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Einrichtung zur räumlichen Lautsprecherwiedergabe Für die räumliche
Wiedergabe von Schallereignissen werden bisher mindestens zwei Übertragungskanäle
vom Aufnahmeort zum Wiedergabeort benötigt. Für eine Speicherung derartiger stereophon
wiederzugebender Schallereignisse auf Platten oder Bändern sind ebenfalls mindestens
zwei Tonspuren notwendig. Die Anwendung dieser Verfahren ist wegen des hohen Aufwandes
an Übertragungsmitteln und gegebenenfalls auch an Speichermitteln nur beschränkt
möglich.
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Es ist bekannt, daß es Schwierigkeiten macht, beispielsweise ein Orchester
stereophonisch aufzunehmen. Die »echte« Stereophonie mit Aufnahme durch zwei Mikrophone
in einem Modellkopf bedarf zur Wiedergabe zweier Kopfhörer. Benutzt man bei dieser
Mikrophonaufstellung zur Wiedergabe Lautsprecher, so ergibt sich eine Begrenzung
der Sitzplätze mit guter Hörsamkeit dadurch, daß man nur in der Mittelachse zwischen
den beiden Lautsprechern einen befriedigenden stereophonischen Eindruck hat. Bewegt
man sich aus der Mittelachse heraus nach rechts oder links, so bekommt sehr bald
der rechte bzw. der linke Lautsprecher ein Übergewicht.
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Stellt man dagegen die Mikrophone weit entfernt voneinander auf, so
verschwindet bei der Wiedergabe im Klangbild die Mitte, und zwei Punktquellen verbleiben.
Daher hat der Hörer bei den meisten zweikanaligen Übertragungen den Eindruck, daß
der Schall von zwei Punktschallquellen statt von einer kontinuierlichen Fläche kommt.
Außerdem treten bei zwei gleichzeitigen und von der gleichen Punktquelle stammenden
Schallereignissen sehr unerwünschte Verdeckungseffekte auf.
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Eine Vermehrung der Aufnahme- und Wiedergabekanäle vermehrt auch die
Probleme. Alle diese Verfahren, die von demselben Prinzip ausgehen, leiden unter
dynamischen Verlusten, welche durch die zu große Entfernung zwischen den Mikrophonen
und den hinteren Instrumenten verursacht sind. Die Lösung des Problems der Dynamik,
indem durch die Mikrophontechnik der monauralen Aufnahme diese an die Stereophonie
angepaßt wird, so daß manche Instrumente auf dem einen Kanal und andere auf dem
anderen aufgenommen werden, führt wieder nur zu zwei synchronen monauralen Wiedergaben
statt zur Stereophonie.
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Es hat allerdings nicht an Versuchen gefehlt, auch bei nur einkanaliger
Übertragung oder Speicherung räumliche Wiedergabeeigenschaften zu erzielen. Diese
unter der Bezeichnung Pseudostereophonie bekanntgewordenen elektroakustischen Wiedergaben
haben aber den Nachteil, daß sich nur die Illusion einer undeutlichen Staffelung
der Schallquellen nach der Tiefe vermitteln läßt, eine Lokalisierung der übertragenen
Schallquellen nach den Seiten ist dabei nicht möglich.
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Es sind auch Einrichtungen zur räumlichen Wiedergabe akustischer Darbietungen,
insbesondere von Musik, mit mehreren Lautsprechern bekanntgeworden, bei denen zur
Erzielung einer pseudostereophonischen Wirkung eine frequenzabhängige Aufteilung
der Tonfrequenzspannungen eines einzigen Aufnahmekanals auf mindestens zwei Wiedergabekanäle
'erfolgt. Die Aufteilung der Tonfrequenzspannungen erfolgt derart, daß bei dem Hochtonkanal
die Lautstärke zu den tiefen Frequenzen hin mit der Frequenz abfällt und bei dem
Tieftonkanal die Lautstärke zu den hohen Frequenzen hin mit der Frequenz abfällt.
