (3) das Schallfeld physikalisch rekonstruiert wird, wobei die Ansteuerungssignale (11) für die fokussierten Schallquellen (14) durch Wellenfeldsynthese, ein Ambisonics- oder ein Higher-Order-Ambisonics-Verfahren bestimmt werden, und
    einer zweiten Signalverarbeitungseinheit (4) zum Bestimmen von Ansteuerungssignalen (12) für die elektroakustischen Wandler (16) zum Erzeugen der fokussierten Schallquellen (14) und zum Ansteuern der fokussierten Schallquellen (14) mit den Ansteuerungssignalen (11) für die fokussierten Schallquellen (14).
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die elektroakustischen Wandler (16) auf einer den Zielbeschallungsbereich (3) umgebenden Kontur (15), insbesondere einem Kreis oder einem Rechteck, angeordnet sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die elektroakustischen Wandler (16) auf einer offenen Kontur, insbesondere eine Linie, angeordnet sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei die fokussierten Schallquellen (14) näher am Zielbeschallungsbereich (3) und/oder räumlich dichter als die elektroakustischen Wandler (16) angeordnet sind.
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