AT394650B

AT394650B - Elektroakustische anordnung zur wiedergabe stereophoner binauraler audiosignale ueber kopfhoerer

Info

Publication number: AT394650B
Application number: AT0263588A
Authority: AT
Inventors: Werner Dipl Ing Fidi
Original assignee: Akg Akustische Kino Geraete
Priority date: 1988-10-24
Filing date: 1988-10-24
Publication date: 1992-05-25
Also published as: DE3934671A1; FR2638312A1; GB2224186A; JPH02165800A; FR2638312B1; GB2224186B; DE3934671C2; JP3217342B2; US5033086A; GB8923640D0; ATA263588A

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektroakustische Anordnung zur Wiedergabe stereophoner binauraler Audiosignale über Kopfhörer.

Bei vielen stereophonen Aufnahme- und Wiedergabeverfahren wird am Hörort die auditive Originaltreue des am Aufnahmeort voriierrschenden Hörereignisses angestrebt. Eines dieser Verfahren zur Wiedergabe einer Tonaufzeichnung und Vorrichtung zur Durchführung, womit eine als möglichst natürlich empfundene räumliche Schallwiedergabe zu erzielen ist, insbesondere über Kopfhörer als Wiedergabeeinrichtung, ist in der DE OS 31 12 874 beschrieben. Das Verfahren beruht darauf, daß die Tonaufnahme der Wiedergabevorrichtung über einen Nachhallerzeuger zugeführt wird, der innerhalb eines Zeitraumes von etwa 50 ms nach Eintreffen des Direktschallimpulses Nachhallreflexionen in solchen Zeitabständen vorzugsweise über 2 ms erzeugt, daß sie vom Hörer noch als schallstarke Einzelreflexionen wahrgenommen werden, wobei mindestens einige der Einzelreflexionen aus zwei von einem Direktschallimpuls aus einem Kanal des Tonträgers ausgelösten Impulsen bestehen, von denen der erste über den dem entsprechenden Tonträger-Kanal zugeordneten Kanal der Wiedergabevorrichtung abgegeben wird und der zweite etwas schwächer ist und mit etwa 0,2 ms bis 1 ms vorzugsweise 0,63 ms Zeitverzögerung gegenüber dem ersten Impuls über den anderen Kanal der Wiedergabevorrichtung abgegeben wird, wobei die Nachhallreflexionen tonfrequenzabhängig gedämpft sind.

Dieses Verfahren, das auch mit Echtzeitstereophonie bezeichnet wird, beruht auf der Einsicht, daß Schallfelder in ihrer ursprünglichen räumlichen Verteilung nicht ohne weiteres auf einen vom Aufnahmeraum abweichenden Hörraum übertragen werden können. Insbesondere bei Kopfhörerwiedergabe, bei der kein akustischer Hörraum mitwirkt, muß ein elektroakustisch nachgebildetes Schallfeld nach psychoakustischen Gesichtspunkten dargeboten werden. Das dazu verwendete Tonmaterial ist zumindest von seiner Aufnahme her räumlich definiert Somit läßt sich mit diesem Verfahren bei der Wiedergabe eine bemerkenswerte Räumlichkeit und ausgezeichnete Transparenz des Tongeschehens, vor allem aber des Musikgeschehens, herbeiführen, weil die wesentlichen Raumreflexionen im akustisch richtigen Zeitbereich mit anschließenden Nachhall nachgebildet werden. Das Problem der Fehllokalisierung der Hörereignisse wird jedoch durch dieses Verfahren nicht gelöst