Die Tonfrequenzspannungen in den beiden Kanälen werden über Lautsprecher oder Lautsprechergruppen
wiedergegeben, die mit horizontalem Abstand voneinander angeordnet sind.
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Die hörpsychologischen Gegebenheiten lassen sich durch die Intensitätsverhältnisse
an beiden Ohren bei zweiohrigem Hören besonders gut erfassen. Dabei wird die Fähigkeit
des Gehörs, die Richtung der Schallquelle aus dem Intensitätsunterschied der die
beiden Ohren treffenden Schallenergie zu lokalisieren, ausgenutzt. Diese Intensitätsunterschiede
lösen starke Richtungsempfindungen aus.
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Bei der monauralen Wiedergabe von Schallereignissen über einen Lautsprecher
herrschen an beiden Ohren die gleichen Intensitätsverhältnisse, so daß
hierdurch
keinerlei Richtungsinformation vermittelt wird. Wird eine derartige Aufnahme in
einen Hochton- und einen Tieftonkanal aufgespalten, so wird zwar eine plastische
Wirkung durch Trennung der Frequenzbereiche bemerkbar, aber echte Richtungsempfindungen
werden nicht ausgelöst, da trotz der Aufteilung die Intensitätsverhältnisse undefinierbar
bleiben.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile hat bei einer Einrichtung zur räumlichen
Lautsprecherwiedergabe, bei der zur Erzeugung einer pseudostereophonischen Wirkung
eine frequenzabhängige Aufteilung der Tonfrequenzspannungen eines einzigen Aufnahmekanals
auf einen Hochton- und einen Tieftonkanal erfolgt, erfindungsgemäß der Hochtonkanal
von 500 Hz aufwärts einen Frequenzgang, der invers zu der Kurve des Schalldruckunterschiedes
verläuft, der sich durch die frequenzabhängige, schallabschirmende Wirkung des Kopfes
beim Richtungshören unter einem Winkel von 60' an beiden Ohren ergibt. Auf
diese Weise wird der monaurale Kanal nicht nur nach seiner Frequenzstruktur aufgeteilt,
sondern es werden auch die beim zweiohrigen Hören vorliegenden Intensitätsverhältnisse,
insbesondere der für die hohen Frequenzen feststellbare Intensitätsunterschied der
beiden Ohren, durch entsprechende Auslegung des Netzwerkes für den Hochtonkanal
berücksichtigt. Durch den Ausgleich der frequenzabhängigen, schallabschirmenden
Wirkung des Kopfes beim Richtungshören durch eine entsprechende Netzwerkdämpfung
erhält man eine zusätzliche Information über die Richtung der Schallquellen. Dadurch
werden die gewünschten richtungsabhängigen Wirkungen erzielt.
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Weiterhin soll nach der Erfindung das Netzwerk für den Tieftonkanal
so ausgelegt sein, daß bei etwa 120 Hz der Pegel des Tieftonkanals um etwa 10 db
höher ist als der Pegel des Hochtonkanals.
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Hierdurch wird erreicht, daß von zwei Lautsprechern, die das gleiche
Schallereignis zur gleichen Zeit abstrahlen, derjenige sicher geortet wird, dessen
Schalldruck um mindestens 10 db über dem anderen liegt. Auf diese Weise werden auch
tiefe Frequenzen eindeutig lokalisiert.
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Die Figur zeigt beispielsweise den Pegelverlauf am Ausgang der Netzwerke
für den Hochton- und den Tieftonkanal zur Auslösung der vorstehend beschriebenen
Richtungsempfindungen. Die Kurve 1 gibt den frequenzabhängigen Verlauf des Intensitätsunterschiedes
an beiden Ohren beim zweiohrigen Hören für den Fall wieder, daß sich die Schallquelle
in einem Winkel von 60' zur Mittelachse des Kopfes befindet. Dies entspricht etwa
dem Winkel, unter dem sich im allgemeinen bei einer zweikanaligen Wiedergabe die
Lautsprecher zum Hörer befinden und der durch die Abmessung der Räume gegeben ist.
