DE2616762A1

DE2616762A1 - Einrichtung zum spreizen eines klangfeldes

Info

Publication number: DE2616762A1
Application number: DE19762616762
Authority: DE
Inventors: Katsumi Nakabayashi
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1975-04-17
Filing date: 1976-04-15
Publication date: 1976-10-21
Also published as: US4121059A; FR2308267A1; DE2616762C2; NL7604091A; FR2308267B1; JPS51132803A; NL176036C; GB1540424A; JPS576840B2; NL176036B

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Spreizen eines Klangfeldes, mit der ein von einem Stereoklangsignal gebildetes Klangfeld auf einen beliebig großen Winkel aufgespreizt werden kann, wobei natürliche und klare Klangbilder hervorgerufen werden.

Wird ein Zweikanal-Stereoklangsignal unmittelbar auf Lautsprecher gegeben, die mit geneigter Front zu einem Hörer angeordnet sind, dann ist das wiedergegebene Klangfeld auf den Raum zwischen den Lautsprechern beschränkt, unabhängig von dem Bereich, in welchem im ursprünglichen Klangfeld aufgenommen wurde. Ist dann der zwischen den Lautsprechern eingeschlossene Winkel kleiner als der ursprüngliche, dann ist das

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erzeugte Klangfeld gegenüber dem Originalklangfeld zusätzlich eingeengt.

Es ist.deshalb Ziel der Bemühungen, das von den Lautsprechern hervorgerufene Klangfeld weit über den zwischen ihnen eingeschlossenen Winkel hinaus auszudehnen.

Wenn ein Klangfeld ausgedehnt werden soll, das von einem Stereoklangsignal stammt, das von einer herkömmlichen Zwei- oder Vierkanalstereoklangsignalquelle, beispielsweise einer gewöhnlichen Stereoschallplatte, abgeleitet ist, wurden bisher entsprechende Übersprechsignale hinzugefügt, die den Phasen- oder Zeitdifferenzen sowohl des linken als auch des rechten Klangkanalsignals L und R, aus denen sich das Stereoklangsignal zusammensetzt, angepaßt sind, hinzugefügt. Es bleibt auf diese Weise jedoch der Mangel erhalten, daß die örtlichen Richtungen der Klangbilder in dem gespreizten Klangfeld sehr schwer erfaßbar sind, und es ergab sich auf diese Weise ein ganz beträchtlich unnatürliches Hörempfinden infolge nicht in Phase befindlicher Tonschwingungen. Nach einem anderen System der Klangfeldspreizung ist es erforderlich, die Klangsignale in einer speziellen Weise zu behandeln, nach dem sie von den Mikrophonen während der Aufnahme aufgenommen wurden. Es ist deshalb schwierig, dieses Verfahren der Spreizung eines Klangfeldes dort anzuwenden, wo die Klangsignale von einer gewöhnlichen Schallplatte abgeleitet werden. Darüberhinaus ist es zur Bildung eines einigermaßen breiten Klangfeldes nach diesem Verfahren erforderlich, dieselbe Anzahl, wenigstens fünf, von natürlichen Klangbilderzeugern zu verwenden, wie Klangquellen vorhanden sind, die örtlich angesiedelt werden sollen. Es ist also sehr teuer, eine Klangfeldspreizung nach dieser Methode durchzuführen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Klangfeldspreizeinrichtung zu schaffen, mit der Klangsignale, die von gewöhnlichen Stereoklangsignalquellen, z.B. einer üblichen Stereoschallplatte, abgeleitet werden, auf wirtschaftliche Weise und

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einfach gespreizt werden können, wobei dann natürliche und klare Klangbilder hervorgerufen werden. Eine derartige Spreizeinrichtung für ein Klangfeld soll einfach und in Verbindung mit herkömmlichen Zwei- und Vierkanal-Stereoplattenspielern oder Tonbandgeräten verwendet werden können.

Es wird außerdem angestrebt, daß mit der Erfindung ein natürliches, klares und breites Klangfeld bzw. von Lautsprechern erzeugt wird, die so aufgestellt sind, daß sie einen kleineren Winkel zwischen sich einschließen als die ursprünglichen Klangquellen. Auch soll mit der Erfindung die Möglichkeit gegeben sein, eine KlangsignalaufZeichnungseinrichtung, z.B. eine Schallplatte oder ein Tonband, zu schaffen, die ein gespreiztes Klangfeld abzugeben vermögen, indem den Lautsprechern unmittelbar rückgespielte Klangsignale zugeführt werden.

