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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Audiosystems in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Vorbekannt sind Audiosysteme in Fahrzeugen, welche für die Stereoübertragung das Tonsignal jeweils in einen linken und rechten Kanal getrennt mit wenigstens zwei Lautsprechern, die jeweils auf der rechten und linken Seite des Fahrzeuges angeordnet sind, übertragen. Die Lautsprecher befinden sich dabei entweder gemeinsam für die Fahrer- und Beifahrerseite in der vorderen Armaturentafel nahe der jeweiligen Seitenscheiben oder jeweils in der Fahrer- und Beifahrertür unterhalb der Fensterkante, nahe des Türscharniers an der A-Säule. Diese beabstandete Anordnung soll die für die klassische Stereoübertragung notwendige räumliche Trennung des jeweiligen linken und rechten Kanals voneinander gewährleisten, wobei sich Fahrer bzw. Beifahrer möglichst im Zentrum eines sogenannten Stereodreiecks befinden sollen. Aufgrund der unterschiedlichen Sitzpositionen von Fahrer und Beifahrer ist eine Auslegung des Audiosystems, das eine gute Stereowahrnehmbarkeit gewährleistet, eine Kompromisslösung, da aufgrund unterschiedlicher Sitzpositionen von Fahrer und Beifahrer sowie der vorgegebenen möglichen Einbaulagen in der Armaturentafel, den Seitentüren etc. eine qualitativ hochwertige Stereowahrnehmung im Gesamtfahrzeug nicht zu erreichen ist.
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Vorbekannt sind weiterhin Kommunikationssysteme, welche sitzplatzbezogen Audiosignale übertragen und vor allem zur Übertragung von Sprache und zum Ermöglichen der Kommunikation der Insassen untereinander ausgelegt sind. Ein solches System ist beispielsweise in der
DE 199 38 171 C2 dargestellt, bei dem sitzplatzbezogen eine Beschallung der Fahrzeuginsassen erfolgen kann, wobei den Einzelplätzen jeweils mindestens ein Lautsprecher zugeordnet ist. Das System dient insbesondere zur Übertragung von Sprache, wobei eine Beschallung mit Stereoklang nicht möglich ist.
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Die Patentschrift
US 6,069,962 A lehrt eine als Punktquelle ausgebildete Lautsprecheranordnung mit drei Lautsprechern. Durch die Anwendung der Prinzipien der Wellen-Interferenz wird ein Stereoklang durch eine Punktquelle erzeugt, wobei die einzelnen Kanäle (L und R) eines X/Y-Stereosignals derart bearbeitet werden, dass die Klangqualität verbessert wird, speziell durch Verringern von Kammfiltereffekte.
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Aus der
US 4,769,843 A ist ein Audiosystem für ein Fahrzeug bekannt, welches jeweils an den Seiten des Innenraums Lautsprecher aufweist, die das Signal eines linken L bzw. rechten R Kanals eines X/Y-Stereosignals abstrahlen. Weiterhin sind, beabstandet voneinander, in der der Mitte zwischen den Vordersitzen zwei Center-Lautsprecher im Armaturenbrett angeordnet. Das durch die Center-Lautsprecher abgestrahlte Signal entspricht einem L + R Signal, welches zeitversetzt zum Signal des linken Kanals L und des rechten Kanals R abgestrahlt wird.
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Vorbekannt ist es aus der
DE 10 2008 013 979 A1 , die Lautsprecher eines Lautsprechersystems in einem Fahrzeug paarweise dicht beieinander vor dem jeweiligen Sitzplatz anzuordnen und mittels Signalbearbeitung über inverse Faltung mit kopfbezogenen Übertragungsfunktionen den ursprünglichen Lautsprecherstandort entfernt und durch Faltung mit neuen, gewünschten, virtuellen Positionen eine Stereobasis zu erzeugen. Die Lautsprecher werden in ihrem Klangbild virtuell auseinandergerückt, so dass ein Stereosignal wahrgenommen wird. Es ist hierfür notwendig, paarweise sitzplatzbezogen zwei Lautsprecher anzuordnen. Dies erfordert insbesondere für den Fahrer eine Anordnung im Bereich der Instrumente, welche durch eine zur Frontscheibe gerichtete Anordnung und indirekte Abstrahlung über diese ermöglicht wird.