Die GB-PS 2 122 459 befaßt sich mit den durch die interaurale Laufzeit zwischen linkem und rechtem Ohr hervorgerufenen Effekten, die besonders bei der stereophonen Tonwiedergabe über zwei Lautsprecher auftreten. Zwei Hilfslautsprecher, die mit dem aus beiden Stereokanälen gebildeten Diffeienzsignal versorgt werden, führen zusammen mit den Hauptlautsprechem zu einem realistischeren Raumklangeindruck, ohne den Standort der Aufnahmemikrophone berücksichtigen zu müssen. Dabei ist die genaue Distanz zwischen Haupt- und Hilfslautsprecher von Bedeutung für den Zuhörer. Diese Druckschrift hat ein auf Lautsprecher anzuwendendes Wiedergabeverfahren zum Inhalt während sich die Erfindung ausschließlich auf die Wiedergabe mittels Kopfhörer beschränkt Für die vorliegende Erfindung besteht nun die Aufgabenstellung darin, eine elektroakustische Anordnung zur Wiedergabe stereophoner binauraler Audiosignale anzugeben, für das am Hörort die auditive Originaltreue vorhanden ist vor allem aber die richtige Lokalisierung ganz bestimmter Schallquellen eindeutig möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die dargestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Audiosignale des linken Stereokanals Einrichtungen zugeführt werden, die für die linke Übertragungsseite die Audiosignale mit der Außenohrübertragungsfunktion des linken Ohres, die dem Winkelbereich zwischen 0° und 45° links der Medianebene entspricht, falten und die für die rechte Übertragungsseite die Audiosignale sowohl mit der Außenohr-übertragungsfunktion des rechten Ohres, die demselben Winkelbereich entspricht als auch zeitverzögert mit einer Zeitverzögerung, die deutlich außerhalb des für die Entstehung der Summenlokalisation erforderlichen Zeitintervalls einerseits aber noch vor dem hörbaren ersten Echo liegt d. h. zwischen 5 ms und 80 ms, mit der der Außenohrübertragungsfunktion des rechten Ohres, die dem gegenüberliegenden Winkelbereich, d. i. zwischen 135° und 180° rechts der Medianebene, entspricht, falten, und daß die Audiosignale des rechten Stereokanals ebenfalls Einrichtungen zugeführt werden, die in spiegelbildlicher Weise zur Medianebene für die rechte Übertragungsseite sinngemäß zur linken Seite das gleiche bewirken, wonach diese drei Signale in einem gemeinsamen linken und rechten Ausgang zusammengeführt sind, der gleichzeitig Eingang für einen Kopfhörer ist und daß für den Amplitudenfrequenzgang notwendige Entzerrungen ohne Einfluß auf die Zeitstrukturen zu den jeweils angewendeten Außenohrübertragungsfunktionen mit linearphasigen digitalen Filtern erfolgen.

Das Wesen der Erfindung ist darin zu sehen, daß innerhalb eines Hörraumes die Ortung bestimmter Schallquellen vor allem dadurch möglich ist, daß bei der Verarbeitung im Gehirn aller vom Ohr wahrgenommenen Schalleinzelereignisse diesem der ersten Reflexion von der Spiegelschallquelle eine besondere Bedeutung zukommt. Ganz allgemein wird das Richtungs- und Entfemungshören akustisch aufgrund der Außenohrübertragungsfunktion bestimmt. Stützend dazu benützt das Gehirn in der Funktion eines Computers zur endgültigen Festlegung von Richmng und Entfernung den optischen Eindruck über die Augen, als auch Dreh-, Nick- und Kippbewegungen des Kopfes, um damit die tatsächlichen raumakustischen Gegebenheiten zu erfassen. Dazu können gegebenenfalls auch bereits vorhandene Kennmisse über das Signal kommen. Damit alle diese Wahrnehmungen zueinander sinnvoll in Beziehung gesetzt werden, ist im Gehirn ein Langzeit- wie auch ein Kurzzeitspeicher erforderlich, wobei der Kurzzeitspeicher stets der immer wieder neu vorherrschenden aktuellen Situation angepaßt wird. Bei in sich widersprüchlichen Wahrnehmungen, beispielsweise wenn der optische Eindruck mit den räumlichen Gegebenheiten nicht zusammenpaßt, wird das Audiosignal hinten geortet. Das ist wohl auch aus einer gewissen Schutzfunktion für den Menschen plausibel. -2-

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Erfindungsgemäß wird eine normale für stereophone Lautsprecherwiedergabe vorhandene Tonaufnahme über Kopfhörer dann möglichst originalgetreu dargeboten, wenn neben den direkt ankommenden Audiosignalen der beiden Kanäle links und rechts auch die Raumreflexionen des Hörraumes, jedoch bewertet mit den richtungsabhängigen Außenohrübertragungsfunktionen, nachgebildet weiden. Die Integration der Außenohrübertragungs-5 funktion über alle Raumrichtungen ergibt einen angenähert ebenen Amplitudenfrequenzverlauf am Ohr. Eine solche komplexe Nachbildung ist aber praktisch unmöglich. Daher muß auf eine vereinfachte Konfiguration zurückgegriffen werden.

