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Elektronischer Nachhallerzeuger zum Ändern der Nachhallkennlinie akustischer
Signale Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Nachhallerzeuger zum
Ändern der Nachhallkennlinie akustischer Signale zur Erhöhung der subjektiven Qualität
derselben, mit einem elektrischen Netzwerk zwischen Signaleingang und Signalausgang,
das Verzögerungs- und Verstärkungselemente aufweist.
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In einem Auditorium gelangt der Schall von seiner Quelle zu den Begrenzungen
des Auditoriums, wo er von einer Oberfläche zur anderen wiederholt reflektiert wird.
Bei jedem Auftreffen wird ein Teil der Energie des Schalls durch die Oberfläche
absorbiert, so daß der reflektierte Schall schwächer als der auffallende ist. Im
Ergebnis ist eine begrenzte Zeit nach Aufhören der Schallerregung notwendig, damit
die Schallenergie unhörbar klein wird. Dieser Effekt wird Nachhall genannt und entsteht
durch das während einer begrenzten Zeitspanne erfolgende Andauern eines Tones, nachdem
die durch die Quelle erfolgende Aussendung des Tones selbst aufgehört hat.
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Beim Studium der Akustik von Auditorien hat man festgestellt, daß
insbesondere für Musik eine beträchtliche Nachhallzeit erwünscht ist, da das Mischen
von Tönen einen angenehmen Effekt hervorruft. Infolgedessen ist die Anwendung elektronischer
Einrichtungen weit verbreitet, um die subjektive Qualität des Tones durch Hinzufügen
von Nachhall zu erhöhen. Zum Beispiel verwenden Schallplattenhersteller und Rundfunk
künstlichen Nachhall, um die Qualität von Aufnahmen zu erhöhen, die im Freien oder
an anderen Orten gemacht werden, wo das vorteilhafte Maß an natürlichem Nachhall
nicht vorhanden ist. Raumakustiker verwenden künstlichen Nachhall, um den Nachhall
von für Vorträge bestimmte Auditorien zu erhöhen, damit sie als Konzertsäle verwendet
werden können. Im Heim werden künstliche Nachhallerzeuger benutzt, um dem besonderen
Geschmack des jeweiligen Hörers zu entsprechen. Im Idealfall sollen künstliche Nachhallerzeuger
auf Tonsignale genau wie richtige dreidimensionale Räume wirken. Dies ist jedoch
nicht einfach zu erreichen, wenn nicht eine Nachhallkammer oder das elektrische
Äquivalent eines dreidimensionalen Raumes verwendet wird. Im Ergebnis haben bei
Rundfunkstationen und Schallplattenherstellern große und teuere Nachhallkammern
wegen ihrer hohen Qualität und wegen des Fehlens unerwünschter Nebeneffekte weitgehend
Anwendung gefunden. Selbstverständlich sind solche Kammern keine richtigen künstlichen
Nachhallerzeuger.
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Elektronische Nachhallerzeuger sind jedoch vorzuziehen, da sie billiger
als richtige Räume sind und da sie in nicht professionellen Anlagen, z. B. in Heimmusiksystemen,
wie auch professionell angewendet werden können. Sie können ferner dazu benutzt
werden, um die Nachhallzeit von Auditorien zu erhöhen, wodurch diese ohne Änderung
der Architektur als Konzertsäle hergerichtet werden können. Unglücklicherweise ergeben
bekannte elektronische Nachhallerzeuger, die Verzögerungsleitungen, Scheiben- oder
Bandverzögerungen, Verstärker u. dgl. aufweisen, infolge der ungünstigen Schwankungen
ihrer Amplitudenfrequenzkennlinie einen ziemlich unnatürlichen Nachhall, wobei die
Schwankungen den Frequenzkennlinien ein kammartiges Aussehen verleihen.
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So ist ein künstliches Nachballsystem bekannt, bei dem mehrere parallele
Verzögerungseinrichtungen zum Erzeugen verzögerter Signale vorgesehen sind, die
mit dem direkten Signal zur Erzeugung eines Ausgangssignals konstruiert werden.
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Ferner ist ein System zum Erzeugen mittels elektrischer Verzögerungseinrichtungen
bekannt, die parallel zu einem elektrischen System geschaltet sind, das eine Signalquelle
und eine das Signal aufnehmende Einrichtung verbindet. Schließlich ist ein Schallübertragungssystem
mit einer elektrischen Rückkbpplungseinrichtung zum Rückführen eines Teiles des
verzögerten Signals zum Eingang der Verzögerungseinrichtung bekannt. Diese bekannten
Vorrichtungen haben aber sämtlich den obengenannten Nachteil.
Eine
Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten künstlichen elektronischen
Nachhallerzeuger zu schaffen, durch den die Tonqualität nicht ungünstig beeinflußt
wird.
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Bevor mit der Schilderung der theoretischen Grundlagen der Erfindung
und der Geräte, die das theoretische Prinzip verwenden, begonnen wird, ist es nützlich,
einige wichtige Eigenschaften großer Auditorien zu betrachten.
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Ein Raum kann durch seine normalen Schwingungsformen oder durch seine
Eigenschwingungen gekennzeichnet werden. Die Dichte seiner Eigenschwingungen ist
nahezu unabhängig von der Form des Raumes und proportional zum Quadrat der Frequenz:
Anzahl der Eigenschwingungen je
wobei V das Volumen des Raumes in Kubikmetern, c die Geschwindigkeit des Schalls
in Meter je Sekunde und f die Frequenz in Hz ist. Oberhalb einer gewissen kritischen
Frequenz
wobei T die Nachhallzeit in Sekunden ist, wird die Dichte der Eigenschwingungen
so hoch, daß sich zahlreiche Eigenschwingungen überlappen. In diesem Frequenzbereich,
der für große Räume in erster Linie von Interesse ist, wird das Verhalten des Raumes
durch die gemeinsame Wirkung zahlreicher gleichzeitig angeregter und interferierender
Schwingungsformen beherrscht, die eine sehr unregelmäßige Amplitudenfrequenzkennlinie
ergeben. Jedoch sind die Schwankungen auf der Frequenzskala so schnell, daß das
Ohr beim Hören eines nicht konstanten Tones die Unregelmäßigkeiten nicht wahrnimmt.