In dem Zusammenhang ist es bekannt, daß Klangbilder örtlich erzeugt werden können, indem Richtungen erkannt werden, in denen Klangquellen angeordnet werden, unter Berücksichtigung von Lautstärke- und Phasendifferenzen der Schalldrücke, die von den Schallquellen am Eingang der Ohren eines Zuhörers hervorgerufen werden.

Folglich werden bei einer Klangfeldspreizeinrichtung nach der Erfindung, mit der ein Klangfeld erzeugt werden soll, das erheblich weiter gespreizt ist, als das von den Lautsprechern erzeugte, die um einen Zuhörer herum angeordnet sind und die mit Zweikanalstereosignalen gespeist werden, welche von einerKlangsignalquelle stammen, z.B. einem Schallplattenspieler oder einem Tonbandgerät, zunächst die Klangsignale des linken und rechten Kanals, die zusammen das Zweikanal-Stereoklangsignal ergeben, in mehrere Komponenten unterteilt, die entsprechende Frequenzbänder einnehmen, welche jeweils aufeinanderfolgen, wegen der Frequenzeigenschaften der Schalldrücke, die von derselben Schall-

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quelle erzeugt werden.

Diese Klangsignalkomponenten der einzelnen Kanäle werden nach Lautstärke und Phase so eingestellt, daß entsprechende Klangbilder, die sich an den Enden der gespreizten oder gedehnten Klangfelder ergeben, Schalldrücke erzeugen am Eingang der Ohren eines Zuhörers, die Lautstärke- und Phasendifferenzen aufweisen, entsprechend Schalldrücken, welche von den entsprechenden Klangbildern hervorgerufen werden, die sich an den Enden des Originalklangfeldes einstellen.

Darauf werden die einzelnen Klangsignalkomponenten, die in der vorstehend beschriebenen Weise eingestellt wurden, so miteinander gemischt, daß ein gemischtes Ausgangssignal an jedem Kanal entsteht, und diese Signale kommen dann auf seitlich angeordnete Lautsprecher, die schräg vor und hinter dem Zuhörer angeordnet sind.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemadiagramm einer typischen Anordnung von Lautsprechern bei Vierkanal-Stereophonie;

Fig. 2 die Graphik von Stärke- und Phasenunterschieden von Schalldrücken, die an den Ohreingängen eines Zuhörers entstehen;

Fig. 3 ein Schemadiagramm einer relativen Stellung einesLautsprechers, der am Ohreingang eines Zuhörers Schalldrücke erzeugt;

Fig. 4 in Blockdiagrammform die grundlegende Anordnung einer Klangfeidspreizvorrichtung nach der Erfindung;

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Fig. 5a und b Diagramme, die das von einer herkömmlichen Tonanlage erzeugte und das von einer spreizenden Anlage nach der Erfindung hervorgerufene Klangfeld wiedergeben;

Fig. 6 das Blockdiagramm einer Ausführungsform der Klangfeldspreizeinrichtung nach der Erfindung;

Fig. 7 eine Graphik, die die Lautstärke- und Phasenunterschiede der einzelnen Frequenzbänder der Schalldrücke am Eingang der Ohren eines Zuhörers wiedergibt;

Fig. 8 das Blockdiagramm einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig. 9 ein Schemadiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Klangbildschiebers zeigt, der einer Klangfeldspreizvorrichtung nach der Erfindung hinzugefügt wird;

Fig. 10 eine Graphik, die einen Zustand beim Schieben der Klangbilder bzw. eines Klangbildschiebers gemäß Fig. 9 andeutet;

Fig. 11 ein Schemadiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Klangfeldabstimmers zeigt, der der Klangfeidspreizvorrichtung nach der Erfindung hinzugefügt wird; und

Fig. 12 in Blockdiagrammform ein Ausführungsbeispiel eines Paares von Klangfeldspreizvorrichtungen nach der Erfindung für die Spreizung eines Vierkanal-Stereoklangfeldes.

Die Klangfeldspreizeinrichtung nach der Erfindung basiert auf folgendem Verfahren, ein Klangbild örtlich zu erzeugen.