Aus einer Vielzahl von Abhörversuchen gelangte man schließlich zu dieser stark vereinfachten Konfiguration, die richtige und zielführende Ergebnisse sicherstellte. Dies bedeutet, daß jedem Ohr nur drei verschiedene 10 Audiosignale dargeboten werden brauchen, um ein naturgetreues Hörereignis zu garantieren.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht nun darin, daß die notwendige Entzerrung als inverse linearphasige Summenbildung der auf jede Übertragungsseite entfallenden Außenohrübertragungsfunktionen vorgenommen wird.

Damit die auditive Originaltreue gewährleistet ist, sind noch zwei Probleme besonders zu beachten: 15 1. die Entzerrung da* dargebotenen Audiosignale, und 2. die Beachtung gegebenenfalls individueller Unterschiede in den Außenohrübertragungsfunktionen verschiedener Personen. 20 Nachdem jedem Ohr lediglich nur drei Richtungen entsprechende Audiosignale angeboten werden, ergibt die Summe dieser Signale keinen ebenen Amplitudenfrequenzgang. Der in seinem Amplitudenverlauf sehr unterschiedliche Frequenzgang hat Klangverfärbungen zur Folge. Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß die pro Ohr entfallenden Außenohrübertragungsfunktionen aufsummiert werden und anschließend jede einzelne Außenohrübertragungsfunkdon mit der inversen linearphasigen Summen-Außenohrübertragungsfunktion multi-25 pliziert wird. Damit wird zweierlei erreicht: zum Ersten bleiben die Klangfarben erhalten, weil die Summe der Amplitudenfrequenzgänge eben ist, und zweitens bleiben die Phasenstrukturen und somit auch die Zeitstrukturen des Audiosignals unbeeinflußt, wodurch vor allem das Richtungshören im vorderen Winkelbereich von ± 60° (links und rechts der Medianebene) keinen Einfluß erfährt. Das Problem der individuellen Unterschiede zwischen den einzelnen Personen kann nicht völlig gelöst werden. Durch die linearphasige Entzerrung der Außenohr-30 Übertragungsfunktion werden zwar die individuellen Schwankungen der Amplitudenfrequenzgänge ausgeglichen, es bleiben aber die Unterschiede in den individuellen Phasenstrukturen erhalten. Damit bleibt nur die Wahl, die Außenohrübertragungsfunktionen einer möglichst guten "Durchschnittsperson" zu verwenden oder die von "verschiedenen Personen" anzubieten. Der letztlich verbleibende Unterschied zwischen der dm individuellen Hörverhalten am nächsten kommenden Wahlmöglichkeit ist nur noch mittels der individuellen Lernfähigkeit des 35 Hörenden auszugleichen. Die besten Hörergebnisse werden selbstverständlich mit den "eigenen Ohren", also mit den eigenen Außenohrübertragungsfunktionen erzielt. Im praktischen Hörversuch ließ sich feststellen, daß es den Versuchspersonen beim Hören mit "fremden Ohren" bei fixiertem Kopf trotzdem nicht mehr möglich war zu unterscheiden, ob die Audiosignale über Lautsprecher oder über Kopfhörer dargeboten wurden. Es traten bei der Lautsprecher- als auch bei der Kopfhörerdarbietung wohl Richtungsinversionen vome/hinten auf, in keinem Fall 40 jedoch die bekannte Im-Kopf-Lokalisation.

Ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht auch darin, daß die der rechten Übertragungsseite zugeordneten Audiosignale des linken Stereokanals, die mit der Außenohrübertragungsfunktion des rechten Ohres, die dem Winkelbereich zwischen 0° und 45° rechts der Medianebene entspricht, gefalten sind, ebenfalls eine Zeitverzögerung erfahren, die bis zu maximal 700 ps beträgt 45 Eine Zeitverzögerung der oben genannten Audiosignale wirkt sich stützend auf die interauralen Signalunterschiede aus und verstärkt somit die Gesamtwirkung der erfindungsgemäßen Anordnung, oder sie kann auch signalbezogen zur Regelung der Basisbreite verwendet werden.

Eine weitere Ausgestaltung da* Erfindung besteht schließlich noch darin, daß die der rechten Übertragungsseite zugeordneten Audiosignale des linken Stereokanals, die mit der Außenohrübertragungsfunktion des rechten Ohres, 50 die dem Winkelbereich zwischen 0° und 45° links der Medianebene entspricht, gefaltet sind, und die der linken Übertragungsseite zugeordneten Audiosignale des rechten Stereokanals, die mit der Außenohrübertragungsfunktion des linken Ohres, die dem Winkelbereich zwischen 0° und 45° rechts der Medianebene entspricht, gefaltet sind, innerhalb des genannten Zeitbereichs von maximal 700 ps wechselseitig paarweise ungleich verzögert angeboten werden. 55 Die Ungleichheit in der Zeitverzögerung der einzelnen Stereosignale berücksichtigt geometrische Unsymmetrien des menschlichen Kopfes und des Hörenden bezüglich seines Standorts im mit Wänden umschlossenen Raum. Damit wird am stärksten die Natürlichkeit des dargebotenen Hörereignisses realisiert. Als besonders günstig haben sich für den interauralen Signalanteil Verzögerungszeiten erwiesen, die beispielsweise für das linke Ohr etwa 0,3 ms und für das rechte Ohr bei etwa 0,4 ms liegen. Korrespondierend dazu sind dann die 60 einer Spiegelschallquelle entsprechenden Verzögerungszeiten für das linke Ohr mit etwa 27 ms und für das rechte Ohr mit etwa 22 ms zu wählen. Andere Kombinationen sind denkbar, sie werden sich jeweils nach den individuellen Gegebenheiten richten. -3-

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Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anordnung sowohl auf der Aufnahme- wie auf der Wiedergabeseite angewendet werden. Bezüglich der Kompatibilität dieses Verfahrens mit der Wiedergabe der dargebotenen Audiosignale über Lautsprecher sind noch einige Fragen zu lösen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen Fig. 1 das Hörgeschehen in einem geschlossenen, reflektierenden Raum, Fig. 2 die für ein originalgetreues Hören wesentlichen Schallanteile, Fig. 3 die für ein originalgetreues Hören über Kopfhörer wesentlichen Audiosignale, und Fig. 4 die gemäß der Erfindung dem Ohr anzubietenden Audiosignale einschließlich der für das Verfahren erforderlichen Mittel.

Die beim stereophonen Hören in einem geschlossenen mit Schall reflektierenden Wänden versehenen Raum gegebenen Schallverhältnisse zeigt Fig. 1. Vom linken Lautsprecher (L) ausgehende Schallwellen bzw. Audiosignale erreichen das linke und das rechte Ohr des Hörenden sowohl auf dem direkten Weg als auch über die Wand-, Boden- und Deckenreflexionen des Hörraumes. Dasselbe gilt gleichermaßen und gleichzeitig auch für den rechten Lautsprecher (R). Jede Richtung wird dabei mit der ihr zugeordneten Außenohrübertragungsfunktion bewertet. Dabei vermitteln die Anteile der seitlichen und von der Decke kommenden Reflexionen im wesentlichen die Räumlichkeit, die von den beiden Lautsprechern direkt am Ohr eintreffenden Primärsignale die Richtung, aus der das vermeintliche Schallereignis kommt. Nach dem Gesetz der Summenlokalisation und der ersten Wellenfront erfolgt die Richtungsinterpretation durch das Gehör. Erfindungsgemäß spielt jedoch für das Richtungshören unterstützend eine sehr wesentliche Rolle, die von hinten seitlich oder ganz von hinten auf das Ohr gelangende erste Reflexion aus der Richtung einer Spiegelschallquelle. Die vom Ohr über sämtliche Raumrichtungen integrierte gesamte Außenohrübertragungsfunktion weist einen ebenen Amplitudenffequenzgang auf. Eine solche komplexe Nachbildung ist in der Praxis nahezu nicht möglich, weshalb sich die erfindungsgemäße Anordnung auf eine stark vereinfachte Konfiguration jener Schallanteile stützt, die einen wesentlichen Anteil am Richtungshören beitragen.