Tatsächlich können die Kennlinienschwankungen nur gehört werden, wenn der Raum mit
einer Sinuswelle langsam ändernder Frequenz angeregt und nur mit einem Ohr gehört
wird. Wenn die Raumkennlinie gemessen wird, wobei an Stelle einer Sinuswelle ein
psychoakustisch geeigneteres Prüfsignal, z. B. ein schmales Rauschband, verwendet
wird, ist die Kennlinie viel glatter. Diese offensichtlich glatte oder flache Frequenzkennlinie
des Raumes ist, wie man festgestellt hat, besonders schwierig mit künstlichen Nachhallerzeugern
nachzuahmen.
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Eine flache Frequenzkennlinie ist nicht die einzige Forderung an einen
Nachhallerzeuger hoher Qualität. Das Einschwingverhalten eines Raumes ist ebenfalls
ein wichtiger Faktor für eine natürlich klingende Nachhallerzeugung. Insbesondere
ist das Ansprechen eines Raumes auf die Anregung mittels eines kurzen Impulses von
großer Bedeutung. Wenn für irgendeinen Ort des Raumes der Schalldruck als Funktion
der Zeit aufgezeichnet wird, wird zuerst ein Impuls festgestellt, der dem direkten
Schall entspricht, der von der Schallquelle ohne Reflexion an den Wänden zum Aufnahmepunkt
gelangt. Danach entsteht eine Anzahl diskreter Echos niedriger Ordnung, welche einer
oder mehreren an den Wänden und der Decke des Raumes auftretenden Reflexionen entsprechen.
Allmählich nimmt die Echodichte bis zu einem statistischen >Gemisch« zu. Tatsächlich
ist die Echodichte proportional zum Quadrat der verstrichenen Zeit:
Die Zeit, nach der die Echokennlinie ein statistisches Gemisch wird, hängt von der
Länge des Anregungsimpulses ab. Für einen Impuls mit der Länge dt beträgt die kritische
Zeit, nach der die Überlappung der einzelnen Echos beginnt, etwa
Somit wird für in einem Raumvolumen von 10000M3 stattfindende Einschwingvorgänge
von 1 msek Dauer nach 150 msek die Kennlinie statistisch und ist durch das gemeinsame
Verhalten und die Interferenz zahlreicher sich überlappender Echos bestimmt.
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Ein anderes wichtiges Kennzeichen großer »diffuser« Räume besteht
darin, daß sämtlicheEigenschwingungen die gleiche oder nahezu die gleiche Nachhallzeit
aufweisen und damit mit gleicher Geschwindigkeit abnehmen, wie diese sich durch
einen geradlinigen Abfall ergibt, wenn der Tonpegel in Dezibel über der verstrichenen
Zeit aufgetragen wird. Eine weitere Eigenschaft akustisch guter Räume besteht im
Nichtvorhandensein von »Flatter«-Echos, d. h. von periodischen Echos, die durch
die zwischen parallen, akustisch harten Wänden hin- und hergeworfenen Schallwellen
entstehen. Solche Periodizitäten in der Echokennlinie sind eng mit eindimensionalen
Schallfortpflanzungseigenwerten verbunden, die durch schräggestellte Wände und durch
Aufstellung von »Diffusoren« im Schallweg vermieden werden können.
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An Hand dieser kurzen Betrachtung des Raumverhaltens können die Bedingungen,
welche von künstlichen Nachhallerzeugern erfüllt werden müssen, wie folgt zusammengestellt
werden: 1. Die Frequenzkennlinie muß flach sein, wenn sie mit schmalen Rauschbändern
einer Bandbreite gemessen wird, die den Einschwingvorgängen im mit Nachhall zu versehenden
Schall entspricht. Diese Bedingung wird selbstverständlich von Nachhallerzeugern
erfüllt, welche sogar für eine sinusförmige Erregung eine flache Kennlinie aufweisen.
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2. Die Eigenschwingungsformen des Nachhallerzeugers müssen sich überlappen
und den gesamten Tonfrequenzbereich überdecken.
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3. Die Nachhallzeiten der einzelnen Schwingungsformen müssen gleich
oder nahezu gleich sein, so daß die verschiedenen Frequenzkomponenten des Schalls
mit gleicher Geschwindigkeit abnehmen.
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4. Bei einer Stoßerregung muß nach kurzer Zeit die Echodichte hoch
genug sein, daß sie auch für die kürzesten hörbaren Einschwingvorgänge einen zusammenhängenden
Nachhall ergibt.
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5. Die Echokennlinie muß frei von Periodizitäten sein (Flatterechos).
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Zusätzlich zu diesen fünf Bedingungen muß eine sechste erfüllt sein,
die aus der obigen Zusammenstellung des Raumverhaltens nicht hervorgeht.
Sie
wird durch die meisten elektronischen Nachhallerzeuger nicht erfüllt.
