DE2557516B2 - Kopfhörersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kopfhörersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Kopfhörersystem dieser Art (DE-OS 20 07 623) wird schon erfolgreich versucht, die »im-Kopf-Lokalisation« bei der Kopfhörerwiedergabe von Intensitätsstereophonie zu beseitigen. Dadurch wird erreicht, daß der akustische Eindruck dem natürlichen Klangeindruck entspricht und eine klare räumliche Lokalisation der Schallquellen außerhalb des Kopfes auch bei der Verwendung der Kopfhörer sichergestellt wird. Bei dem bekannten Kopfhörersystem ist das Netz der vier Signalpfade zwischen den Signalquellen für die beiden Kanäle einerseits und den beiden Tonwandlern des Kopfhörers andererseits wie folgt aufgebaut: Jede Signalquelle wird durch einen Signalpfad mit dem dem gleichen Kanal zugeordneten Tonwandler verbunden. Überdies wird jede Signalquelle durch einen zusätzlichen Signalpfad mit demjenigen Tonwandler verbunden, der dem anderen Kanal zugeordnet ist. In sämtlichen vier Signalpfaden sind Klangfilter vorgesehen. Zusätzlich sind in den jeweils die Signalquelle eines Kanals mit dem Tonwandler des anderen Kanals verbindenden kreuzenden Signalpfaden auch Verzögerungskreise vorgesehen. Die Zumischung der kreuzenden Signalpfade zu den verbleibenden Signalpfaden erfolgt in Mischverstärkern derart, daß die Mischverstärker jeweils die Ausgangssignale der zwischen Signalquelle eines Kanals und Mischverstär-". ker des gleichen Kanals geschalteten Klangfilter mit den Ausgangssignalen der Klangtfilter in den kreuzenden Signalpfaden addieren.

Nachteilig ist dabei noch zweierlei: Da in allen vier Signalpfaden Filter verwendet werden, addieren sich die

ι» Simulierfehler der beiden Klangfilter auf, die dem Eingang eines Mischverstärkers vorgeschaltet sind. Es kommt deshalb zu nicht unbedeutenden Klangverfälschungen. Weiter wird der Tatsache nicht Rechnung getragen, daß auch das Vorhandensein der Ohrmuschel

ii zwischen dem Kopfhörer und dem eigentlichen Hci-organ noch eine Verfälschung mit sich bringt, der Rechnung getragen a-erden muß, wenn der Höreindruck bei Verwendung von Kopfhörern dem gewöhnlichen Hören einer Stereophon wiedergabe über Laut-

2» Sprecher entsprechen soll.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Ausbildung der Signalpfade zwischen den Signalquellen und den Tonwandlern der einzelnen Kanäle so auszugestalten, daß ein Verfälschungen erheblich weniger ausgesetztes

2^r> Simulieren des Höreindrucks der Lautsprecherwiedergabe beim Hören mit Kopfhörern ermöglicht wird. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Anspruch 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

in Man erkennt zunächst, daß hier in den kreuzenden Strompfaden als Klangfilter Filter mit besonderen Eigenschaften verwendet werden. Es hat sich ergeben, daß Filter mit dieser Grenzfrequenz und der angegebenen Dämpfung pro Oktave gerade diejenige Nachbil-

s"> dung für das Simulieren beim Überkreuzhören (Hören des rechten Kanals mit dem linken Ohr) ergeben, die ein gutes Simulieren des Höreindrucks der Stereophonwiedergabe mit Lautsprechern ermöglichen. Man erkennt weiter, daß an den aus den kreuzenden

in Strompfaden gespeisten Addieren unmittelbar das Stereosignal des anderen Kanals ansteht, wie es von der Signalquelle abgegeben wird. In diesem Strompfad ist also vor dem Addierer ein Filter nicht vorgesehen oder erforderlich. Das ist wiederum eine unmittelbare Folge

