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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifizierung einer Impulsantwort eines Klangwandlers und einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Klangwandler.
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Die
US 2014/0044273 A1 betrifft eine Direktschallentnahmevorrichtung enthaltend: eine Spektrum-Transformationseinheit, die ein Eingangssignal, das ein Hallsignal in einem Eingangssignal aufweist, auf dem eine Fourier-Transformation durchgeführt worden ist, in ein erstes Amplitudenspektrumsignal Lfa transformiert; eine Tiefpassfiltereinheit, die einen Tiefpassfilterprozess für das erste Amplitudenspektrumsignal Lfa für jede Frequenz durchführt, um ein zweites Amplitudenspektrum-Signal Lfa1 zu erhalten; eine erste Subtraktionseinheit, die ein drittes Amplitudenspektrumsignal berechnet durch Subtrahieren des zweiten Amplitudenspektrum-Signal Lfa1 vom ersten Amplitudenspektrums-Signal Lfa; und eine inverse Fourier-Transformationseinheit, die ein direktes Schallsignal Lfd mittels eines auf der Basis eines Phasenspektrum-Signals und des dritten Amplitudenspektrum-Signal berechneten Frequenzspektrumsignals erzeugt.
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In der
US 2011/0064244 A1 wird ein Verfahren und eine Anordnung zum Verarbeiten von Audiodaten beschrieben. Zumindest ein erstes Spektrum mit mindestens einer ersten spektralen Eigenschaft wird aus dem Spektrum von Audiodaten entfernt, das resultierende Spektrum der Audiodaten nach der Entfernung des zumindest einen ersten Spektrums transformiert und das zumindest eine erste Spektrum oder mindestens eines von dem ersten Spektrum und / oder mindestens ein zweites Spektrum mit mindestens einer zweiten spektralen Eigenschaft dem transformierten Spektrum aufgeprägt werden.
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Die
DE 38 56 269 T2 betrifft einen digitalen Equalizer, der ein digitales Filter zur Frequenzkompensation eines Audiosignals umfasst, das in eine Digitalcode-Abtastungsform umgewandelt worden ist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine derartige Vorrichtung, die ein FIR-Digitalfilter (finite impulse response digital filter) anwendet, und ermöglicht eine voneinander unabhängige Einstellung der Amplituden/Frequenz- und Phasen/Frequenz-Ansprechcharakteristiken des Filters.
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In der
DE 697 00 084 T2 wird ein Verfahren der Transformierung eines periodischen Signales, ein Verfahren der Transformierung von Schall und ein Verfahren der Analyse eines Signales, und genauer ein Verfahren der Transformierung eines periodischen Signales zum Transformieren von Schall, ein Verfahren der Transformierung von Schall und ein Verfahren der Analyse eines Signales zum Analysieren von Schall beschrieben.
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Die
US 2013/0019739 A1 betrifft eine Schallanalyse und zugehörigen Klangsyntheseverfahren umfassend: (a) Empfangen eines ersten Eingangsschallsignals; (b) Analysieren des akustischen Eingangssignals, um dessen für die Klangfarbe des Eingabeklangsignals repräsentative Impulsantwort zu bestimmen; (c) Empfangen eines zweiten Eingangsschallsignals; (d) Verarbeiten des zweiten Eingangsschallsignals in eine Form, auf die die Impulsantwort angewendet werden kann, wobei die Verarbeitung ein Erzeugen eines einem rosa Rauschen äquivalenten Frequenzspektrums des zweiten Eingangsschallsignals umfasst; und (e) Anwenden der Impulsantwort auf das verarbeitete zweite Eingangsschallsignal, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches zumindest Teile des Timbres des ersten Eingangsschallsignals enthält.
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Bei elektrischen Saiteninstrumenten, insbesondere elektrischen Gitarren (E-Gitarren), elektrischen Bässen (E-Bässe) und elektrischen Geigen (E-Geigen), werden die Schwingungen der Saiten mit Tonabnehmern in elektrische Signale umgewandelt. Die elektrischen Signale werden mittels eines Saiteninstrumentenverstärkers, z.B. eines Gitarrenverstärkers, verstärkt und mittels eines Saiteninstrumentenlautsprechers in Luftschwingungen, d.h. Schall, umgewandelt.