Aus Fig. 2 ist nun ersichtlich, welche Schallanteile zum richtungstreuen Hören einen wesentlichen Beitrag leisten. Ein von einem linken Lautsprecher (L) und rechten Lautsprecher (R) abgestrahltes Schallereignis erreicht das linke Ohr auf dem kürzestmöglichen Schallweg (1), das rechte Ohr auf dem kürzestmöglichen Schallweg (1): Behaftet mit der interauralen Laufzeit und durch den Kopf gegebene Verzerrungen erreicht das Signal des linken Lautsprechers (L) das rechte Ohr auf dem Schallweg (2) und das Signal des rechten Lautsprechers (R) das linke Ohr auf dem Schallweg (21). Damit werden die Gesetze der Summenlokalisation und der ersten Wellenfront erfüllt. Trotzdem ist das richtungstreue Hören damit, vor allem in halligen Räumen nicht eindeutig garantiert. Erst mit dem erfindungsgemäßen dritten Signal (3; 3'), das der Reflexion von einer Spiegelschallquelle her entspricht, wird die Richtungstreue gewährt.

Bietet man diese drei Signale über Kopfhörer bewertet mit der Außenohrübertragungsfunktion der jeweils entsprechenden Richtungen dem Ohr an, wie dies Fig. 3 zeigt, wobei die drei wesentlichen Signale für das linke und rechte Ohr wiederum die Bezeichnungen (1,2', 3') und (Γ, 2,3) tragen, so ist dabei die Problematik der richtigen Entzerrung und der individuell unterschiedlichen Außenohrübertragungsfunktionen verschiedener Personen nicht außer Acht zu lassen.

Die erfindungsgemäße Anordnung für die Darbietung stereophoner binauraler Audiosignale über Kopfhörer ist in Fig. 4 dargestellt. Das Audiosignal des linken Stereosignals (L) wird zunächst unmittelbar, bewertet mit der dem linken Ohr zugeordneten Außenohrübertragungsfunktion für den Winkelbereich 0° bis 45° links der Medianebene, in der Fig. 4 durch den Block (AÜF) mit den sinngemäßen Winkelzeigem bezeichnet, dem linken Ohr zugeführt. Dasselbe Audiosignal erreicht über zwei zeitverzögerte Zweige das rechte Ohr. In dem einen Zweig liegt die Zeitverzögerung (t^) bis zu maximal 700 ps, wobei das Audiosignal mit der dem rechten Ohr für den Winkelbereich 0° bis 45° links der Medianebene zugeordneten Außenohrübertragungsfunktion bewertet ist Dieser Zweig berücksichtigt das interaurale Hören.

Im zweiten zeitverzögerten Zweig liegen die Verzögerungszeiten (τ-j) zwischen 5 ms und 80 ms, bewertet mit der aus dem gegenüberliegenden Winkelbereich für das rechte Ohr zugeordneten Außenohrübertragungs-funktionen. Die entsprechende Bewertung mit den zugeordneten Außenohrübertragungsfunktionen ist durch die Blöcke (AÜF) mit den sinngemäßen Winkelzeigem in der Zeichnung gekennzeichnet Für das Audiosignal des rechten Stereosignals (R) gilt spiegelbildlich auf die Medianebene bezogen das gleiche wie für das rechte bzw. linke Ohr. Die Zeitverzögerungen sind für diesen Fall mit (x'2) und (τ'3) bezeichnet. Die Richtungsorientierung wird dadurch erhöht indem die einzelnen Zeitverzögerungen paarweise ungleich dargeboten werden. So kann beispielsweise für (τ^) 27 ms und 0¾) 0,3 ms gewählt werden, wobei es sich dann als günstig erweist daß (13) 22 ms und (x’j) 0,4 ms beträgt Ein weiteres zeitverzögertes Audiosignal, das gewissermaßen als 1. Echo eine Spiegelschallquelle vortäuscht auch dem linken zusätzlich zum rechten Ohr und umgekehrt anzubieten wäre unzweckmäßig, weil ein solches zur akustischen Ohrverstopfung führt und damit den mit dem Verfahren erreichbaren Effekt unwirksam macht Die notwendige linearphasige Entzerrung, die die Klangfarben erhält und die Phasenstrukturen der Außenohrübertragungsfunktionen unbeeinflußt läßt ist in Fig. 4 nicht dargestellt -4-

