DE19901546A1 - Elektrische Schaltung für die natürliche Wiedergabe von elektrischen Audio- und Musiksignalen über einen Kopfhörer - Google Patents

Abstract

Elektrische Schaltung für die Bearbeitung von Stereosignalen, die das linke und das rechte Eingangssignal jeweils in zwei Komponenten aufteilt und diese Komponenten derartig auf die Ausgangskanäle verteilt, daß bei Wiedergabe der Ausgangssignale über einen Kopfhörer für den Zuhörer ein natürliches, räumliches Klangbild entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung für die natürliche Wiedergabe von elektrischen Audio- und Musiksignalen über einen Kopfhörer.

Um ein natürliches, räumliches Klangbild zu erreichen, kommen bei einer herkömmlichen Stereowiedergabe von Audio- und Musiksignalen zwei Lautsprecher zum Einsatz. Die Lautsprecher stehen links vor und rechts vor dem Zuhörer, und bilden mit dem Zuhörer das sogenannte Stereodreieck. Falls die akustischen Signale, die von den beiden Lautsprecher ausgestrahlt werden, unterschiedlich sind, unterscheiden sich auch die akustische Signale, die vom linken und vom rechten Ohr wahrgenommen werden. Somit kann bei der Wiedergabe ein Eindruck von Richtung und Raum übermittelt werden.

Bei der Rekonstruktion eines räumlichen Klangbildes werden vom Zuhörer unbewußt mehrere Eigenschaften der akustischen Signale ausgewertet.

• - Der Schall vom rechten Lautsprecher wird hauptsächlich vom rechten Ohr aufgenommen, dieser sei das "rechte direkte Übertragungssignal" genannt. Fast gleichzeitig wird es jedoch auch vom linken Ohr wahrgenommen. Dies ist das sogenannte "linke Crossover Signal". Gleicherweise erreicht Schall vom linken Lautsprecher das linke Ohr, das "linke direkte Übertragungssignal", als auch das rechte Ohr, das "rechte Crossover-Signal". Der Intensitätsunterschied zwischen den von den Ohren wahrgenommenen akustischen Signalen einer Signalquelle enthält Information über die Richtung dieser Quelle.
• - Der Schall vom rechten Lautsprecher erreicht, da es zum linken Ohr einen längeren Weg zu gehen hat, das rechte Ohr früher als das linke. Ebenso erreicht ein akustisches Signal von links das rechte Ohr mit einer gewissen Verzögerung. Dieser Laufzeitunterschied zwischen linken und rechten Ohr enthält zusätzliche Information über die Richtung der Signalquelle. Sie spielt - speziell bei niedrigen Frequenzen unterhalb 1 kHz - eine wichtige Rolle.
• - Durch Biegung und Reflexion der Schallwellen am Kopf und an den Ohrmuscheln ist der Schalldruck am Trommelfell nicht nur von der Richtung der Schallquelle, sondern auch von der Frequenz abhängig. Auf diese Weise übermittelt das Klangspektrum ein zusätzliches Gefühl für die Richtung der Quelle.
• - Durch Reflexion der Schallwellen an den Wänden des Hörraums entsteht ein Widerhall, der einen Gefühl von Räumlichkeit entstehen läßt.

Bei der Wiedergabe über einen Kopfhörer entfallen die obengenannten Mechanismen für die Rekonstruktion eines räumlichen Klangbildes.

• - Das akustische Signal vom rechten (linken) Schallwandler findet nur Ankopplung am rechten (linken) Ohr. Es gibt kein akustisches Crossover und es entstehen somit unnatürlich starke Unterschiede in der Schallintensität am linken und am rechten Ohr.
• - Durch das Fehlen von akustischen Crossover gibt es auch keine Verzögerungszeiten mit deren Hilfe der Zuhörer eine Schallquelle orten kann.
• - Durch die direkte Ankupplung der Schallwandler an den Ohren findet keine Reflexion und Biegung am Kopf und Ohrmuscheln statt.
• - Es entsteht kein Widerhall, da die akustische Eigenschaften des Hörraums nicht einbezogen werden.