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6. DieAmplitudenfrequenzkennlinie darf keine offenbaren Periodizitäten
zeigen. Periodische oder kammartige Frequenzkennlinien erzeugen einen unangenehmen
hohlen, schnarrenden oder metallischen Klang und vermitteln den Eindruck, daß der
Ton über eine hohle Röhre oder eine Trommel übertragen wird. Diese Bedingung ist
besonders wichtig, insbesondere bei Systemen, bei denen durch Umlaufenlassen des
Tons mit Hilfe der in Rückkopplungskreisen auftretenden Verzögerung lange Nachhallzeiten
erzielt werden. Die Kennlinien derartiger Kreise, welche eindimensionalen Tonübertragungen
äquivalent sind, sind von Haus aus periodisch, so daß spezielle Vorkehrungen getroffen
werden müssen, um solche Periodizitäten unhörbar zu machen. Da die meisten bisherigen
Nachhalleinrichtungen diese Bedingung nicht erfüllen, wurde es bisher bei professionellen
Aufzeichnungsstudios u. dgl. als notwendig erachtet, Zuflucht zu großen Nachhallkammern
oder anderen analogen Einrichtungen zu nehmen, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
Zum Unterschied zu den bisherigen Nachhallerzeugern, bei denen einfache Rückkopplungskreise
mit Verzögerungsleitungen, Scheiben oder Bandverzögerungselementen zur Erzeugung
einer Echofolge (meist kammfilterartige Kennlinie) benutzt werden, wird gemäß der
Erfindung ein passives Netzwerk verwendet, das sich dadurch auszeichnet, daß das
Netzwerk eine Mehrzahl von Allpaß-Rückkopplungsschleifen enthält, durch die ein
Signal vom Signaleingang wiederholt umläuft, daß jede Rückkopplungsschleife Verzögerungseinrichtungen
aufweist, daß die Verhältnisse zwischen den einzelnen Verzögerungen nicht rational
und die einzelnen Verstärkungen der Schleifen kleiner als Eins sind und daß das
Netzwerk dem Hinzufügen der durch die Rückkopplungsschleifen mehrfach verzögerten
Signale zu einem ausgewählten Teil des vom Signaleingang herrührenden unverzögerten
Signals dienenden Vereinigungseinrichtungen zum Erzeugen eines am Signalausgang
auftretenden zusammengesetzten Signals aufweist. Hierdurch wird erreicht, daß eine
Phasenverschiebung oder eine Verzögerung ohne bemerkenswerte Dämpfung bei irgendwelcher
Frequenz eingeführt wird. Insbesondere hat das Rückkopplungsnetzwerk mit einer Allpaßkennlinie,
das an seinem Ausgang Teile eines vielfach verzögerten Tons und einen Teil des unverzögerten
Tons kombiniert, die erforderlich flache Amplitudenfrequenzkennlinie. Um eine genügend
hohe Echodichte zu erzielen und hörbare Periodizitäten zu vermeiden, sind mehrere
Allpaß-Rückkopplungskreise mit nicht zueinander in Beziehung stehenden Verzögerungen
(nicht rationale Verzögerungsverhältnisse) hintereinandergeschaltet. Das gesamte
Netzwerk hat eine Allpaßkennlinie, d. h. eine flache Frequenzkennlinie, es hat aber
auch eine hohe Echodichte und eine aperiodische Echokennlinie. So weist die Impulskennlinie
keine Wiederholungen hörbarer Frequenz auf. Wenn auch jede Anzahl einzelner Stufen
in Reihe geschaltet werden kann, so hat man doch festgestellt, daß sich die am natürlichsten
klingenden Nachhalleffekte mit zwei. bis fünf Stufen ergeben. Der erfindungsgemäße
künstliche Nachhallerzeuger erfüllt somit in seinen einfachster' Formen die Bedingungen
1 bis 6 in idealer Weise.
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Die Allpaßkennlinie des Nachhallnetzwerkes kann weiterhin dazu benutzt
werden, eine Einkanaltonquelle in ein Doppelkanalsignal aufzutrennen, das sich in
mancher Beziehung wie ein stereophones Doppelkanalsignal verhält. Das heißt, die
Einrichtung kann in einem Parallelnetzwerk verwendet werden, so daß ein Einkanalsignal,
das parallel durch einzelne Nachhallnetzwerke verschiedener Phasenkennlinien geht,
effektiv in zwei quasi-stereophone Signale aufgespalten wird, die einem Hörer die
ganze Fülle der Mehrkanalstereophonie vermitteln, die jedoch selbstverständlich
die richtige Ordnung der einzelnen Tonquellen nicht erlauben.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen beschrieben; es zeigt F i g. 1 ein
vereinfachtes Blockschema eines Tonsystems, das so eingerichtet ist, daß es Tonsignalen
künstlichen Nachhall hinzufügt, F i g. 2 das Blockschema der Grundeinheit bekannter
Nachhalleinrichtungen zusammen mit Impuls-und Frequenzkennlinien für die Nachhalleinrichtung,
F i g. 3 das Blockschema einer Grundeinheit der Erfindung, welches ein Allpaß-Nachhallnetzwerk
zusammen mit dessen Impuls und Frequenzkennlinien zeigt, F i g. 4 das Blockschema
mit einer Mehrzahl Grundeinheiten nach F i g. 3 zur Bildung eines der Erzeugung
künstlichen Nachhalls dienenden Mehrfachnetzwerkes, F i g. 5 ein Blockschema einer
weiteren Anwendung der Ausführungsformen der Erfindung, insbesondere nach F i g.
4, zur Verbesserung der Nachhallkennlinie bekannter Nachhallerzeuger (z. B. nach
F i g. 2) in Parallelanordnung, F i g. 6 ein Blockschema einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung,. das so eingerichtet ist, daß sie aus einem Einkanaltonsignal ein
quasi-stereophones Signal erzeugt, F i g. 7 die Impulskennlinie der beiden Ausgänge
der Einrichtung. nach F i g. 6 .und F i g. 8 eine graphische Darstellung der Gruppenverzögerungsdifferenz
zwischen den Ausgangssignalen 1 und 2 der Einrichtung nach F i g. 6 als Funktionen
der Frequenz.