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Aus der
US 7,561,706 B2 ist es vorbekannt, einen Center-Lautsprecher in der Mitte zwischen den Sitzplätzen eines Fahrzeugs anzuordnen und durch entsprechende Signalanpassungen wie Zeitverzug oder Frequenzanpassungen eine Phantomposition der Abstrahlung vor dem Fahrer zu erzeugen.
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Die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren erreichen entweder das gewünschte Klangbild nicht oder bedürfen einer komplizierten Signalaufbereitung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Audiosystems in einem Fahrzeug zu schaffen, welches mit einer einfachen Signalverarbeitung eine Tonwiedergabe mit hoher stereofoner Qualität und einer zusätzlichen, vor dem jeweiligen Hörer zentrierten virtuellen Monoquelle bereitstellt und dabei sitzplatzbezogen dem Fahrer und ggf. weiteren Fahrzeuginsassen eine natürliche, von vorn erlebbare Klangwiedergabe zu bieten.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft wird das Verfahren für ein Audiosystem in einem Fahrzeug angewendet, welches wenigstens zwei Sitze für Fahrer und Beifahrer aufweist. Die Lautsprecherkonfiguration weist dabei wenigstens einen rechten und wenigstens einen linken Lautsprecher auf, welche vorzugsweise im Bereich des Armaturenbrettes angeordnet sind und sich nahe der rechten bzw. linken Außenseite im Innenraum befinden. Die Lautsprecher sind dabei in einem Bereich vor einer auf dem jeweiligen Sitz befindlichen Person angeordnet und müssen soweit nach außen versetzt sein, dass der wenigstens eine rechte Lautsprecher rechts neben einer Kopfposition einer auf dem rechten Sitz sitzenden Person und wenigstens ein linker Lautsprecher in einem Bereich links neben einer Kopfposition einer auf dem linken Sitz sitzenden Person angeordnet sind. Die außen angeordneten Lautsprecher strahlen dabei durch den linken Lautsprecher ein Signal eines linken Audiokanals und durch den rechten Lautsprecher das Signal eines rechten Audiokanals eines XY-Stereosignals ab. Weiterhin sind wenigstens zwei zusätzliche Center-Lautsprecher vorgesehen, welche ebenfalls in einem Bereich vor den Sitzplätzen angeordnet sind. Diese befinden sich räumlich zwischen dem rechten und linken Sitzplatz und sind direkt benachbart in einer horizontalen Fahrzeugebene nebeneinander angeordnet. Vorzugsweise grenzen die Gehäuse der Lautsprecher direkt aneinander. In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden die zwischen den Sitzplätzen angeordneten wenigstens zwei Center-Lautsprecher ein Signal abstrahlen, welches eine Codierung entsprechend einer Mitte-Seitenband-Stereofonie (MS-Stereofonie) aufweist. Das Stereosignal ist dabei mittels eines Mittenkanals M und eines Seitenkanals S codiert. Vorzugsweise ist das Signal durch Aufnahme des Mittensignals M mit einem vorwiegend ungerichteten Mikrofon entstanden, welches beispielsweise eine Kugelcharakteristik aufweist und das Seitensignal S ist durch ein Druckgradientenmikrofon mit einer 8-Richtcharakteristik aufgenommen, welches entsprechend verschaltet als Seitensignal S die Differenz der Pegel der rechten und linken Seite liefert. Die Signale können gleichfalls aus einem linken und rechten Kanal einer X/Y-Stereofonie gewonnen werden. Um eine erfindungsgemäß vorteilhafte Klangwiedergabe zu schaffen, strahlt der linke der nebeneinander zwischen den Sitzplätzen angeordneten Center-Lautsprecher, der sich auf der Seite des den linken Audiokanal abstrahlenden linken Lautsprechers befindet, ein Differenzsignal M – S der Differenz von Mittenkanal M zum Seitenkanal S und der rechte Center-Lautsprecher, der sich auf der Seite des den rechten Audiokanal abstrahlenden rechten Lautsprechers befindet, ein Summensignal M + S der Addition von Mitten- und Seitenkanal ab.