Für die Realisierung einer natürlicheren Klangwiedergabe über Kopfhörer sind elektrische Schaltungen entworfen worden, die das Klangerlebnis zweier Lautsprecher simulieren. Dabei steht das elektronische Erzeugen eines Crossover-Signals im Vordergrund. Das linke (rechte) elektrische Audiosignal wird nach Filterung (eine frequenzabhängige Abschwächung) und mit einer definierten Zeitverzögerung dem rechten (linken) Audiosignal zugefügt. Auf diese Weise wird das akustische Crossover bei der Lautsprecherwiedergabe ersetzt.

Ein Nachteil dieses elektronisch erzeugten Crossovers zeigt sich bei Schallquellen, die scheinbar aus der Mitte des Klangbildes kommen. Das linke und das rechte Audiosignal sind für diese Quellen gleich; es ist ein sogenanntes Monosignal. Bei einer realen Schallquelle, welche vor dem Zuhörer lokalisiert ist, erreicht das akustische Signal beide Ohren gleichzeitig. Ein zeitverzögertes Crossover-Signal ist nicht vorhanden. Somit ist bei der Wiedergabe eines Monosignals über Lautsprecher oder Kopfhörer ein elektronisch erzeugtes Crossover im Prinzip auch unerwünscht. Zwar sind die beiden Crossover-Signale am linken und am rechten Ohr gleich und erzeugen somit ein richtiges Gefühl von Richtung, doch die Klangqualität nimmt prinzipbedingt ab. Beim Crossover bildet die Summe des linken (rechten) direkten Übertragungssignals und des aus dem rechten (linken) Eingangssignal erstellten linken Crossover-Signals das linke (rechte) Ausgangssignal. Dieses Summensignal wird dem linken (rechten) Schallwandler angeboten. Bei der Wiedergabe eines Monosignals entsteht dabei eine Interferenz zwischen dem direkten Übertragungssignal und dem dazuaddierten Crossover-Signal. Durch die Zeitverzögerung der Crossover-Signale werden die direkte Übertragungssignale in bestimmten Frequenzbereichen verstärkt und in anderen Frequenzbereichen abgeschwächt. Der Frequenzgang des erzeugten Ausgangssignals ist nicht mehr flach, sondern zeigt im mittel- und hochfrequenten Bereich eine größere Zahl von Absenkungen. Dies ist der sogenannte "Combeffekt".

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Methode zur Erzeugung von Crossover, wobei die Monosignale unverzerrt bleiben.

Das Crossover-Signal (3) wird, wie üblich, durch eine frequenzabhängige Abschwächung aus dem Eingangssignal (1) erzeugt (Siehe Abb. 1). Auch die Zeitverzögerung des Crossover-Signals ist frequenzabhängig und nimmt bei höheren Frequenzen ab.

Vor Summierung der direkten Übertragungssignale und der Crossover-Signale werden die direkten Signale gefiltert (eine frequenzabhängige Abschwächung) und bekommen eine frequenzabhängige, zeitliche Verschiebung zu früheren Zeiten (2). Die Summe aus Crossover-Signal (3) und direktem Übertragungssignal (2) ist gleich dem ursprünglichen Eingangssignal (1).

Bei einem Monosignal, welches beiden Eingängen angeboten wird, werden zwei gleiche Crossover-Signale erzeugt. Auch die direkten Übertragungssignale sind gleich. Somit sind nach der Summierung beide Ausgangssignale gleich dem Eingangssignal. Bei einer Verschiebung der virtuelle Schallquelle nach links oder nach rechts, wobei das Signal jetzt in unterschiedlichen Intensitäten an den beiden Eingängen angeboten wird, entstehen Crossover-Signale mit natürlichen Verzögerungszeiten im niedrigen Frequenzbereich.