Wird ein Stereoklangbild mit Hilfe von zwei Lautsprechern erzeugt, die schräg der Vorderseite eines Zuhörers gegenüberstehen und die entsprechenden Klangsignale der jeweiligen Kanäle

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zugeführt erhalten, dann sind Lautstärke-und Phasenunterschiede in aufeinanderfolgenden Frequenzbändern zwischen den einzelnen Kanalsignalen, die den Lautsprechern zugeleitet werden, derart eingerichtet, daß an den Ohren eines Zuhörers Lautstärke und Phasendifferenzen von Schalldrücken auftreten, die durch ein Klangbild erzeugt werden, daß Lautstärke- und Phasendifferenzen der Schalldrücke an den Ohren eines Zuhörers gleich sind, die von einer einzigen Schallquelle stammen, die sich innerhalb des Klangfeldes befindet. Das erzeugte Klangbild kann folglich in seiner Richtung bestimmt werden, in der die einzige Schallquelle praktisch angeordnet ist, und zwar mit Hilfe von lautstarke- und phasenbestimmenden Methoden.

Mit der herkömmlichen Methode, Klangbilder örtlich anzusiedeln, sind mehrere falsche und unnatürliche akustische Empfindungen verbunden, denn die physikalischen Bedingungen so erzeugter Klangbilder, nämlich die Lautstärke und die Phasendif ferenzenZlp und Af der Schalldrücke an den Ohren des Zuhörers unterscheiden sich bei diesen reproduzierten Klangbildern erheblich von den Schalldrücken, die unmittelbar von natürlichen Schallquellen erzeugt werden.

Durch die oben genannte Methode, auf der die Erfindung basiert, Klangbilder zu lokalisieren, werden Phasen- und Lautstärkeunterschiede θ und X zwischen den einzelnen Klangsignalen derKanäle, die auf die jeweiligen Lautsprecher gegeben werden, auf Werte eingestellt, entsprechend den Plätzen, an denen die reproduzierten Klangbilder mit natürlichem Hörempfinden aufgenommen werden sollen, so daß die vorgenannten physikalischen Bedingungen für das räumliche Zuordnen reproduzierter Klangbilder eingehalten sind. Die Beziehungen zwischen Lautstärke- und Phasendifferenzen der Schalldrücke, die durch das reproduzierte Klangbild und durch die natürliche Schallquelle hervorgerufen werden, können folgendermaßen erzielt werden.

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Fig. 1 zeigt eine typische Anordnung von Lautsprechern, um ein Vierkanal-Stereoklangfeld zu erzeugen, die einen linken und einen rechten Lautsprecher L und R aufweist, von Lautsprechern auf der Vorderseite des Zuhörers sowie einen linken und einen rechten Lautsprecher L_R und R , die schräg auf der Hinterseite des Zuhörers stehen. Die Fig. 2 zeigt Kurven der verschiedenen Lautstärke- und Phasendifferenzen Δ ρ und-ZW der jeweiligen Schalldrücke am Eingang der Ohren eines Zuhörers, die von natürlichen Schallquellen und von den Klangbildern herrühren, die von den einzelnen Lautsprechern erzeugt sind, denen die jeweiligen Kanalsignale zugeführt werden, welche Phasen- und Lautstärkedifferenzen θ und X zueinander haben.

Fig. 3 zeigt die verschiedenen Stellungen eines Hörers gegenüber einem Einzellautsprecher, der um den Zuhörer mit einem Winkeloi zur Gesichtsmitte des Zuhörers herumgetragen wird. Wenn beispielsweise ein Sinussignal von 1100 Hz dem Lautsprecher gemäß Fig. 3 zugeführt wird,dann zeigt Kurve 1 in Fig. 2 die Beziehungen zwischen den Lautstärkedifferenzen und den Phasendifferenzen Λ ρ unäA^ der natürlichen Schallbrücke, die am Eingang der Ohren des Zuhörers beim 1100 Hz-Ton herrschen, der vom Lautsprecher erzeugt wird, womit ein natürliches räumliches Hörempfinden hervorgerufen wird. Die an die Kurve 1 in Fig. 2 angetragenen Werte 10°-90° geben den Winkel oC an, den die Richtung zum Lautsprecher gegenüber der O°-Linie unmittelbar vor dem Zuhörer einschließt, wobei im Uhrzeigersinn positiv gezählt ist. Erhalten dagegen ein linker und ein rechter Lautsprecher L„ und R^, die schräg vor dem Zuhörer angeordnet sind, die entsprechenden Kanalklangsignale, die dieselben Phasen- und Lautstärkedifferenzen X der einzelnen Werte haben, zugeführt, so gibt die Kurve 2 der Fig. 2 die Beziehungen zwischen Lautstärke- und .Phasendifferenzen Ap und ΔΨ der Schalldrücke wieder, die von den erzeugten Klangbildern stammen. In ähnlicher Weise zeigen die Kurven 3 bis 10 der Fig. 2 vergleichbare Verhältnisse zwischen