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Der Frequenzgang der Kombination Saiteninstrumentenverstärker und -lautsprecher ist typischerweise nicht linear, so dass die jeweils gewählten Saiteninstrumentenverstärker und -lautsprecher stark zum Klang beitragen, den ein in der Nähe des Saiteninstrumentenlautsprechers befindlicher Zuhörer wahrnimmt.
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Z.B. Gitarrenspieler verwenden gezielt unterschiedliche Saiteninstrumentenverstärker und -lautsprecher mit unterschiedlichen Frequenzgängen, um den Klang, den die Zuhörer wahrnehmen, zu beeinflussen. Insbesondere machen sie stark von Verzerrungen zur Klanggestaltung Gebrauch.
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Die unterschiedlichen Frequenzgänge unterschiedlicher Saiteninstrumentenverstärker und -lautsprecher werden von Instrumentalisten, insbesondere E-Gitarrenspielern, gezielt eingesetzt, um den Klang zu beeinflussen.
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Wenn der Klang einem größeren Personenkreis zugänglich gemacht werden soll, wird der Klang typischerweise wieder mit einem nahe des Lautsprechers befindlichen Mikrophon in elektrische Signale umgewandelt, welche, ggf. nach zwischenzeitlicher Aufzeichnung (CD, MP3), über einen im Wesentlichen linearen Musikverstärker und einen im Wesentlichen linearen Musiklautsprecher wieder in Schall umgewandelt werden.
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Der Klang des Instrumentenlautsprechers kann sich auch bei im Wesentlichen linearer Charakteristik des Musikverstärkers und des Musiklautsprechers recht stark von dem Klang unterscheiden, welcher der Hörer des vom Musiklautsprecher abgegebenen Schalls wahrnimmt. Der Schall des Musiklautsprechers weist nämlich zusätzliche sogenannte Färbungen auf, die durch das Abmikrophonieren bedingt sein können.
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Die Zuhörer eines Konzertes oder Hörer einer Musikaufnahme kennen typischerweise nur den mit diesen zusätzlichen Färbungen versehenen Klang. In der Regel hört nur der Instrumentalist, z.B. der E-Gitarrenspieler, den direkten Klang des Saiteninstrumentenlautsprechers.
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Die Bereitstellung eines Saiteninstrumentenverstärkers und -lautsprechers für Konzerte ist mit einem hohen logistischen Aufwand verbunden. Häufig werden Saiteninstrumentenverstärker auf der Basis von Röhrenverstärkern verwendet, welche ein hohes Gewicht aufweisen. Zudem bedingt der Wechsel eines Saiteninstrumentenverstärkers und/oder -lautsprechers während eines Konzertes regelmäßig eine aufwändige Neuverkabelung und/oder neue Abstimmung des Musikverstärkers.
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Ein Klangwandler, der die bekannten Saiteninstrumentenverstärker auf Röhrenbasis ersetzen soll, ist zunächst in der
US 5 789 689 A beschrieben worden. Weiter ist in der
EP 1 883 064 A1 ein Verfahren zum Anpassen eines Klangwandlers an einen Referenzklangwandler vorgeschlagen worden, wobei der Klangwandler ein erstes Schwingungsprofil mit einem ersten Frequenzgang, ein zweites Schwingungsprofil mit einem zweiten Frequenzgang und eine zwischen das erste und das zweite Schwingungsprofil geschaltete triviale Nichtlinearität aufweist, und wobei der Klangwandler ein Eigenprofil besitzt, welches dem Frequenzgang entspricht, welcher aus der Kombination des ersten Schwingungsprofils, der trivialen Nichtlinearität und des zweiten Schwingungsprofils resultiert, wobei das Verfahren die Schritte Ermitteln eines ersten Referenzprofils des Referenzklangwandlers bei geringem Eingangspegel und eines zweiten Referenzprofils des Referenzklangwandlers bei hohem Eingangspegel, Regeln des ersten und des zweiten Frequenzgangs des Klangwandlers umfasst, so dass bei geringem Eingangspegel, bei welchem das Eigenprofil des Klangwandlers nicht von der Nichtlinearität beeinflusst wird, dem Produkt des ersten und des zweiten Frequenzganges entspricht und Regeln des ersten und des zweiten Frequenzganges des Klangwandlers, so dass bei hohem Eingangspegel, bei welchem das Eigenprofil des Klangwandlers von der Nichtlinearität beeinflusst wird, die Differenz zwischen dem Eigenprofil des Klangwandlers und dem zweiten Referenzprofil minimiert wird und das Produkt des ersten und des zweiten Frequenzgangs weiterhin dem ersten Referenzprofil entspricht.