Als Beispiel für die Erfindung ist in Abb. 2 das Schema einer elektrischen Schaltung gezeichnet, mit der auf relativ einfache Art und Weise die gewünschten Crossover-Signale realisiert werden können. Zu Erhöhung der Eingangsimpedanz passieren beide Eingangssignale (4L, 4R) zuerst zwei Eingangsverstärker (5L, 5R). Zunächst wird das linke Eingangssignal V_links,in(t) an einer Seite einer Kette von drei hintereinandergeschalteten elektrischen Netzwerken (6L,7,6R) angeboten. Das rechte Signal V_rechts,in(t) wird an der anderen Seite der Kette angeboten. Die Impedanzen des ersten (6L) und des letzten Netzwerkes (6R) sind gleich; diese betrage Z₁. Die Impedanz des mittleren Netzwerkes (7) beträgt Z2. Am mittleren Netzwerk stehen beide Ausgangssignale zur Verfügung. Zur Absenkung der Ausgangsimpedanz passieren diese Ausgangssignale (9L, 9R) zwei Ausgangsverstärker (8L, 8R).

Für die Ausgangssignale gilt:
V_links,aus(t) = (Z₁ + Z₂)/(2*Z₁ + Z2) * V_links,in(t) + Z₁/(2*Z₁ + Z₂) * V_rechts,in(t)
V_rechts,aus(t) = (Z₁ + Z₂)/(2*Z₁ + Z₂) * V_rechts,in(t) + Z₁/(2*Z₁ + Z₂) * V_links,in(t)

Durch eine geeignete Wahl von Z₁ und von Z₂ werden die erwünschten Zeitverschiebungen und Amplitudenanpassungen realisiert. Sind linkes und rechtes Eingangssignal gleich, so sind auch die Ausgangssignale gleich:
V_links,in(t) = V_rechts,in(t) ⇒ V_links,aus(t) = V_rechts,aus(t) = V_links,in(t) = V_rechts,in(t)

Eine praktische Realisierung der Schaltung ist in Abb. 3 dargestellt. Z₂ besteht aus einem einzelnen Widerstand R₂ (12). Z₁ enthält eine Parallelschaltung eines Widerstands R₁ (10L, 10R) und eines Kondensators C₁ (11L, 11R). Geeignete Komponentenwerte sind:
R₁ = 1000 Ohm
C₁ = 470 µF
R₂ = 2200 Ohm

In Abb. 4 sind die relativen Amplituden des direkten Übertragungssignals und des Crossover-Signals als Funktion der Eingangsfrequenz wiedergegeben. Crossover ist bei niedrigen Frequenzen ausgeprägt und nimmt bei höheren Frequenzen ab. Dies bildet den Schatteneffekt des Kopfes bei höheren Frequenzen nach. Bei niedrigen Frequenzen biegen sich die Schallwellen um den Kopf. Das direkte Übertragungssignal ist wesentlich stärker und nimmt bei höheren Frequenzen noch leicht zu.

Die Zeitverschiebungen eines Signals als Funktion der Eingangsfrequenz sind in Abb. 5 gezeigt. Die positiven Werte beim Crossover-Signal sind gleichbedeutend mit einer Verzögerung. Die negativen Werte beim direkten Übertragungssignal sind gleichbedeutend mit einer zeitlichen Verschiebung des Signals zu früheren Zeiten hin. Die gesamte Zeitverschiebung zwischen dem direkten Übertragungssignal und dem Crossover-Signal beträgt mit dem angegeben Komponentenwerten bei niedrigen Frequenzen 320 µs. Dies entspricht in etwa der natürlichen Crossover-Zeit bei Wiedergabe mittels Lautsprecher.