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Die Funktion und die Anwendung der zu beschreibenden Einrichtung sind
im Blockschema der F i g. 1 dargestellt, bei der ein Tonsignal, das in der Tonquelle
10 entsteht, die ihrerseits ein Mikrophon, einen Bandspieler o. dgl. enthält,
durch einen oder zwei parallele Wege 11 oder 12 einer Verbrauchseinrichtung
13, z. B. einem Lautsprecher zugeführt wird. Im normalen Betrieb überträgt der Schalter
SWl die Signale der Quelle 10 zur Verbrauchereinrichtung 13
über den
Weg 11, längs dessen eine nicht nachhallende Verstärkung in einem herkömmlichen
Verstärker 14
stattfindet. Zur Verbesserung der Tonsignale durch künstlichen
Nachhall überträgt der Schalter SWl die Signale der Quelle 10 zur Verbrauchereinrichtung
über den Weg 12. Hier gehen die Signale über einen künstlichen Nachhallerzeuger
15, in dem ein bestimmtes Maß an Nachhall eingeführt wird, um sie in Signale eines
optimalen Maßes an Nachhall umzuwandeln, d. h., daß der Nachhall dem Auditorium
adäquat ist, in dem der Ton wiedergegeben wird.
Zusätzlich können
die geänderten Signale über einen herkömmlichen Verstärker 16 gehen, um sie auf
einen gewünschten Pegel anzuheben. Dem Fachmann wird es selbstverständlich klar
sein, daß die Schaltanordnung der F i g. 1 nur in etwa andeutet, wie der künstliche
Nachhallerzeuger 15 angewandt wird. Bei den meisten Anwendungen wird der künstliche
Nachhallerzeuger ein Bestandteil der Verstärkungseinrichtungen sein, so daß die
Schalteranordnung der F i g. 1 weggelassen werden kann. Durch geeignete Regelung
kann das Maß an Nachhall so eingestellt werden, daB der Nachhall gänzlich aus der
Schaltung entfernt, also das Nachhallmaß auf Null eingestellt wird. In dieser Form
wird die Schaltung, insbesondere in Heimmusiksystemen, angewendet, d. h. in sogenannten
»High-fidelity«-Apparaten.
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F i g. 2a zeigt zur Einführung einen einfachen Nachhallerzeuger bekannter
Art, der ein exponentiell abnehmendes Vielfachecho liefert. Er besteht aus einer
Verzögerungsleitung, einer Platte oder einem Bandverzögerungselement 21,
die nach einer Verzögerungszeit -c ein Echo liefert. Von selbst läßt das Verzögerungselement
sämtliche Frequenzen gleich gut ohne Verstärkung oder Dämpfung durch. Um Vielfachechos
ohne -Verwendung zusätzlicher mechanischer Verzögerungseinrichtungen hervorzubringen,
wird die Verzögerungsleitung in einem Rückkopplungskreis 22 angeordnet, der eine
Versärkung g kleiner als Eins aufweist, so daß der Kreis stabil ist. Die in F i
g. 2b dargestellte Impulskennlinie des Netzwerks ist ein exponentiell abnehmendes,
wiederholtes Echo, dessen Impulskennlinie h(t) lautet. -h (t) = b (t-z) +
g b (t-2 a) + g2 b (t-3 z) + . . . , (5) wobei b(t) die Diracsche Deltafunktion
(ein idealer Impuls) und g die Verstärkung des Rückkopplungskreises ist. Die entsprechende
komplexe Frequenzkennlinie H(w) lautet H(0)=e-iwZ +ge-ziwz+g2e-sim=+ .. (6) wobei
a) die Kreisfrequenz ist. Unter Anwendung der Summenformel einer geometrischen Reihe
erhält man den Ausdruck
Bildet man das Quadrat des Betrages von H(ru), so erhält man die quadrierte Amplitudenfrequenzlinie
Man sieht, daß H (c» nicht mehr unabhängig von der Frequenz ist. Tatsächlich hat
für
die Kennlinie Maxima des Wertes
und für
Minima des Wertes
Das Verhältnis der Maxima zu den Minima lautet:
Für eine Kreisverstärkung von g = 0,7 (-3db) beträgt dieses Verhältnis 1,7:0,3 =
5,7 oder 15db.
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Die Amplitudenfrequenzkennlinie einer Verzögerung in einem Rückkopplungskreis
hat somit das Aussehen eines Kamms mit periodischen Maxima und Minima. Diese Kennlinie
ist in F i g. 2c dargestellt. Jedes Maximum entspricht einer normalen Schwingungsform.
Die natürlichen Frequenzen haben somit einen Abstand von
Hz. Die 3-db-Bandbreite jedes Maximums ist etwa
wobei »In« den Logarithmus zur Basis e = 2,718 ...
bedeutet. Durch Umwandeln
in den Logarithmus zur Basis 10 (log) erhält man
wobei y die Kreisverstärkung in dezibel ist: y = 20 logg. Für y = -3 db beträgt
die Bandbreite etwa
oder nur ein Neuntel des Abstands der natürlichen Frequenzen. Der subjektive Effekt
dieser Resonanzkennlinie ist die obenerwähnte hohle oder schnarrende Tonqualität.
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Entsprechend der Erfindung erhält man eine gleichmäßige Kennlinie
des Nachhallerzeugers für sämtliche Frequenzen, indem man dem vielfach verzögerten
Ton des Rückkopplungsnetzwerks einen gewählten Betrag an unverzögertem Ton hinzufügt.