<r> der Auslegung des Filters im kreuzenden Strompfad. Die Ausgänge des Addierers werden auf den zugehörigen Tonwandler des Kopfhörers gekoppelt. Es sind also nur noch in den kreuzenden Strompfaden Filter vorhanden, die überdies besonderen Bedingungen

^riii genügen. Auf diese Weise sind Simulierverfälschungen durch die Mehrfachverwendung von Filtern weitgehend, zumindest aber um 50% unterdrückt. Gleichzeitig wird auch der Aufwand für die Verschaltung des Kopfhörersystems reduziert. Das Kopfhörersystem

v·, erreicht also mit einem geringen baulichen Aufwand eine Simuliert ng des Höreindrucks einer Stereophonwiedergabe von Lautsprechern trotz der Verwendung von Kopfhörern, wobei Verfälschungen der Simulierung auf Grund der Verwendung von Filtern nur in den

«ι kreuzenden Strompfaden weitgehend ausgeschaltet sind.

Zweckmäßig werden mit den Filtern in den kreuzenden Strompfaden Verzögerungskreise in Reihe geschaltet, die eine Verzögerungszeit von 250 μβεΰ

μ haben. Dadurch wird zusätzlich den Laufzeitunterschieden Rechnung getragen, die nicht beim Kopfhörersystem, wohl aber bei Stereophonwiedergabe mit Lautsprechern auftreten, weil die Ohren je nach

Kopfstellung unterschiedliche Abstände zu den Lautsprechern für die beiden Kanäle haben. Eine Verfälschung der Simulierung erfordert deshalb zu ihrer Unterdrückung diese zusätzliche Maßnahme. Die Verzögerungszeit ist so gewählt, daß die Unterdrückung weitgehend unabhängig von der jeweiligen Kopfstellung des Hörenden ist

Schließlich kann die letzte Vervollkommnung der Simulierung durch Unterdrückung von Verfälschungen dadurch erreicht werden, daß jeweils zwischen die Addierer und die Tonwandler ein Kerbfilter geschaltet ist, das nur die durch Vorhandensein der Ohrmuschel zwischen Kopfhörer und Tonwandler bedingte Resonanzfrequenz bedampft Das Kerbfilter wirkt also selektiv nur auf diejenige Frequenz, die auf Grund der Anlage des Kopfhörers am Kopf über die Ohrmuschel entsteht, also beim Höreindruck einer Stereophonwiedergabe durch Lautsprecher völlig fehlt Ein verfälschungsfreies Simulieren erfordert somit eine selektive Unterdrückung gerade dieser Resonanzfrequenz. Das ist durch das dem Addierer nachgeschalteten Kerbfilter möglich.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

Fig. 1 schematisch eine Ansicht zur Erläuterung der Hörverhältnisse einer direkt einer Lautsprecherübertragung lauschenden Person,

Fig.2 schematisch eine Ansicht zur Erläuterung der Hörverhältnisse einer über Kopfhörer hörenden Person,

F i g. 3 schematisch eine Ansicht zur Erläuterung der Schallwellenpfade im Fall direkten Hörens,

Fig.4a bis 4f Kennlinien des über der Frequenz aufgetragenen Schalldrucks bezüglich des linken (Si.) und rechten (Sr) Ohrs des Hörers im Fall von F i g. 3 bei Winkeln θ von 15°, 30°, 45°, 60°, 75° und 90°,

Fig.5a bis 5f Graphen der Differenz (Sl-Sr) der Kennlinien nach F i g. 4a bis 4f,

Fig.6 schematisch eine Ansicht des einen der Stereokanäle im Fall direkten Hörens,

Fig.7 eine Blockschaltung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopfhörersystems, und

Fi g. 8 die Frequenzkvinnlinie des im erfindungsgemäßen Systems verwendeten Kerbfilters.