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Der Mittenkanal M der Mitte-Seitenband-Stereofonie-Signale entsteht durch Summenbildung aller Richtungsanteile auf dem Mittenkanal M, indem die Signale ungerichtet, d. h. in ihrem Pegel unabhängig von der Richtung, z. B. durch ein Mikrofon mit Kugelcharakteristik, aufgenommen werden. Das Mittensignal M kann daher als Summe eines linken Kanals L und eines rechten Kanals R einer X/Y-Stereofonie beschrieben werden (M = L + R). Das Signal des Seitenkanals S besteht aus den richtungsabhängig aufgenommenen Anteilen, wobei das Signal aus dem Anteil besteht, der in dem von links bzw. rechts kommenden Pegel unterschiedlich ist. Es erfolgt quasi eine Differenzbildung der richtungsabhängig von links bzw. rechts empfangenen Signale, welche in dem einen Signal des Seitenkanals S zusammengefasst werden. Das Signal des Datenkanals kann somit als S = L – R definiert werden. Erfindungsgemäß vorteilhaft sind die beiden zwischen den Sitzplätzen angeordneten Center-Lautsprecher direkt benachbart und werden aus der Entfernung der jeweiligen Hörer auf den Fahrzeugsitzplätzen als Punktquelle wahrgenommen. Die Ansteuerung der Center-Lautsprecher mit Differenzsignal M – S und Summensignal M + S schafft eine stereofone Abbildung für den jeweiligen Hörer. Der zwischen dem linken Lautsprecher und den Center-Lautsprechern befindliche Hörer nimmt ein Stereodreieck war, welches sich aus dem Signal des linken Lautsprechers und dem Signal des linken Center-Lautsprechers ergibt. Das Signal des rechten Center-Lautsprechers, welcher das Summensignal M + S abstrahlt, ist durch die akustische Schallüberlagerung für den Hörer 6 nicht oder nur sehr gering wahrnehmbar. Das M-Signal der Center-Lautsprecher bildet sich als Kugelstrahler aus und bildet das Signal eines omnidirektional aufnehmenden Mikrofons ab. Das S-Signal bildet in der Abstrahlung die Aufnahmecharakteristik eines 8-Mikrofons ab und enthält den richtungsabhängig aufgenommenen Anteil. Durch den Laufzeitunterschied zum rechten Lautsprecher wird dieser als nicht richtungsbestimmend wahrgenommen. Es bildet sich ein nahezu symmetrisches Stereodreieck für den jeweiligen, zwischen dem Seitenlautsprecher (rechts oder links) und den Centerlautsprechern positionierten Hörer. Die Anordnung schafft durch die symmetrische Ausgestaltung weiterhin die Wahrnehmung einer virtuellen Monoquelle in einem Bereich direkt vor dem Hörer. Diese wird bei Abstrahlung eines Monosignals bzw. der Mono-Anteile eines Stereosignals in natürlicher Weise direkt von vorn wahrgenommen.
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In einer alternativen Ausgestaltung können weitere zusätzliche Centerlautsprecher angeordnet sein, welche ebenfalls jeweils Summensignal M + S und Differenzsignal M – S abstrahlen.