Ein geeignetes Netzwerk ist in F i g. 3 a dargestellt. Es enthält sowohl einen direkten
Weg für angelegte Signale über den Verstärker 31 als auch einen Weg, der
einen Rückkopplungskreis enthält. Die Signale von beiden Kreisen werden im Addierkreis
32 vereint. Das Verzögerungselement 33 schafft die erforderliche Verzögerung für
die Eingangssignale, während ein Verstärker 34 die verzögerten Signale über den
Addierkreis 35 zum Eingang des Verzögerungselements 33 zurückliefert. Um das Mischungsverhältnis
(der vielfach verzögerten und der unverzögerten Signale) zu erhalten, das eine gleichmäßige
Kennlinie des Netzwerks für sämtliche Frequenzen ergibt und außerdem die Verstärkung
Eins für sämtliche Frequenzen beibehält, ist der Verstärker 31 im unverzögerten
Weg mit einer Verstärkung (-g) vorgesehen, während in dem vielfach verzögerten Weg
eine Verstärkung von 1-g2) vorgesehen ist. Bei der dargestellten Anordnung hat das
Rückkopplungsnetzwerk selbst eine Verstärkung von Eins, so daß es zweckmäßig ist,
die vielfach verzögerten Signale den Verstärker 36 mit einer Verstärkung von (1-g2)
passieren zu lassen, bevor sie mit den unverzögerten Signalen im Addierkreis 32
vereint werden. Die Impulskennlinie des gesamten Netzwerks ist gegeben durch
h (t) = -g b (t)
+ (-g2) fd(t-z) + gd(t-2z)
+ ...],
(14)
sie ist in F i g. 3b dargestellt. Die entsprechende
Frequenzkennlinie lautet
oder ausgedrückt in einer anderen algebraischen Form
Da der erste Faktor auf der rechten Seite der Gleichung den absoluten Wert Eins
hat, und der zweite Faktor der Quotient der beiden konjugiert komplexen »Vektoren«
ist, beträgt der absolute Wert von H(co) ebenfalls Eins. Somit ist H(oJ), =
1 . (17) Mit anderen Worten, die Hinzufügung eines geeignet bemessenen unverzögerten
Wegs hat das Kammfilter [Gleichung (8)] in ein Allpaßfilter [Gleichung (17)] umgewandelt
mit einer Frequenzkennlinie der in F i g. 3 c dargestellten Art. Die Umwandlung
wird von einer bemerkenswerten Verbesserung der Tonqualität von einem hohlen Ton
in eine vollkommen »farblose« Qualität begleitet. Also läßt das Nachhallelement
sämtliche Frequenzen mit gleicher Verstärkung durch und erfüllt damit die obigen
Bedingungen 1 und 6. Die Abstände und die Abfallgeschwindigkeiten der normalen Schwingungsformen
sind, trotzdem sie nicht mehr als Resonanzspitzen der Amplitudenfrequenzkennlinie
»sichtbar<< sind, die gleichen wie diejenigen des oben behandelten Kammfilters.
Somit ist ebenfalls die Bedingung frei, die gleiche Abfallgeschwindigkeiten für
die normalen Schwingungsformen forderte, erfüllt.
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Ob sich die normalen Schwingungsformen überlappen (Bedingung 2) oder
nicht, kann nicht mehr auf der Basis der Amplitudenfrequenzkennlinie beurteilt werden,
da diese konstant ist. Doch gibt die Phasenfrequenzlinie die Verteilung der normalen
Schwingungsformen an und muß somit der Bedingung 2 entsprechen. Die Phasenverschiebung
von H(oo) als Funktion der Frequenz ergibt sich aus Gleichung (16).
Ein zweckmäßiger Wert zur Betrachtung der Änderungsgeschwindigkeit der Phasenverschiebung
in bezug auf die Kreisfrequenz lautet
wobei dieser Wert genau die gleiche Abhängigkeit von co wie die quadratische Amplitudenfrequenzkennlinie
1 H(co) 1 2 des entsprechenden Kammfilters aufweist [s. Gleichung (8)]. Die
physikalische Bedeutung von
ist diejenige der »Gruppen«-Laufzeit oder Verzögerung eines schmalen Frequenzbands
um co. Entsprechend (19) schwankt für eine Kreisverstärkung von g = 0,7 diese Gruppenverzögerung
um 32:1 für verschiedene Frequenzbänder, wobei die großen Verzögerungen selbstverständlich
bei Frequenzen in der Nähe der natürlichen Frequenzen
des Filters auftreten. Die Halbwertbreite der Gruppenverzögerungsspitzen ist die
gleiche wie die Halbwertbreite der squariierten Amplitude [s. Gleichung (12)]. Somit
leiten für eine Kreisverstärkung von -3 db nur ein Neuntel aller Frequenzkomponenten
eine große Gruppenverzögerung, während die übrigen Frequenzen viel weniger verzögert
sind. Dies stellt eine sehr ungleiche Behandlung verschiedener Frequenzkomponenten
dar und verletzt die Bedingung 2.