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den Lautstärke- und Phasendifferenzen Δ ρ und ΔΨ der Schalldrücke, wenn dem linken und rechten Lautsprecher L und R ihre Kanalklangsignale zugeleitet werden, die Lautstärkedifferenzen X von verschiedenen Werten und Phasendifferenzen θ von ebenfalls verschiedenen Werten haben, wobei die Werte negativ angegeben sind, wenn die Klangsignale, die dem linken Lautsprecher L_ zugeführt werden, gegenüber den dem rechten Lautsprecher R zugeführten verzögert sind. Die Kurven 3-10 in Fig. 2 entsprechen der Reihe nach folgenden Fällen der Signalphasendifferenzen: θ=-0,6Τ , -0,47T , -0,2ir , + O,27T , + 0,257T , +0,37T , +O,45iT und -0,17T . Auf den einzelnen Kurven sind die Werte der Verhältnisse X der Lautstärkepegel zwischen den jeweiligen Kanalklangsignalen, die dem linken bzw. rechten Lautsprecher Lp und R zugeführt werden, angegeben.

Die Kurve 1, die dem Fall einer natürlichen Schallquelle entspricht, und die anderen Kurven 2 bis 10, die den jeweiligen abgewandelten Fällen erzeugter Klangbilder entsprechen, zeigen voneinander jeweils erheblich abweichende geometrische Örter, und folglich kreuzt die Kurve 1 sämtliche Kurven 2 bis 10. Die einzelnen Kreuzungspunkte zeigen die Phasen- und Lautstärkedifferenzen, die zwischen den beiden Kanalklangsignalen vorhanden sein sollten, die den jeweiligen Lautsprechern L_ und R„ zugeführt werden, wenn die von den Kanalklangsignalen erzeugten Klangbilder in den Richtungen erkannt werden sollen, die mit den Werten ex gekennzeichnet sind, der sich aus der Darstellung der Fig. 2 als Richtung der natürlichen Schaltquelle ergibt.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen Klangbildrichtungsbestimmungsmethode, auf der die Erfindung basiert, erhalten die einzelnen Kanalklangsignale, die den Lautsprechern in aneinandergrenzenden unterschiedlichen Frequenzbändern zugeleitet werden, die Phasen-und Lautstärkedifferenzen θ und X, die den Kreuζungspunkten der Kurve 1 zugeordnet sind, welche die Lautstärke- und Phasendifferenzen Δ ρ und ΔΨ der natürlichen Schalldrücke zeigen, die den in ihrer Richtungsbestimmung zu erzeugenden Klangbildern entsprechen.

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Je mehr diese Kreuzungspunkte auf der Fig. 1 für die Richtungsbestimmung verwendet werden, desto kontinuierlicher kann die Richtung im erzeugten Klangbild bestimmt werden. Die typischen Werte von Lautstärke- und Phasendifferenzen X und Θ, die zwischen den jeweiligen Kanalklangsignalen gegeben sein sollten, die die rxchtungsbestimmten Klangbilder erzeugen, sind für typische Richtungen in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt.