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Die jeweils durch die Center-Lautsprecher abgestrahlten Signale – Summensignal M + S bzw. Differenzsignal M – S – können aus dem Signal des linken Audiokanals L und des rechten Audiokanals R einer XY-Stereofonieabbildung mit M + S = (L + R) + (L – R) = 2L M – S = (L + R) – (L – R) = 2R berechnet werden.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft kann die Positionierung der virtuell wahrgenommenen Quellen in einfacher Weise durch das Verhältnis des Mittensignals zum Seitensignal sowie zusätzlicher Delays oder Pegelanpassungen der Seitenlautsprecher beeinflusst werden.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft kann in Abhängigkeit von der Art des Empfangssignals eine Einstellung des Pegelverhältnisses von Mitten- zum Seitensignal sowie weiterer Pegel- oder Laufzeitanpassungen erfolgen. Es kann somit z. B. für Musiksignale verschiedener Stilrichtungen, für die Ansagen eines Navigationsgerätes oder für die Sprachwiedergabe von Telefongesprächen in einfacher Weise eine unterschiedliche Klangwiedergabe erfolgen.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft können durch zusätzliche Signalverarbeitung akustische Verfärbungen kompensiert werden (Equalizing). Mögliche Ausgestaltungen der Signalverarbeitung sind dabei z. B. FIR-Filter, welche in den jeweiligen Signalwegen wirksam werden.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt eine Signalverarbeitung derart, dass jeweils eine sitzplatzbezogene Beschallung des Fahrzeugs gewährleistet werden kann. Eine mögliche Ausgestaltung sind z. B. FIR-Filter in den jeweiligen Signalwegen, deren Filterkoeffizienten so über eine Mixing-Matrix ausgelegt werden, dass in einem Fall mit vier akustischen Transferpfadfunktionen zwischen Lautsprechern und benachbartem Sitz- bzw. Hörplatz, sich jeweils durch akustische Überlagerung eine sogenannte Cross-Talk-Cancelation (CTC) gegenüber dem benachbarten Sitz- bzw. Hörplatz ergibt.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft wird für hintereinander liegende Sitzplätze im Fahrzeug das Ansteuersignal für die in Abstrahlrichtung hinten liegenden Sitzplätze zeitverzögert durch die hinten liegenden Lautsprecher (10'', 11'', 1'', 2'') abgestrahlt. Die Zeitverzögerung für die hinten liegenden Sitzplätze erfolgt dabei entsprechend dem Abstand der Schallwege, wobei die Signale für die hinteren Sitze um einen Betrag zeitverzögert werden, welcher der Laufzeit der Signale von den vorderen Lautsprechern zu den auf den hinteren Sitzen befindlichen Insassen entspricht. Alternativ kann diese schallwegbezogene Laufzeit um 3–10 ms verkürzt werden, um gemäß dem Haas-Effekt die Ortung der ersten Schallwelle auf die hinten liegenden Lautsprecher zu fokussieren.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels erläutert, bei welchem:
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1 ein Schema einer klassischen X/Y-Stereofonie,
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2 ein Schema einer M/S-Stereofonie
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3 eine Lautsprecheranordnung im Fahrzeug und
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4 eine sitzplatzbezogene Quellenverlagerung
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In 1 ist eine Lautsprecheranordnung einer klassischen X/Y-Stereofonie gezeigt, bei welcher ein linker Lautsprecher 1 und ein rechter Lautsprecher 2 beanstandet nebeneinander angeordnet sind, wobei sich der den linken Kanal L abstrahlende Lautsprecher 1 links neben einem gedachten Hörer 3 und der den rechten Kanal R abstrahlende Lautsprecher 2 sich rechts neben dem Hörer 3 befindet. Bei einer entsprechenden Aufnahme im Format einer X/Y-Stereofonie erfolgt durch die beabstandete Anordnung der den jeweiligen Seiten des Hörers 3 zugeordneten Lautsprecher 2, 1 eine räumliche Klangwahrnehmung. X/Y-Stereofoniesignale nutzen bei Aufnahme des Stereosignals die Richtwirkung zweier Mikrofone. Die Aufnahmeanordnung besteht beispielsweise aus 90° versetzt angeordneten Nierenmikrofonen, deren Richtwirkung bei der Aufnahme Pegeldifferenzen