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Die Beziehung zwischen der Nachhallzeit T (definiert durch einen Abfall
von 60 db) und den beiden Parametern des Nachhallerzeugers der Verzögerung a und
der Kieisverstärkungy in dezibel ist die folgende: Für jeden Umlauf im Rückkopplungskreis
wird der Ton um y db gedämpft. Somit beträgt die 60 db Abfallzeit
Für y = -3 db ist T = 20 -r. Offene Kreisverstärkungen, die größer
als 0,7 (-3 db) sind, werden nicht betrachtet, da es in der Praxis schwierig ist,
die gewünschten Eigenschaften des geschlossenen Kreises bei Verstärkungen zu erhalten,
die zu nahe bei Eins liegen. Um z. B. einen künstlichen Nachhall von 2 Sekunden
zu erhalten, muß die Kreisverzögerung 0,1 Sekunde betragen. Bei dieser Kreisverzögerung
erzeugt das in F i g. 3 a dargestellte Grundnachhallelement alle 1/io Sekunde ein
Echo. Dieses bildet ein äußerst unerwünschtes periodisches Flatterecho. Ferner ist
die Echodichte (zehn Echos je Sekunde) viel zu gering, um einen stetigen Nachhall
zu ergeben. Somit werden die Bedingungen 4 und 5 ebenfalls nicht erfüllt.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine weniger periodische
Zeitkennlinie und eine größere Echodichte ohne Verzicht auf die Allpaßeigenschaft
erreicht, indem mehrere Allpaß-Rückkopplungskreise mit nicht zueinander in Beziehung
stehenden Verzögerungen in Reihe geschaltet werden, wie es in F i g. 4 dargestellt
ist. Bei dieser Anordnung werden die Bedingungen 2, 4 und 5 erfüllt. Der Ausdruck
nicht miteinander in Beziehung stehende Verzögerungen soll bedeuten, daß die Verzögerungen
Werte haben, die keinen gemeinsamen Teiler aufweisen. d. h. daß die Verhältnisse
der Verzögerungen nicht rational sind. Mit einer Hintereinanderschaltung von Allpaß-Netzwerken
wird eine bessere Überdeckung der Frequenzachse mit normalen Schwingungsformen erreicht.
Tatsächlich ist die Gruppenverzögerungskennlinie der Serienschaltung eine Summe
von Ausdrücken mit verschiedenen Werten von z [ wie in Gleichung (19)]. Da jeder
dieser Ausdrücke nur etwa ein Neuntel sämtlicher Frequenzkomponenten verzögert,
sind wenigstens fünf oder möglicherweise zehn Allpaß-Rückkopplungskreise in Reihe
erforderlich. 'Tatsächlich hat man festgestellt, daß in zahlreichen Fällen, insbesondere
wenn der musikalische Klang verbessert werden soll, zwei oder drei in Reihe geschaltete
Netzwerke ausreichen.
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Bei dem in F i g. 4 dargestellten künstlichen Nachhallerzeuger sind
nur zwei Allpaßnetzwerke vorgesehen. Die Bezeichnungszahlen der Teile entsprechen
dem
Netzwerk der F i g. 3 a. Wie oben angegeben wurde, können in Reihe mit den dargestellten
Netzwerken weitere Netzwerke geschaltet werden (wie durch die gestrichelte Linie
angedeutet ist, die die Netzwerke miteinander verbindet), wenn im vorliegenden Fall
die zusätzlichen Stufen von Nutzen sind. Der Aufbau jedes der Netzwerke ist gleich,
jedoch werden die Parameter jeweils so gewählt, daß die Kreisverzögerungen z fortschreitend
kleiner werden. Jedoch ist eine geometrische Staffelung der Verzögerungen vorzuziehen,
wobei die größte Verzögerung so gewählt wird, daß sie im wesentlichen gleich der
Gesamtnachhallzeit ist, die für den wiedergegebenen Klang gewünscht wird. Es ist
zu bemerken, daß die Gesamtnachhallzeit nicht genau gleich der Summe der einzelnen
Nachhallzeiten ist. Sie ist im wesentlichen eine Funktion des Elements mit der größten
Verzögerung, das in irgendeinem der Netzwerke benutzt wird. Die Kreisverstärkungen
g werden so gewählt, daß der Ausgang nahezu gleiche Impulsamplituden abgibt. Vorzugsweise
sind die Kreisverstärkungen der aufeinanderfolgendenNetzwerke gleich. Bereits eine
oberflächliche Betrachtung eines einzelnen Allpaßnetzweikes, z. B. des Netzwerks
der F i g. 3a zeigt, daß für Kreisverstärkungen, die nahezu gleich Null sind, in
der Kennlinie nur ein Impuls erscheint, d. h., das Netzwerk ist auf eine einfache
Verzögerung reduziert, die ein einziges Echo nach der Verzögerung liefert. Wenn
die Kreisverzögerung g nahezu Eins beträgt, erreicht nur das unverzögerte Signal
den Ausgang. Man hat festgestellt, daß eine Kreisverstärkung im Bereich von 0,5
bis 0,8 die beste Gesamtverteilung der Echoamplituden im Ausgangssignal ergibt.
Optimal ergibt ein Wert von 7,707 aufeinanderfolgende Impulsamplituden (in der Impulskennlinie)
von 0,5, 0,35, 0,25, 0,175 ... in einer genau geometrischen oder exponentiellen
Folge. Dies stellt selbstverständlich einen besonderen Vorteil dar, da der Abfall
des natürlichen Nachhalls ebenfalls exponentiell verläuft.
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Der Vollständigkeit halber werden nachfolgend die Parameter für einen
typischen Nachhallerzeugei für T= 1 Sekunde mit fünf hintereinandergeschalteten
Stufen angegeben. Diese Werte wurden durch Hörversuche und durch Untersuchung von
gemessenen Daten ermittelt, um eine »Tonfärbung« vollständig zu beseitigen. Das
Problem der ungleichen Kennlinie bei verschiedenen Frequenzen wird mit diesen Werten
gelöst, und hörbare Flatterechos werden vermieden.
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Das Hinzufügen einer oder zweier Ergänzungs-Rückkopplungskreise mit
längeren Verzögerungen ermöglicht eine größere Nachhallzeit.
| Stufe Verzögerung a (msec) Kreisverstärkung g |
| 1 40 +0,7 |
| 2 27 -0,7 |
| 3 24 +0,7 |
| 4 7,8 +0,7 |
| 5 2,3 +0,7 |
Da die erfindungsgemäßen Allpaßnachhallnetzwerke flache Frequenzkennlinien aufweisen,
können sie benutzt werden, um die Echodichte jeder Art von elektronischen Nachhallerzeuger
zu verbessern, z. B. von Nachballerzeugern, die aus einem parallelen Netzwerk von
Kammfiltern bestehen. So kann z. B. die Anzahl der parallelen Netzwerk-Kammfilterzweige
in einem derartigen Nachhallerzeuger dadurch herabgesetzt werden. daß ein oder mehrere
hintereinandergeschaltete Allpaßnetzwerke hinzugefügt werden, damit die gleiche
Echodichte erzielt wird.