F i g. 1 zeigt das Entstehen des Höreindrucks einer Person, die einer Stereophonwiedergabe über Lautsprecher lauscht. Dabei wird ein Zweikanal-Stereosignal von einer Schallplatte, einem Magnetband od. dgl. über ein Wiedergabesystem I wiedergegeben, an das Lautsprecher 2, 3 angeschlossen sind, die das Stereosignal des linken bzw. des rechten Kanals, wie sie vom Wiedergabesystem 1 wiedergegeben werden, in Ton umwandeln. Ein Hörer 4 hat Ohren 5,6. Dieser hat den Höreindruck, daß die Schallquelle an einem Punkt außerhalb seines Kopfes liegt, beispielsweise am Punkt A.

F i g. 2 zeigt die Bedingungen für den Höreindruck bei Wiedergabe mit der gleichen Signalquelle wie in F i g. 1, jedoch unter Verwendung eines Kopfhörers 7. Der Hörer 4 hat den Höreindruck, daß die Schallquelle an einem Punkt innerhalb seines Kopfes liegt, beispielsweise am Punkt B. In der Figur erkennt man weiter am Kopfhörer 7 einen linken und einen rechten Tonwandler 8 bzw. 9.

Fig.3 zeigt schematisch das Entstehen des Höreindrucks bei von einem Lautsprecher, nämlich dem Lautsprecher 3, ausgehender Schallwelle. Hierbei wird die Schallwelle mit dem Schalldruck S. die aus dem

Lautsprecher 3 aus- und in das linke bzw. rechte Ohr 5,6 eintritt, durch die jeweiligen Ohrmuscheln geführt und erreicht das jeweilige Trommelfell. Dabei wird im rechten Ohr 5 ein Schalldruck Sr, im linken Ohr 6 ein Schalldruck Sl auf das Trommelfell übertragen.

F i g. 4a bis 4f zeigen die Schalldruck-Frequenz-Kennlinien für das linke und rechte Ohr, wenn der Winkel θ der Verbindungslinie zum Lautsprecher 3 mit einer von der Stirn des Hörers gerade nach vorn geführten Linie 15^o,30^o,45^o,60^o,75° bzw.90° beträgt.

Fig.5a bis 5f zeigen die Differenz zwischen dem Schalldruck 5/. des linken Ohres 6 und dem Schalldruck Sr des rechten Ohres 5 in den Fällen von F i g. 4a bis 4f. Man erkennt, daß in allen Fällen, also bei θ = 15°, 30°, 45°, 60°, 75° oder 90° der Wert von (Sl-Sr) mit der Frequenz anzusteigen beginnt, und zwar etwa bei 400 Hz. In den F i g. 5a bis 5f geben die Linien A\s bis Ago Näherungswerte für (Sl-SrX Die Grenzfrequenzen und Dämpfeigenschaften von Ais bis A90 sind die folgenden:

Grcnzfreqücnz	250(Hz)	Diimpfuiigs-
	220	eigenschaften
	200	-l,5(dB/oct)
Αχ»	200
A4S	350	-3,5
■4 μ.	400	-4
Λ 75	-6
A .«ι	-4,5

Der Zeitabstand T zwischen den Zeitpunkten des Ankommens der Schallwelle vom Lautsprecher 3 beim Ohr 5 bzw. beim Ohr 6 wird durch den Winkel θ bestimmt, weiter durch den Abstand d zwischen den Ohren des Hörers 4 und schließlich durch die Geschwindigkeit C der Schallwelle. Der Zeitabstand T bestimmt sich aus:

T =

ä sin <-> C

GWtB = 30°, c/= 17 cm und C= 340 m/sec, so erhält man für den Zeitabstand T= 250 μ5εα

F i g. 6 zeigt einen Hörer 4, der einen Kopfhörer 7 benutzt, wobei von den Zweikanal-Stereosignalen z. B. das Signal des linken Kanals durch den linken Tonwandler 9 des Kopfhörers 7 umgesetzt und so allein zum linken Ohr geleitet wird. Da der Tonwandler 9 direkt auf dem Ohr 6 sitzt, ergibt sich eine besondere Kennlinie des über der Frequenz aufgetragenen Schalldrucks auf Grund der Tatsache, daß die Ohrmuschel zwischen dem Tonwandler 9 und dem Trommelfell des linken Ohrs liegt. Wird also ein Kopfhörer getragen, so ergibt sich eine besondere Kennlinie (Sh) des Schalldrucks über der Frequenz, wie sie in F i g. 4b strichliert angedeutet ist Diese Kurve hat eine Resonanzfrequenz f\ und ist das Ergebnis des Vorhandenseins der Ohrmuschel.