in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel des Signals erzeugt. Diese werden bei der Wiedergabe über die beiden Kanäle reproduziert, so dass sich steuerbar eine Richtungswahrnehmung des abgestrahlten Signals ergibt. Die psychoakustische Wahrnehmung eines Menschen bedingt durch die Aufnahme über beide Ohren immer die Bildung einer virtuellen Quelle, welche von der Position der realen Schallquelle abweichen kann. In der gezeigten Anordnung werden pegelgleich abgestrahlte Signale ohne Laufzeitunterschiede als direkt von vorn kommend wahrgenommen, wobei sich die Richtungsinformation der wahrgenommenen virtuellen Quelle durch Pegeldifferenzen zwischen linkem und rechtem Kanal sowie durch Laufzeitunterschiede verlagern lässt. Dieser Effekt ist für die Abstrahlung von Hoch- und Mittenfrequenzen zwischen ca. 100 Hz und 3,6 kHz nutzbar. Bei tiefen Frequenzen unterhalb dieser Schwellen kann aufgrund der geringen Phasenunterschiede keine Rauminformation zugeordnet werden. Oberhalb von 3,6 kHz wird die aufgenommene Information mehrdeutig, da mehrere Wellenlängen des Signals innerhalb des Ohrabstandes liegen. Die Anordnung und das Verfahren zum Betreiben sind somit für Hoch- und Mitteltoner bzw. Breitbandlautsprecher, welche Signale in dem o. g. Frequenzbereich abstrahlen, zu beachten.
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In 2 ist anhand der dargestellten Lautsprecheranordnung das Prinzip der M/S-Stereofonie dargestellt. Es kann hiermit durch direkt benachbarte, vor dem Hörer 3 befindliche Lautsprecher 4, 5 ebenfalls eine räumliche Klangwiedergabe ähnlich der oben beschriebenen X/Y-Stereofonie erfolgen, da eine Aufnahme eines MS-Stereosignals mittels zweier in horizontaler Ebene um 90° versetzter Mikrofone unterschiedlicher Richtcharakteristik erfolgt. Es wird ein Mittensignal M mit einem vorwiegend ungerichteten Mikrofon, beispielsweise mit einer Kugelcharakteristik und ein Seitensignal S durch ein Druckgradientenmikrofon mit einer 8-Richtcharakteristik aufgenommen, welches entsprechend verschaltet als Seitensignal S die Differenz der Pegel der rechten und linken Seite liefert. Durch die Abstrahlung eines Summensignals M + S und eines Differenzsignals M – S auf den jeweilig benachbarten Lautsprechern 4, 5 wird für einen Hörer ein räumlicher Klangeindruck erzeugt. Durch das Verhältnis der Pegel des Mittensignals zum Seitensignal kann virtuell die „Stereobreite” eingestellt werden.
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3 zeigte eine Anordnung eines Audiosystems in einem Fahrzeug, bei welchem auf einer in Fahrtrichtung gesehen linken Seite vor den nicht dargestellten Sitzen ein linker Lautsprecher 1 angeordnet ist. Dieser befindet sich links von einer Kopfposition eines auf dem linken Sitz befindlichen Hörers 6 in Fahrtrichtung gesehen vor diesem. Weiterhin ist auf der in Fahrtrichtung gesehen rechten Seite vor den nicht dargestellten Sitzen ein rechter Lautsprecher 2 angeordnet. Dieser befindet sich rechts von einer Kopfposition eines auf dem rechten Sitz befindlichen Hörers 7 in Fahrtrichtung gesehen vor diesem. Die Lautsprecher 1 und 2 sind dabei Hoch- oder Mitteltöner bzw. Breitbandlautsprecher. Es können auch getrennte Hoch- und Mitteltoner angeordnet werden, was durch die Ergänzung eines weiteren Lautsprechers 1' bzw. 2' symbolisiert ist. In der Mitte zwischen den nicht dargestellten Sitzen, also zwischen den Kopfpositionen der auf diesen Sitzen befindlichen Hörer 6 und 7, sind in Fahrtrichtung gesehen vor diesen, zusätzliche Center-Lautsprecher 10, 11 angeordnet, welche direkt benachbart vorzugsweise im Armaturenbrett des Fahrzeugs angeordnet sind. Das Audiosystem kann durch weitere Tieftöner 12, 13, 14, 15 ergänzt werden. Optional kann die gleiche Lautsprecherkonfiguration für die hintere Sitzreihe in identischer Weise aufgebaut werden, indem linke und rechte Lautsprecher 1'' und 2'' und Centerlautsprecher 10' und 11' in einem Bereich vor den auf den hinteren Sitzen befindlichen Hörern 8, 9, angeordnet werden. Zusätzliche Lautsprecher aus einem Bereich hinter den Sitzen ergänzen das Audiosystem optional.