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Mit dem bekannten Verfahren kann ein Klangwandler, insbesondere dessen Impulsantwort, an eine bestimmte Saiteninstrumentenverstärker/-lautsprecher-Kombination angepasst werden, so dass beim Spielen des an den Klangwandler angeschlossenen elektronischen Saiteninstruments über den Musikverstärker und -lautsprecher der Klang demjenigen entspricht, den die Zuhörer auch bei der klassischen Signalkette elektrisches Saiteninstrument-Saiteninstrumentenverstärker/-lautsprecher-Mikrophon-Musikverstärker/-lautstärker wahrnehmen. Die Impulsantwort kann beispielsweise dem oben genannten zweiten Schwingungsprofil entsprechen. Der Frequenzgang des Klangwandlers kann die Klangcharakteristik der Kombination Saiteninstrumentenlautsprecher und Mikrophon vereinen.
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Im Unterschied zur klassischen Signalkette nimmt der Instrumentalist nunmehr den gleichen Klang wahr wie die Zuhörer, insbesondere auch die unter anderem durch das Abmikrophonieren bedingten Färbungen. Ein Instrumentalist, welcher sich an den direkten Klang des Saiteninstrumentenlautsprechers gewöhnt hat, kann den Klang mit den Färbungen als unausgewogen und unangenehm empfinden, obwohl dieser Klang der eigentlich vorherrschende Klang bei Aufnahmen und größeren Live-Konzerten ist.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Modifizierung der Impulsantwort eines digitalen Klangwandlers und einen digitalen Klangwandler mit einer modifizierten Impulsantwort anzugeben, so dass der vom Instrumentalisten wahrgenommene Klang des digitalen Klangwandlers stärker dem gewohnten Klang der klassischen Saiteninstrumentenverstärker/-lautsprecher-Kombination entspricht.
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Hierzu wird ein Verfahren gemäß Hauptanspruch 1 und ein digitaler Klangwandler gemäß Patentanspruch 10 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 beschrieben und können in äquivalenter Weise auf den digitalen Klangwandler gemäß Patentanspruch 10 angewendet werden.
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Ein Verfahren zur Modifizierung einer Impulsantwort eines digitalen Klangwandlers, wobei aus der Impulsantwort mittels Fourier-Transformation ein komplexer Frequenzgang bestimmt wird, wobei der komplexe Frequenzgang in einen Amplitudengang und einen Phasengang zerlegt wird, wobei ein digitaler Tiefpassfilter auf den Amplitudengang angewendet und ein gefilterter Amplitudengang erhalten wird, wobei aus dem gefilterten Amplitudengang und dem Phasengang ein modifizierter komplexer Frequenzgang bestimmt wird, und wobei aus dem modifizierten komplexen Frequenzgang mittels inverser Fourier-Transformation eine modifizierte Impulsantwort bestimmt wird, kann es erlauben, einem Instrumentalisten auch bei der Verwendung eines digitalen Klangwandlers sein von analogen Saiteninstrumenten/-lautsprechern gewohntes Klangbild zur Verfügung zu stellen.
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Als Fourier-Transformation kann eine diskrete Fourier-Transformation, insbesondere eine FFT (schnelle Fourier-Transformation, engl. fast Fourier transform), zum Einsatz kommen. Die Nutzung der FFT kann es erlauben, auf bestehende Programmfunktionen und optimierte Hardware-Bausteine zurückzugreifen.
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In einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens zur Modifizierung einer Impulsantwort eines digitalen Klangwandlers wird als digitaler Tiefpassfilter ein FIR-Filter verwendet. Ein FIR-Filter (Filter mit endlicher Impulsantwort, engl. finite impulse filter) kann den Vorteil haben, dass sich Quantisierungsfehler bei den Filterkoeffizienten nur in geringem Maße auswirken.
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Nach einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein linearphasiger FIR-Filter verwendet. Die Verwendung eines linearphasigen FIR-Filters kann eine Verschiebung des Amplitudengangs vermeiden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Modifizierung einer Impulsantwort eines digitalen Klangwandlers wird als digitaler Tiefpassfilter ein IIR-Filter eingesetzt. Die Verwendung eines IIR-Filters (Filter mit unendlicher Impulsantwort, engl. infinite impulse response filter) für den digitalen Tiefpassfilter kann es erlauben, eine Filterstufe geringerer Ordnung im Vergleich zu einem FIR-Filter vorzusehen und damit den Rechenaufwand zu begrenzen.