Der Hörer sitzt demn-,-#ch zu zwei Lautsprechern in einem Winkel von etwa 120'.
Diese Verhältnisse werden allgemein für das räumliche Hören in Räumen zugrunde gelegt.
Früher durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, daß die Grenzen für den Winkel
zwischen 55 und 65' liegen; innerhalb dieser Grenzen ändert sich die angegebene
60'-Kurve nicht wesentlich. Die Kurve 1 zeigt, daß die Intensitätsunterschiede mit
wachsender Frequenz immer größer werden.
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Um bei der Aufspaltung einer monauralen Aufnahme in einen Hochton-
und in einen Tieftonkanal diesen Intensitätsverhältnissen möglichst genau Rechnung
zu tragen, erhält die Kurve 2 für den Hochtonteil den inversen Verlauf der Kurve
1. Diese überlegungen gelten oberhalb einer Frequenz von 500 Hz. Unterhalb dieser
Frequenzgrenze bestehen keine nennenswerten Richtungsempfindungen mehr. Die Kurve
für die hohen Frequenzen hat daher unterhalb dieses Bereiches einen gerade ansteigenden
Verlauf.
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Die Kurve 3 gibt zum Vergleich den Schalleindruck wieder, wenn sich
die Schallquelle genau vor dem Kopf befindet. In diesem Fall ist kein Unterschied
zwischen beiden Ohren vorhanden und die Frequenzkurve 3 daher eine horizontal verlaufende
Gerade, wie dargestellt. Da an beiden Ohren der gleiche Schalldruck herrscht, ist
auch kein Richtungseindruck vorhanden, wie bei einer monauralen Wiedergabe üblich.
Bei der einkanaligen Aufnahme wird bekanntlich auf die Richtung der Schallquelle
keine Rücksicht genommen.
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Der Verlauf des Pegels am Ausgang des Tieftonkanals wird durch die
Kurve 4 wiedergegeben. Wie die Kurven 2 und 4 zeigen, besteht bei 500 Hz kein Pegelunterschied
zwischen dem Hochton- und Tieftonkanal. Bei etwa 120 Hz beträgt der Pegelunterschied
zwischen den beiden Tonkanälen etwa 10 db. d. h., der Pegel des Tieftonkanals ist
um 10 db höher als der Pegel des Hochtonkanals. Wie bereits ausgeführt wurde, wird
von zwei Schallquellen, die das gleiche Schallereignis wiedergeben, diejenige Schallquelle
vom Hörer geortet, die über 10 db lauter ist als die andere Schallquelle. Im vorliegenden
Fall wird dies durch entsprechende Dimensionierung der Netzwerke erreicht.
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Alle Frequenzen von 120 Hz abwärts werden im Tieftonkanal geortet.
Der Hochtonkanal bringt das Schallereignis auch, dort ist es aber wegen des Pegelunterschiedes
nicht wahrnehmbar.
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Die Bemessung der Netzwerke derart, daß gerade bei 120 Hz ein Pegelunterschied
zwischen den beiden Tonkanälen von 10 db vorhanden ist, hat den Vorteil, daß alle
Frequenzen von 120 bis 500 Hz (schraffierter Teil zwischen den Kurven 2 und 4) in
der Mitte zwischen den beiden Lautsprechern geortet werden. Die räumliche Wiedergabe
von Schallereignissen mit zwei Lautsprechern hatte bisher den Nachteil, daß keine
einwandfreie Mittenlokalisierung vorhanden war (Loch in der Mitte). Die Tiefenlokalisierung
tritt erst unterhalb von 120 Hz auf.