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Weiterhin können zusätzliche weitere Lautsprecher (nicht dargestellt) mit Tieftoncharakteristik im Bereich des Mitteltunnels, der Türen oder der Spritzschutzwand angeordnet sein.
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In 4 ist das vorbeschriebene Audiosystem vereinfacht dargestellt, um die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft zu erläutern. Es sind der linke und der rechte Lautsprecher dargestellt, welche sich jeweils links bzw. rechts neben der Kopfposition der Hörer 6 bzw. 7 befinden. In der Mitte zwischen diesen sind die Centerlautsprecher 10, 11 angeordnet. Der Aufbau entspricht vereinfacht dem zu 3 gezeigten. Der linke Lautsprecher 1 strahlt dabei das Signal eines linken Audiokanals einer X/Y-Stereofonie ab und der rechte Lautsprecher einen rechten Kanal R eines X/Y-Stereosignals ab. In der Mitte zwischen den Hörern befinden sich die Center-Lautsprecher, von welchen der linke das Differenzsignal M – S abstrahlt und der rechte das Summensignal M + S einer entsprechenden M/S-Codierung desselben Signals. Das M/S-Signal kann beispielsweise aus dem Signal der X/Y-Stereofonie gewonnen werden oder liegt bereits als Mitten- M bzw. Seitenbandsignal S einzeln vor. Bezogen auf einen Fahrzeugsitzplatz auf dem sich, wie hier beispielhaft betrachtet, ein Hörer 6 befindet, ergibt sich ein Klangeindruck, der sowohl vom linken Kanal L über den Lautsprecher 1 als auch vom linken Center-Lautsprecher 10, der das Differenzsignal M – S abstrahlt, bestimmt wird. Der rechte Kanal R, der vom Lautsprecher 2 abgestrahlt wird, ist für die Hörwahrnehmung der virtuellen Schallquelle nicht bestimmend, da dieser bereits durch seine Entfernung und die dadurch bestimmte längere Signallaufzeit nicht richtungsbestimmend wirkt. Der rechte Center-Lautsprecher 11, welcher das Summensignal M + S abstrahlt, wird für den Hörer 6 nahezu nicht hörbar sein. Die Mono-Anteile des Signals werden als virtuelle Monoquelle wahrgenommen, deren Signalanteile den Hörer 6 nahezu in gerader Linie in Fahrtrichtung von vorn erreichen. Die MS-Stereofonie ist eine Intensitätsstereofonie, bei welcher der Stereoeffekt durch Pegelunterschiede herbeigeführt wird, ohne dass zusätzliche Laufzeitunterschiede der Signale hinzugefügt werden müssen. Optional ist eine zusätzliche Erweiterung durch entsprechende, zusätzliche Verzögerungsfunktionen möglich. Der Klangeindruck des Gesamtsystems, insbesondere Bühnenbreite und Bühnentiefe lässt sich durch Variation des Pegels des M- zum S-Signals (Bühnenbreite) sowie der Signalverzögerung dieser beiden Signale (Bühnentiefe) zueinander optional einstellen.