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Ferner sieht ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Modifizierung einer Impulsantwort (201) eines digitalen Klangwandlers (103) vor, dass ein erster IIR-Filter ausgehend von den niedrigen zu den hohen Frequenzen des Amplitudengangs angewendet wird und ein zweiter IIR-Filter ausgehend von den hohen zu den niedrigen Frequenzen des Amplitudengangs angewendet wird. Indem ein erster IIR-Filter von den niedrigen zu den hohen Frequenzen und ein zweiter IIR-Filter von den hohen zu den niedrigen Frequenzen angewendet wird, kann eine Frequenzverschiebung vermieden werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Modifizierung einer Impulsantwort eines digitalen Klangwandlers ist vorgesehen, dass die Einsatzfrequenz des digitalen Tiefpassfilters für jede Magnitude des Amplitudengangs angepasst wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zur Modifizierung einer Impulsantwort eines digitalen Klangwandlers wird die Einsatzfrequenz des digitalen Tiefpassfilters für jede Magnitude des Amplitudengangs mit 1/F angepasst, wobei F die zur Magnitude gehörige Frequenz oder deren Frequenzindex ist. Auf diese Weise kann eine gehörrichtige Modifizierung der Impulsantwort erzielt werden.
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Indem nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Modifizierung einer Impulsantwort eines digitalen Klangwandlers die Einsatzfrequenz des digitalen Tiefpassfilter für Frequenzen größer als 2 kHz, insbesondere größer als 5 kHz, stärker als mit 1/F angepasst wird, können störende Färbungen noch stärker reduziert werden, ohne den Klangcharakter des Klangwandlers negativ zu beeinflussen.
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Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zur Modifizierung einer Impulsantwort eines digitalen Klangwandlers ist die absolute Einsatzfrequenz des digitalen Tiefpassfilters durch einen Nutzer vorgebbar. Auf diese Weise kann der digitale Klangwandler den Vorlieben des Instrumentalisten angepasst werden.
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In der Zeichnung zeigt
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1 eine Konzertsituation;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Modifizieren modifizieren der Impulsantwort eines digitalen Klangwandlers;
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3 eine beispielhafte Impulsantwort eines digitalen Klangwandlers;
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4 eine lineare Darstellung des der Impulsantwort entsprechenden Amplitudengangs;
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5 eine logarithmische Darstellung des Amplitudengangs;
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6 eine lineare Darstellung des ungefilterten und gefilterten Amplitudengangs;
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7 eine logarithmische Darstellung des ungefilterten und gefilterten Amplitudengangs; und
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8 die dem ungefilterten und gefilterten Amplitudengang entsprechende ungefilterte und modifizierte Impulsantwort
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1 zeigt am Beispiel eines Gitarristen 101 mit einer E-Gitarre 102 einen Instrumentalisten mit einem Saiteninstrument, welches an einen digitalen Klangwandler 103 angeschlossen ist. Mit dem durch den digitalen Klangwandler 103 mit seiner ihm eigenen Impulsantwort gewandelten Klang wird über einen Musikverstärker/-lautsprecher 104 mit im Wesentlichen linearer Verstärkung das Konzertpublikum 105 beschallt.
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Bei einem größeren Konzert wird beispielsweise eine PA-Anlage (Public Address-Anlage) als Musikverstärker/-lautsprecher verwendet, um die Sprache und/oder Musik wiederzugeben. Mit einer PA-Anlage ist es möglich, große Flächen im Wesentlichen gleichmäßig zu beschallen.
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Ebenso ist eine dem Gitarristen 101 zugewandte Verstärkungsanlage 106, welche auch Monitoranlage genannt wird, vorgesehen. Diese ermöglicht dem Gitarristen 101 die Wahrnehmung und Anpassung seines eigenen Gitarrenspiels. Im Unterschied zu herkömmlichen Systemen, bei denen der Gitarrist 101 einen Saiteninstrumentenverstärker und -lautsprecher verwendet und der Klang abmikrophoniert wird, nimmt der Gitarrist 101 nunmehr fast den gleichen Klang wahr wie das Konzertpublikum 105. Insbesondere hört der Gitarrist 101 auch die für ihn ungewohnten und daher störenden Färbungen, die durch das Abmikrophonieren des Saiteninstrumentenverstärkers und -lautsprechers bedingt sind.