Claims

AT 394 650 B PATENTANSPRÜCHE 1. Elektroakustische Anordnung zur Wiedergabe stereophoner binauraler Audiosignale über Kopfhörer, dadurch gekennzeichnet, daß die Audiosignale des linken Stereokanals (L) Einrichtungen (AUF) zugeführt werden, die für die linke Übertragungsseite die Audiosignale (L) mit der Außenohrübertragungsfunktion des linken Ohres, die dem Winkelbereich zwischen 0° und 45° links der Medianebene entspricht, falten und die für die rechte Übertragungsseite die Audiosignale (L) sowohl mit der Außenohrübertragungsfunktion des rechten Ohres, die demselben Winkelbereich entspricht, als auch zeitverzögert mit einer Zeitverzögerung (x^) die deutlich außerhalb des für die Entstehung der Summenlokalisation erforderlichen Zeitintervalls einerseits aber noch vor den hörbaren ersten Echos liegt, d. i. zwischen 5 ms und 8 ms, mit der der Außenohrübertragungsfunktion des rechten Ohres, die dem gegenüberliegenden Winkelbereich, d. i. zwischen 135° und 180° rechts der Medianebene, entspricht, falten, und daß die Audiosignale des rechten Stereokanals (R) ebenfalls Einrichtungen (AÜF, x'-j) zugeführt werden, die in spiegelbildlicher Weise zur Medianebene für die rechte Übertragungsseite sinngemäß zur linken Seite das gleiche bewirken, wonach diese drei Signale in einem gemeinsamen linken und rechten Ausgang zusammengeführt sind, der gleichzeitig Eingang für einen Kopfhörer ist und daß für den Amplitudenftequenzgang notwendige Entzerrungen ohne Einfluß auf die Zeitstrukturen zu den jeweils angewendeten Außenohriiber-tragungsfunktionen mit linearphasigen digitalen Filtern erfolgen.
2. Elektroakustische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die notwendige Entzerrung als inverse linearphasige Summenbildung der auf jede Übertragungsseite entfallenden Außenohrübertragungsfunktionen vorgenommen wird.
3. Elektroakustische Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der rechten Übertragungsseite zugeordneten Audiosignale des linken Stereokanals (L), die mit der Außenohrübertragungsfunktion des rechten Ohres, die dem Winkelbereich zwischen 0° und 45° rechts der Medianebene entspricht, in an sich bekannter Weise gefallen sind, ebenfalls eine Zeitverzögerung (Xj; t'2) erfahren, die bis zu maximal 700 ps beträgt.
4. Elektroakustische Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der rechten Übertragungsseite zugeordneten Audiosignale des linken Stereokanals (L), die mit der Außenohrübertragungsfunktion des rechten Ohres, die dem Winkelbereich zwischen 0° und 45° links der Medianebene entspricht, in an sich bekannter Weise gefaltet sind, und die der linken Übertragungsseite zugeordneten Audiosignale des rechten Stereokanals (R), die mit der Außenohrübertragungsfunktion des linken Ohres, die dm Winkelbereich zwischen 0° und 45° rechts der Medianebene entspricht, gefaltet sind, innerhalb des genannten Zeitbereichs von maximal 700 ps wechselseitig paarweise ungleich verzögert angeboten werden. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -5-