Literatur und Patente

[1] Asahi N., "Out-of-head localized sound reproduction System for headphone", US Patent 4136260, 1977.
[2] Bauer B., "Stereophonie to binaural conversion apparatus", US Patent 3088997, 1960.
[3] Bauer B., "Stereophonie earphones and binaural Loudspeakers", Journal of the audio engineering society 9/2, pp. 148-151, 1961.
[4] Begault R.B., "Perceptual effects of synthetic reverberation on three-dimensional audio Systems", Journal of the audio engineering society 40/11, pp. 895-904, 1992.
[5] Blauert J., Laws P., "Method and apparatus for imparting to headphones the sound­ reproducing characteristics of loudspeakers", US Patent 3920904, 1973.
[6] Cashion T., Williams S., "Apparatus for creating 3D audio imaging over headphones using binaural synthesis", US Patent 5809149, 1996.
[7] Fidi W., "Stereophonie binaural recording or reproduction method", US Patent 5033086, 1989.
[8] Haramoto Y., Fujii Y. Yamazaki M., "Signal processing circuit", US Patent 4139728, 1977.
[9] Iwahara M., "Audio signal translation for loudspeaker and headphone sound reproduction", US Patent 4209665, 1978.
[10] Thomas M. V., "Improving the stereo headphone sound image", Journal of the audio engineering society 25/7, pp. 474-478, 1977.
[11] Turner J.C., Elliott D. M., "Headphone with cross feeding ambience control", US Patent 3924072, 1974.
[12] Wightman_F.L., Kistler D.J., "Headphone simulation of free-field listening. I: Stimulus synthesis", J. Acoust. Soc. Am. 85/2, pp. 858-867, 1989.
[13] Wightman_F.L., Kistler D. J., "Headphone Simulation of free-field listening. I: Psychophysical validation", J. Acoust. Soc. Am. 85/2, pp. 868-879, 1989.
[14] Wightman_F.L., Kistler D.J., "The dominant role of low-frequency interaural time differences in sound localization", J. Acoust. Soc. Am. 91/3, pp. 1648-1661, 1992.
[15] Yamada A., Kimura Y., Kikuchi Y., "Projected sound localization headphone apparatus" US Patent 4087631, 1976.

Claims (4)

1. Elektronische Schaltung mit zwei Eingangskanäle und zwei Ausgangskanäle zur Bearbeitung eines Stereo-Audiosignals, insbesondere zur Wiedergabe über Kopfhörer, dadurch gekennzeichnet, daß die mit links und rechts gekennzeichneten Audiosignale des Stereo-Audiosignals an den zwei Eingangskanälen angeboten werden und daß das Signal an einem der Ausgangskanäle die Summe bildet von einem Signal, gewonnen aus dem linken Audiosignal durch einen ersten Filterprozess F1 mit einer frequenzabhängigen Verstärkung und Zeitverschiebung der Signalkomponenten, und von einem Signal, gewonnen aus dem rechten Audiosignal durch einen zweiten Filterprozess F2 mit einer frequenzabhängigen Verstärkung und Zeitverzögerung der Signalkomponenten, und dadurch gekennzeichnet, daß das Signal am anderen Ausgangskanal die Summe bildet von einem Signal, gewonnen aus dem rechten Audiosignal durch den gleichen ersten Filterprozess F1 und von einem Signal, gewonnen aus dem linken Audiosignal durch den den gleichen zweiten Filterprozess F2.

2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Signale gewonnen durch die Filterprozessen F1 und F2 aus dem linken Audiosignal dem linken Audiosignal gleich ist und die Summe der Signale gewonnen mit den Filterprozessen aus dem rechten Audiosignal dem rechten Audiosignal gleich ist.

3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung 3 elektrische Netzwerke enthält die seriell verkettet sind, wobei das erste und das letzte Netzwerk die gleiche elektrische Impedanz aufweisen, das linke Stereosignal am Anfang der Kette und das rechte Stereosignal am Ende der Kette angeboten werden und die Ausgangssignale an den Verbindungsstellen der elektrische Netzwerke zur Verfügung stehen.

4. Elektronische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das letzte Netzwerk der Kette aus einer Parallelschaltung von einem ohmschen Widerstand und einem Kondensator bestehen und das mittlere Netzwerk durch einen Widerstand gebildet wird.