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Auf diese Weise wird ein sprunghafter Übergang zwischen den beiden
Lautsprechern und eine räumliche »Zerreißung« der Schallquellen beim Durchlaufen
eines größeren Frequenzbereiches vermieden. Bei der menschlichen Stimme beispielsweise
liegen die spektralen Anteile nicht unter 120 Hz; das bedeutet, daß die menschliche
Stimme nicht einmal in dem Tieftonkanal und kurze Zeit später in dem Hochtonkanal
geortet werden kann, sondern sie erscheint im allgemeinen in der Mitte zwischen
den beiden Lautsprechern und kann je nach der Stimmhöhe bis zum Ort des Lautsprechers
für den Hochtonkanal wandern.
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Bei der räumlichen Wiedergabe von Schallquellen mit der neuen Einrichtung
werden in dem Tieftonkanal nur die Schallquellen geortet, deren Schallpegel um etwa
10 db höher liegen als der Pegel der anderen Schallquellen. Das Energieschwergewicht
verschiedener Instrumente, beispielsweise des Helikons, Baß, Baßtuba, Pauke, Kontrabaß,
liegt immer tiefer als 120 Hz, deshalb werden diese Schallquellen entweder im Tieftonkanal
oder von der Mitte zwischen den beiden Lautsprechern bis zum Ort des Lautsprechers
für
den Tieftonkanal geortet. Der Frequenzbereich der Pauke reicht
beispielsweise bis 150 Hz, das Energieschwergewicht liegt aber unter 120
Hz, folglich erscheint die Pauke im Tieftonkanal.
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Die räumliche Wiedergabe der Schallvorgänge wird dadurch erreicht,
daß die einkanalige Aufnahme oder Übertragung beispielsweise durch elektrische Netzwerke
bei der Wiedergabe so aufgespalten wird, daß in an sich bekannter Weise ein vorzugsweise
auf der linken Seite des Hörers aufgestellter Lautsprecher bevorzugt die höheren
Frequenzen wiedergibt, wohingegen ein rechts stehender Lautsprecher bevorzugt die
Tiefen überträgt oder umgekehrt. Als elektrische Mittel zur Auflösung des monauralen
Übertragungskanals in einen Hoch- und einen Tieftonkanal können in an sich bekannter
Weise auch zwei Verzerrerverstärker mit entsprechendbemessenemFrequenzverlauf dienen.
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Die Illusion einer Tiefenstaffelung der verschiedenen Schallquellen,
z. B. der verschiedenen Instrumente in einem Orchester, ergibt sich durch die frequenzabhängige
Verteilung des Schalldruckes der beiden Lautsprecher.
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Die neue Einrichtung gestattet mit nur zwei Lautsprechern die stereophonische
Wiedergabe eines monauralen Schallereignisses, d. h., jeder in elektrischen Strom
verwandelte Schall wird stereophonisch wiedergegeben, selbst wenn dessen ursprüngliche
übertragung oder Aufnahme monaural war, gleichgültig ob diese vom Mikrophon, von
der Schallplatte, von dem Tonband stammt oder ob es sich dabei um eine Rundfunkübertragung
handelt.
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Durch die Frequenzverteilung des wiederzugebenden Schalles auf die
beiden Lautsprecher wird der Schall nicht nur in zwei Teile geführt, weil dies die
unerwünschten zwei Punktquellen erzeugen würde, sondern der Schall ist über die
gewünschte Fläche ausgedehnt, ohne daß in der Mitte zwischen den beiden Lautsprechern
eine Lücke vorhanden ist.
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Die klassische Aufstellung des Orchesters unterstützt die gewünschte
Wirkung, sie beginnt links mit den ersten Geigen, dann folgen die zweiten Geigen
und die Bratschen, nach rechts schließen sich die Violoncelli und die Bässe an.
Dahinter ist die Reihe der Holzbläser angeordnet, ebenso von links nach rechts Flöten,
Oboen, Klarinetten und Fagotte. Zuletzt folgt die dritte Reihe mit den Blechbläsern,
Pauken und dem Schlagzeug. Es ist eine historische Tatsache, daß diese Aufstellung
nicht willkürlich vorgenommen wurde, sondern es handelt sich dabei um eine aus Erfahrung
gewonnene Notwendigkeit zur Klarheit des komplexen Orchesterschalles.