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Tabelle 1

CD O CO OO

Richtung des Klangbildes	0°	10°	20°	30°	40°	50°	60°	70°	80°	90°
Verhältnis des Signal pegels (X)	1.00	0.90	0.75	0,50	0. 10	0.10	0.33	0.55	0.65	0.70
Phasendiffe renz der Signale (Θ)	0	-0.100Tf	-Ο.2257Γ	-O.387T	-O.6O7T	+O.457T	+0. 35ΓΓ·	+0.25/T	+Ο.2257Γ	+0.2/T

CO

CD CD NJ OO

CJ) CD

Die Fig. 4 zeigt ein grundlegendes Ausführungsbeispiel einer Klangfeldspreizeinrichtung nach der Erfindung, die auf dem Klangbildrichtungsbestimmungsverfahren oben beschriebener Art beruht, und in der eine gewöhnliche Zweikanal-Stereoklangsignalquelle verwendet wird, beispielsweise eine Stereoschallplatte oder ein Stereotonband. Die Einrichtung erzeugt ein Klangfeld mit Hilfe eines linken und eines rechten Kanalklangsignals, das dann gespreizt wird. Die Klangbildrichtungsbestimmer 2 und 3 sind auf der Basis des Klangbildrichtungsbestimmungsverfahrens aufgebaut. In ihnen werden die Eingangsklangsignale des jeweiligen Kanals in zahlreiche Klangsignalkomponenten aufgeteilt, die bestimmte Frequenzbänder umfassen, die dann gegeneinander verschoben werden mit Hilfe von Tiefpaß- und Bandpaßfiltern, wobei ihre Lautstärke- und Phasenwerte der einzelnen Klangsignalkomponenten mit Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern passend eingestellt werden; daraufhin werden diese abgestimmten Klangsignalkomponenten derart miteinander gemischt, daß die erforderliche Anzahl (z.B. zwei für ein linkes und ein rechts Kanalklangsignal) von richtungsbestimmenden Ausgangsklangsignalen erzeugt sind.

Diese richtungsbestimmenden Klangsignale aus den Richtungsbestimmern 2 und 3 werden mit Mischstufen 4 und 5 zu Ausgangsklangsignalen für den linken bzw. rechten Kanal gemischt und dann den entsprechend angeordneten Lautsprechern 6 und 7 zugeleitet, die dann ein einziges Klangbild an einer erforderlichen Stelle in bezug auf einen Hörer 8 erzeugen. Die Richtungsbestimmer 2 und 3, die in der Grundschaltung nach Fig. 4 eingesetzt sind, werden in Verbindung mit der Fig. 6 in ihren Einzelheiten beschrieben. In der Fig. 6 sind die Klangsignalrichtungsbestimmer 2 und 3 mit strichpunktierten Linien umschlossen und darin sind mit 9 und 10 Bandpaßfilter bzw. Tiefpaßfilter dargestellt, während sich daran Phasenschieber 11 und daran wiederum einstellbare Dämpfungsglieder 12 anschließen,

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während mit 13 Mischstufen bezeichnet sind/ die die abgestimmten Klangsignalkomponenten der einzelnen Kanäle mischen. In der Fig. 4 ist gezeigt, daß das linke und das rechte Kanalklangsignal L und R jeweils der linksseitigen und der rechtsseitigen Klangbildortung zugeführt werden, worin für den linken Kanal lokalisierte Ausgangsklangsignale L₂ und L₃ und für den rechten Kanal lokalisierte Ausgangsklangsignale R₂ und R₃ durch Unterteilen, Abstimmen und Mischen in noch zu beschreibender Weise gebildet werden. Die lokalisierten Ausgangsklangsignale für den linken Kanal L₂ und L₃, die von den Stufen für die KlangbildortsZuweisung 2 und 3 kommen, werden einem Mischer 4 für die linke Seite zugeführt, während die lokalisierten Klangausgangssignale des rechten Kanals R₂ und R₃, die von der Stufe für die KlangbildortsZuweisung 2 und 3 abgeleitet sind, einem rechtsseitigen Mischer 5 zugeführt werden, an deren Ausgang dann ein Ausgangsklangsignal für den linken bzw. rechten Kanal L¹ und R¹ abgegeben werden als Summenausgang der Eingangssignale zu diesen Mischern, die dann auf die Lautsprecher 6 und 7 der linken bzw. rechten Seite gelangen, welche schräg seitlich versetzt zu einem Zuhörer 8 angeordnet sind. Das von diesen beiden Lautsprechern erzeugte Klangfeld ist wesentlich breiter als das ursprüngliche Klangfeld, das von dem Originalstereoklangsignal gebildet ist.

Die Klangbildortszuweisungsstufen 2 und 3 sind derart ausgebildet und funktionieren so, daß die folgenden Beziehungen zwischen den Signalen L₂, R₂ und L₃, R am Ausgang dieser Ortszuweisungsstufen 2 und 3 herrschen.