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Andererseits verbessert das Hinzufügen von einem oder mehrerer Allpaßnachhallerzeugei
zu einem vorhandenen Kammfilternetzwerk (ohne Herabsetzen der Anzahl der parallelen
Zweige) die Nachhallcharakteristik, indem die lmpulskennlinie mit zusätzlichen Impulsen
angefüllt wird, so daß eine beträchtlich höhere Echodichte erzielt wird, als es
mit dem Kammfilternetzwerk allein möglich ist. Offensichtlich kann die Verwendung
von einem oder mehreren relativ einfachen Allpaßnachhallerzeugern zusammen mit elektronischen
Nachhallerzeugern mit vollkommener Impulscharakteristik eine wesentliche Verringerung
der Kompliziertheit des Nachhallerzeugernetzwerks bei gleicher oder verbesserter
Wirkungsweise ergeben. Wirtschaftliche Überlegungen ergeben gewöhnlich die spezielle
Kombination von Nachhallerzeugernetzwerken, die zur Erfüllung einer bestimmten Forderung
notwendig sind. In jedem Falle ergibt das Hinzufügen eines Allpaßnachhallnetzwerks
zu einem Nachhallerzeuger, der bereits eine annehmbare Kennlinie aufweist, eine
größere Echodichte ohne Verschlechterung der Kennlinie. In gleicher Weise wird bei
einem Nachhallerzeuger mit e iner unzureichenden Kennlinie die Echodichte wesentlich
verbessert, wobei auch die Gesamtkennlinie im allgemeinen wesentlich verbessert
wird.
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F i g. 5 zeigt als Beispiel eine mögliche Anwendung eines Allpaß nachhallerzeugers
bei einem elektronischen Kammfilternachhallerzeuger, um dessen Kennlinie zu verbessern.
Die Kammfilter 51, 52 ... 53 erhalten Parallelsignale ohne Nachhall von einer
Eingangsklemme und liefern an der Klemme 54 Signale mit Nachhall, die im allgemeinen
eine kammfilterartige Kennlinie aufweisen, z. B. diejenige der F i g. 2c mit verhältnismäßig
großen Zwischenräumen im Frequenzspektrum.Jedes der Kammfilter besteht typischerweise
aus einem Netzwerk der in F i g. 2a dargestellten Art. Eine Verbesserung der Kennlinie
und der Echodichte wird erreicht, indem die behandelten Signale über das Allpaßnetzwerk
55 an eine Ausgangsklemme geliefert werden. Das Allpaßnetzwerk 55 kann zweckmäß
igerweise aus den in F i g. 4 dargestellten Allpaßnaehhallerzeugern bestehen. Im
allgemeinen ist die Verbesserung um so größer, je mehr hintereinandergeschaltete
Allpaßnachhallerzeuger verwendet werden.
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Wenn auch die Erfindung in der Hauptsache zur Vergrößerung der Nachhallzeit
von Auditorien und von Konzerthallen durch rein elektroakustische Mittel und zur
Verbesserung von Einkanaltonsignalen angewendet wird, so kann sie doch auch mit
Vorteil zur Erzeugung eines räumlich akustischen Eindrucks aus einem Einkanalton
benutzt werden, wenn das Tonsignal zwei oder mehr Lautsprechern oder Kopfhörern
zugeführt wird.
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Zur Erzeugung eines quasi-stereophonischen Effekts wurde bisher das
Einkanalsignal in zwei Signale mit Hilfe von zwei Netzwerken aufgespaltet, z. B.
von Verzögerungsnetzwerken mit verschiedenen Impulskennlinien, die in den Tonkanal
geschaltet wurden, um zwei ineinanderpassende Kammfilter zu bilden. Der entstehende
räumliche Eindruck stellt nur einen,
wenn auch wichtigen Aspekt
des richtigen stereophonischen Klangs dar, nämlich seine Fülle. Die einzelne Tonquelle
kann jedoch durch den Hörer nicht richtig geortet und in den meisten Fällen nicht
getrennt werden. Der Effekt hat sich trotzdem als subjektiv angenehm und in zahlreichen
Fällen als wertvolle Verbesserung gegenüber der Einkanalwiedergabe erwiesen. Jedoch
ergeben Netzwerke mit Kammfiltern unangenehme Tonwerte, die, wenn auch nicht so
ausgesprochen wie bei Nachhalleinrichtungen mit Kammfiltern, trotzdem leicht wahrnehmbar
sind.
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Dieser Nachteil wird entsprechend der vorliegenden Erfindung beseitigt,
indem zwei Allpaßnachhallnetzwerke, z. B. zwei Netzwerke der in F i g. 3 a dargestellten
Art, verwendet werden, um das Einkanaltonsignal in zwei einzelne Teile aufzuspalten.
Da die Intensitätsfrequenzkennlinie det Allpaßnetzwerke flach ist, erzeugen die
Netzwerke die hohle oder schnarrende Tonqualität, die mit Kammfiltern verbunden
ist.
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Einrichtungen zur Erzeugung eines räumlich akustischen Eindrucks sind
in F i g. 6 dargestellt. Es werden zwei Allpaßnachhallerzeugernetzwerke verwendet,
die mit einem gemeinsamen Eingang und mit einzelnen Ausgängen verbunden sind. Jedes
Netzwerk besteht aus einer Verzögerungsleitung 61 in einem Rückkopplungskreis
62. Für ein Netzwerk, z. B. das Netzwerk 62, wird eine Kreisverstärkung von
+ 1 V2 = -I- 0,707 verwendet; während für das andere Netzwerk, z. B.