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Die Einrichtung nach der Erfindung bringt nun gemäß der natürlichen
Aufstellung des Orchesters in an sich bekannter Weise links die hohen Frequenzen
und rechts die tiefen Frequenzen mit allen Frequenzbereichen dazwischen. Der Teil
der Einrichtung zur Wiedergabe über den linken Lautsprecher wird mit einer ansteigenden
und der Teil zur Wiedergabe über den rechten Lautsprecher wird mit einer abfallenden
Frequenzkurve versehen. Der Anstieg bzw. der Abfall der Frequenzkurve mußt nicht
unbedingt geradlinig sein.
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Die Einrichtung nach der Erfindung hat weiter folgende Vorteile: 1.
Der »Zwei-Lautsprecher«-Eindruck verschwindet völlig: die verschiedenen Schallereignisse
scheinen von jeder Stelle zwischen den Lautsprechern zu kommen, ohne Lücken in der
Fläche zu lassen; ein größerer Lautsprecherabstand vergrößert verhältnismäßig die
Schallfläche.
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2. Alle Instrumente scheinen von ihren normalen Orchesterstellen zu
kommen. Die Wirkung ist so stark, daß jedes Instrument sogar an den beiden Frequenzgrenzen
seinen Platz beibehält.
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3. Außer der Querverteilung der Instrumente ist eine Tiefenstaffelung
deutlich erkennbar: die Streicher haben vordere Präsenz mit den Holzbläsern dahinter,
während Blech, Pauke und Schlagzeug von verschiedenen hinteren Punkten aus die Fläche
durchdringen. Diese Wirkung ist vollkommen realistisch; sie hat eine eher musikalisch-psychologische
Erklärung als eine elektroakustische. Entsprechend der heute üblichen Konzertpraxis
und Mikrophonaufstellung nehmen außerdem Instrumental- oder Gesangssolisten die
vordere Mittelstellung ein.
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4. Die Bedeutung des Hörerplatzes ist auf diejenige im Konzertsaal
herabgesetzt, und ein herumgehender Hörer beobachtet wie in diesem, daß links oder
rechts die linke bzw. rechte Seite des Orchesters stärker klingt, daß aber das Gesamtorchester
seine Stellung genau einhält. Der Platz des Hörers im Wiedergaberaum ist also im
Gegensatz zu bekannten stereophonen Übertragungen nicht mehr kritisch.
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5. Der Schall ist von der Punktquellenwirkung der bekannten Lautsprecheranordnungen
- sogar derjenigen von großem Umfang - und gleichzeitig von der gewohnten Lautsprecherklangqualität
befreit. Dies trifft in einem solchen Maße zu, daß man billige Lautsprecher verwenden
kann. Durch die psychophysiologische Berücksichtigung des menschlichen Gehörs sind
Frequenzen hörbar, deren völlige Abwesenheit von den Lautsprecherspektren nachweisbar
ist.
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6. Durch die Ausdehnung der Schallquelle verschwindet völlig die Verdeckung,
welche zwei gleichzeitige von einer Punktquelle stammende Schallereignisse aufeinander
ausüben, da solche Schallereignisse jetzt von verschiedenen Stellen kommen. Dadurch
wird der Klang schöner, und die einzelnen Klangfarben kommen mit einer Reinheit
zu Gehör, die bei der bisherigen Lautsprecherwiedergabe nicht üblich war. Die sythetische
Anhäufung elektrisch verwandelten Schalles wird von der Einrichtung analysiert,
die Klarheit und Durchsichtigkeit eines guten Konzertsaales wird hervorgerufen.
und es wird beiden Ohren ermöglicht, ihre eigene Schallsynthese wie in der Wirklichkeit
zu machen.
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7. Einschwingvorgänge werden mit einer Genauigkeit wiedergegeben,
die normalerweise einer viel komplizierteren und teureren Apparatur entspricht.