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In der
2 ist beispielhaft der Ablauf eines Verfahrens zur Modifizierung der Impulsantwort eines digitalen Klangwandlers dargestellt. Ausgegangen wird dabei von der vorliegenden Impulsantwort
201 des digitalen Klangwandlers. Diese Impulsantwort
201 kann beispielsweise durch Anpassen des digitalen Klangwandlers an einen Referenzklangwandler erhalten worden sein, so wie es in der oben genannten
EP 1 883 064 A1 beschrieben worden ist.
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Die Impulsantwort 201 wird zunächst mittels Fourier-Transformation 202 in einen komplexen Frequenzgang 203 umgewandelt und anschließend in Amplitudengang 204 und Phasengang 205 zerlegt. Der Amplitudengang wird nachfolgend einer Tiefpassfilterung 206 unterzogen, so dass ein gefilterter Amplitudengang 207 erhalten wird. Der gefilterte Amplitudengang 207 wird mit dem (unveränderten) Phasengang 205 zu einem modifizierten komplexen Frequenzgang 208 zusammengeführt, welcher mittels inverser Fourier-Transformation 209 in eine modifizierten Impulsantwort 210 umgewandelt wird.
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Ein Klangwandler mit einer auf diese Weise modifizierten Impulsantwort 210 kann es einem Instrumentalisten ermöglichen, den Klang seines Saiteninstrumentes mit verringerten, von ihm häufig als störend empfundenen Färbungen wahrzunehmen und das Vertrauen in sein eigenes Spielen zu steigern.
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In der 3 ist beispielhaft eine Impulsantwort eines digitalen Klangwandlers dargestellt. Der Klangwandler kann wie oben beschrieben an einen Referenzklangwandler angepasst worden sein. Auf der Abszissenachse ist die Zeit in Samples aufgetragen und auf der Ordinatenachse die zugehörigen diskreten Amplitudenwerte.
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4 zeigt eine lineare Darstellung des der Impulsantwort gemäß 1 entsprechenden, typischen Amplitudengangs, der mittels Fourier-Transformation erhalten werden kann. Nach der Transformation liegen die Amplituden im Frequenzbereich gleichverteilt vor. Deutlich sichtbare ist eine zunehmende Welligkeit des Amplitudengangs über 2 kHz, insbesondere über 5 kHz, die von Hörern als störend wahrgenommen werden kann. In der 5 sind die Magnituden nochmals über eine logarithmischen Frequenzachse aufgetragen. In der logarithmischen, d.h. gehörrichtigen Auftragung, wird zudem deutlich, dass die Welligkeit mit zunehmender Frequenz dichter wird. Die vorstehend beschriebene Welligkeit kann in einer herkömmlichen Tonstudio-Situation bei einer herkömmlichen Abmikrophonierung auch mit nachgeschalteten Equalizern kaum gemildert werden, da zu viele Einzelresonanzen in einer Analyse erfasst und entsprechend geregelt werden müssten.
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Die Auswirkung des digitalen Tiefpassfilters auf den Amplitudengang wird in den 6 und 7 gezeigt. Die Magnituden des gefilterten Amplitudengangs sind dabei jeweils mit einer durchgezogenen Linie verbunden und dem als unterbrochene Linie dargestellten ungefilterten Amplitudengang gegenübergestellt. Es ist dabei erkennbar, dass insbesondere für Frequenzen größer als viertausend Hertz die Filterung zu einer starken Abnahme der Welligkeit führt. Gleichzeitig werden jedoch die Magnituden im niedrigeren Frequenzbereich, die den wesentlichen Klangcharakter des digitalen Klangwandlers ausmachen, nur geringfügig beeinflusst.
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In der 8 ist die modifizierte Impulsantwort des digitalen Klangwandlers dargestellt, welche nach Zusammenführung des (ursprünglichen) Phasengangs und des gefilterten Amplitudengangs zu einem modifizierten komplexen Frequenzgang gefolgt von einer inversen Fourier-Transformation erhalten wird. Erkennbar ist auch hier eine deutliche Glättung bei zunehmender Sample-Anzahl.