62', eine Kreisverstärkung von - 0,707 verwendet wird. In jedem Netzwerk
ist ein direkter uriverzögerter Weg 63 mit einer Verstärkung von -f- 0,707 vorgesehen.
Die Addierkreise 64 werden verwendet, um die beiden Rückkopplungskreise zu
vervollständigen, während die Verstärker 65 mit einer Verstärkung von 1-g2
= -f- 0,5 benutzt werden, um sicherzustellen, daß die Gesamtverstärkung jedes Netzwerks
Eins beträgt. Die in den Netzwerken erzeugten, vielfach verzögerten und uriverzögerten
Komponenten werden algebraisch vereint, um zusammengesetzte Signale zu ergeben,
die zu den einzelnen Ausgangsklemmen geliefert werden. Für das Netzwerk mit der
positiven Kreisverstärkung wird die algebraische Differenz im Subtrahierkreis
66 erhalten, während für das .Netzwerk mit positiver Kreisverstärkung die
algebraische Summe der beiden Komponenten im Addierkreis 67 erhalten wird.
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Die optimale Größe der mit den Verzögerungsleitungen 61 verbundenen
Verzögerung (9 ändert sich mit der Art des Programm-Materials. Man hat festgestellt,
daß Verzögerungen von 0 = 5 ursec sehr ausgesprochene räumliche Effekte ergeben.
Für Verzögerungen, die größer als 50 ursec sind, wird dem Eingangssignal ein beträchtlicher
Nachhall hinzugefügt. Zum Beispiel entspricht eine Verzögerung von 0 mseceinem künstlichen
Nachhall von T = 20 Omsec, weil für jede Verzögerung von O ursec das Signal um 3
db gedämpft wird und weil der Nachhall T durch einen Tonabfall von 60 db definiert
ist. Dies ist selbstverständlich oftmals ein sehr erwünschter Zustand, er verleiht
z. B. dem quasi-stereophonischen Signal in Heimmusiksystemen einen gewissen »Realismus«.
Die Verzögerungsleitungen 61 werden typischerweise so gewählt, daß sie Verzögerungen
von 5 bis 150 ursec aufweisen. Man hat festgestellt, daß eine Verzögerung von 10
ursec eine sehr annehmbare Arbeitsweise ergibt.
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F i g. 7 zeigt die Impulskennlinie jedes der einzelnen Netzwerke der
Einrichtung der F i g. 6. Die Phasenverschiebungsdifferenz zwischen den Ausgängen
1 und 2 der Netzwerke der F i g. 6 als Funktion der Frequenz beträgt
01- 02 = 2 arctg (2112 sin o) O) ± -z, (21) wobei O die Verzögerung der Verzögerungsleitungen
ist. Durch Differenzieren nach der Kreisfrequenz co wird die Gruppenverzögerungsdifferenz
d r zwischen den beiden Ausgängen 1 und 2
Die Verzögerungsdifferenz d a als Funktion der Frequenz f ist in F i g. 8 dargestellt.
Sie weist Schwingungen mit einer »Periode« von 1:0 um die Verzögerungsdifferenz
Null auf. Maxima von d r treten bei
auf, wobei n = 0, 1, 2 ... ist. Für diese Frequenzen ist d r =
4 1l2 0 oder etwa 28 ursec, wenn 0 mit 5 ursec gewählt ist. Diese
Verzögerung reicht aus, um sämtliche Frequenzkomponenten nahe
aus den mit dem Ausgang 1 verbundenen Kopfhörer oder Lautsprecher kommend,
erscheinen zu lassen. Umgekehrt scheint für Frequenzbänder um
der Ton vom Ausgang 2 auszugehen. Für Frequenzbänder um
ist die Verzögerungsdifferenz Null, so daß das Klangbild zentral liegt. Der Teil
des Tons, der von oder nahezu von der Mitte zukommen scheint, hängt von den Spitzen
in der ab, die ihrerseits von der Kreisverstärkung im Rückkopplungskreis an den
Verzögerungsleitungen abhängen. Je höher die Kreisverstärkung ist, umso mehr Spitzen
weist die auf. Für einen gegebenen maximalen Wert von dz bedeutet dies ein mehr
in der Mitte gelegenes Klangbild, weil dr für die meisten Frequenzen verhältnismäßig
klein ist. Durch Einstellen der Verzögerung 0 und der Kreisverstärkung kann eine
ziemlich gleichmäßige räumliche Verteilung der Klangbilder erzielt werden.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß der oben beschriebene künstliche Nachhallerzeuger
eine bemerkenswerte Verbesserung gegenüber bekannten elektronischen Nachhallerzeugern
darstellt, weil der Vorgang des Einfügens von Nachhall die Töne und die Klangfarbe
nicht verändert. Mit anderen Wort, er gibt sämtliche Töne mit der gleichen hohen
Qualität wieder, gleichgültig, ob es sich um Musik oder um Sprache oder um beides
handelt und ohne Rücksicht auf die Tonhöhe, genau wie bei einer richtigen Konzerthalle.
Der Nachhallerzeuger fügt von sich aus dem ursprünglichen Ton keine unangenehmen
Verzerrungen zu und hat daher nicht die übliche hohle schnarrende Tonqualität oder
eine falsche Echowiedergabe.
Die oben beschriebenen Anordnungen
sind selbstverständlich nur Beispiele für die Anwendung des Erfindungsprinzips.
Zahlreiche andere Anordnungen können vom mit dem Stand der Technik vertrauten Fachmann
vorgeschlagen werden, ohne vom Wesen und Ziel der Erfindung abzuweichen.