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B. Die akustischen Eigenschaften des Raumes, von dem die Aufnahme
oder Übertragung stammt, werden in einem solchen Maße reproduziert, daß die raumakustischen
Eigenschaften des Wiedergaberaumes keine Rolle mehr spielen, d. h., die Eigentümlichkeit
des Aufnahmeraumes wird in den Wiedergaberaum hineingetragen. Durch die Abwesenheit
von Punkt-Klangquellen wirkt der übertragene Nachhall sogar in einem kleinen Raum
und bei hohem Pegel nicht mehr unangenehm. Trockene Aufnahmen werden lebendig, weil
stereophonischer Schall immer halliger als monauraler klingt. Der Konzertsaal kann
gewissermaßen sogar mit ins Freie genommen werden, wo die Reichweite
selbst
eines kleinen Lautsprechers beträchtlich ist; auch hier bleibt die Breite des Orchesters
erhalten.
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9. Die Einrichtung eignet sich besonders auch für Hörspiele und überhaupt
für Sprache, die mit großer Klarheit und Präsenz wiedergegeben wird. Es können entweder
zwei getrennte Verstärkerkanäle oder ein einkanaliger Verstärker verwendet werden,
an dessen Ausgang in an sich bekannter Weise eine Frequenzweiche angeschlossen ist,
die die elektrische Aufteilung des Frequenzbandes in einen die hohen Frequenzen
und einen die tiefen Frequenzen bevorzugenden Kanal gemäß der Erfindung vornimmt.
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An Stelle je eines Lautsprechers können zur Verwirklichung der Erfindung
auch Kombinationen aus mehreren Einzellautsprechern verwendet werden. Selbstverständlich
können auch Lautsprecher oder Lautsprecherkombinationen mit verschiedenen Charakteristiken
verwendet werden, beispielsweise für den Hochtonkanal ein Lautsprecher, der gemäß
seiner Bauart bevorzugt die hohen Frequenzen wiedergibt, und umgekehrt für den Tieftonkanal
ein Lautsprecher mit spezieller Tieftoncharakteristik. In diesem Fall müssen die
Frequenzgänge der elektrischen Netzwerke und Verstärker bzw. der Frequenzweiche
entsprechend bemessen werden.
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Vorteilhaft werden die Lautsprecher in an sich bekannter Weise frei
vor der Zimmerwand aufgestellt, und zwar so, daß der Schall von jedem Lautsprecher
oder jeder Lautsprecherkombination zunächst die Wand trifft, hier reflektiert wird
und dann zu den Hörern gelangt. Dabei kann der Reflexionswinkel an der Wand für
beide Lautsprecher gleich oder verschieden groß sein. Gegebenenfalls kann auch die
Decke des Raumes zur Reflexion des Schalles herangezogen werden.
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Besonders vorteilhaft ist die Einrichtung nach der Erfindung bei Rundfunkempfängern
zu verwenden, da diese am Ausgang des Niederfrequenzverstärkers nur mit einer Einrichtung
zur Schaffung des Hochton-und Tieftonkanals, beispielsweise mit einer Frequenzweiche,
versehen werden müssen. An diesen Ausgang werden dann die beiden Lautsprecher bzw.
zwei Lautsprechergruppen angeschlossen und so im Raum aufstellt, daß der linke Lautsprecher
bzw. die linke Lautsprechergruppe bevorzugt die hohen Frequenzen und der rechte
Lautsprecher bzw. die rechte Lautsprechergruppe bevorzugt die tiefen Frequenzen
wiedergibt.
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Gegebenenfalls kann wenigstens einer der in dem Rundfunkgerät vorhandenen
Lautsprecher für die neue Einrichtung verwendet werden; beispielsweise kann nach
entsprechender Anschaltung an die Frequenzweiche der normale Lautsprecher für den
Tieftonkanal verwendet werden. Unter Umständen können die beiden Lautsprecher auch
in dem Gehäuse des Rundfunkempfängers bzw. in Musikschränken angeordnet sein.