F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform des Kopfhörsyst^ms, bei der auch beim Tragen von Kopfhörern eine Anpassung an die besondere Kennlinie erreicht wird, die sich beim direkten Hören einer Stereophonwiedergabe über Lautsprecher ergibt. Beide Kennlinien sollen zusammenfallen. Man erkennt Verzögerungskreise 10 und 11, deren VerzöEerungszeiten dem oben erwähnten

Zeitabstand T entsprechen. Weiter erkennt man Tiefpaßfilter 12 und 13, deren Grenzfrequenz bei 400 Hz oder niedriger liegt und die eine Dämpfcharakteristik von 1,5 bis 6 dB/oct haben, wie das in den F i g. 5a bis 5f gezeigt ist.

Weiter erkennt man Addierer 14, 15 und Kerbfilter 16,17, die nur eine bestimmte Frequenz /Ί dämpfen, wie das aus F i g. 8 abgelesen werden kann. Die Kerbfilter 16 und 17 dienen dazu, eine Kennlinienkorrektur derjenigen Kennlinie vorzunehmen, die sich auf Grund der Verwendung der Kopfhörer ergibt und die in Fig.4b strichliert gezeigt ist. Auf diese Weise soll die Schalldruck-Frequenz-Kennlinie (Si.)erzielt werden, die den Höreindruck der Stereophonwiedergabe durch Lautsprecher verfälschungsfrei ergibt, obwohl Kopfhörer verwendet werden. Alle erwähnten Schaltungselemente sind auf die in der Figur gezeigte Weise angeordnet und verschaltet.

I licr/u l4Bl;ilt

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kopfhörersystem zum Simulieren des Höreindruckes einer Zweikanal-Stereophonwiedergabe über je einen dem rechten bzw. dem linken Kanal zugeordneten Lautsprecher, wobei die Signalquellen des linken und des rechten Kanals über ein Netz von vier Signalpfaden mit dem für den linken bzw. dem für den rechten Kanal bestimmten Tonwandler des Kopfhörers verbunden sind und im Netz Verzögerungskreise sowie Filter jeweils zwischen die Signalquelle des einen Kanals und den Tonwandler des anderen Kanals geschaltet sind, deren Ausgangssignale gemischt mit den Signalen des die Signalquelle des anderen Kanals und den zugehörigen Tonwandler verbindenden Signalpfades an den Tonwandier gelegt sind, dadurch gekennzeichne t, daß die Filter Tiefpaßfilter (12,13) mit einer Grenzfrequenz von höchstens 400 Hz und einer Dämpfung von 1,5 bis 6 dB/oct sind, daß die Ausgangssignale der Tiefpaßfilter jeweils in einem Addierer (14, 15) dem Stereosignal von der Signalquelle des anderen Kanals zugemischt werden und daß die Ausgänge der Addierer jeweils mit dem zugehörigen Tonwandler (8 bzw. 9) des Kopfhörers (7) gekoppelt sind.

2. Kopfhörersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen die Signalquellen des einen Kanals und die Tonwandler des anderen Kanals geschalteten, mit den Tiefpaßfiltern (12, 13) in Reihe liegenden Verzögerungskreise (10, H) eine Verzögerungszeit von 250 μβεο haben.

3. Kopfhörersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Addierer (14, 15) und die Tonwandler (8, 9) jeweils ein Kerbfilter (16 bzw. 17) geschaltet ist, das nur die durch das Vorhandensein der Ohrmuschel zwischen Kopfhörer und Tonwandler bedingte Resonanzfrequenz (Z₁) dämpft.