Die Signale L₃ und R₂ von der Klangbildortszuweisungsstufe 2 sind so beschaffen, daß sie, wenn sie den Lautsprechern 6 und 7 zugeleitet werden, ein natürliches Klangbild, beispielsweise links vom Zuhörer 8 in einer Richtung von -90° (gemessen im Gegenuhrzeigersinn gegenüber der als 0° bezeichneten Blickrichtung des Zuhörers 8) ergeben, indem die Phasenschieber und

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Dämpfungsglieder in der linksseitigen Klangbildortszuweisungsstufe 2 entsprechend eingestellt werden. In gleicher Weise geht man vor für die Ausgangssignale L₃ und R₃ der rechtsseitigen Klangbildortszuweisungsstufe 3, so daß ein natürliches Klangbild rechts in einer Richtung von +90 vom Zuhörer 8 entsteht.

Würde z.B. ein Klangbild erzeugt, werden, indem die Originalklangsignale L und R für den linken und rechten Kanal von der Zweikanal-Stereo-Klangsignalquelle 1 direkt dem linken bzw. rechten Lautsprecher 6 und 7 zugeführt werden, so entstünde ein räumlicher Klangeindruck in den Richtungen 1 bis 5 in Fig. 5a innerhalb eines relativ engen Klangbildwinkels von beispielsweise 60°.

Wird jedoch das Klangbild mit Hilfe der gemischten Ausgangsklangsignale L¹ und R¹ des linken und rechten Kanals, die in den Klangbildortszuweisungsstufen 2 und 3 angepaßt wurden, in den Lautsprechern 6 und 7 erzeugt, so entstehen klangrichtige Ortsrichtungen 1¹ bis 5' gemäß Fig. 5b innerhalb eines auf das Dreifache ausgedehnten Winkels des Klangfeldes von 180°. Der eingeschlossene Winkel dieses Klangfeldes kann auf jeden Wert eingestellt werden durch entsprechende Einstellungen in den Klangbildortszuweisungsstufen 2 und 3, wobei es jedoch theoretisch schwierig ist, das erneuerte Klangfeld über die Linie hinaus auszudehnen, die durch die beiden Ohren des Zuhörers 8 verläuft.

Werden nun zwei derartige Systeme gemäß Fig. 4 verwendet, von denen eines vor und das zweite hinter dem Zuhörer aufgestellt wird, und diesen beiden Systemen dann von einer Vierkanal-Stereoschallplatte die Klangsignale entsprechend zugeführt, so kann die Einrichtung nach der Erfindung dazu verwendet werden, das Klangfeld auch auf die gesamte Rückseite des Zuhörers auszubreiten. Es ist jedoch auch hier theoretisch schwierig, das jeweilige Klangfeld über die durch die Linie

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der Ohren des Hörers 8 gegebene Grenze auszudehnen, und es ist daneben ebenfalls theoretisch schwierig, ein durch vorder- oder rückseitige Klangsignale von nur dem linken oder rechten Kanal in der vorstehend beschriebenen Weise zu einem Klangfeld auszubreiten.

Bei der Klangfeldaufspreizvorrichtung nach der Erfindung ist die Anzahl der Lautsprecher auf zwei beschränkt,d.h. einen für die linke und einen für die rechte Seite vor oder hinter dem Zuhörer 8, wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Sollen zusätzliche Lautsprecher zwischen diesen beiden Lautsprechern angeordnet werden und werden diese mit Klangsignalen gespeist, deren Lautstärken und Phasen adäquat angepaßt sind, dann können Klangbilder erzeugt werden, die klar sind und der Zahl der verwendeten Lautsprecher in ihrer Güte entsprechen, doch die Klangbildaufspreizeinrichtung nach der Erfindung wird dann so kompliziert und teuer, daß der mit der Erfindung erreichte Gewinn völlig verlorengeht.

Die Wirkung derKlangfeldaufspreizvorrichtung nach der Erfindung konnte durch Versuche nachgewiesen werden, und die lokalisierten Richtungen der Klangbilder im Klangfeld können folgendermaßen vorausberechnet werden:

Um die gemischten Ausgangsklangsignale L¹ und R¹ des linken und rechten Kanals zu berechnen, die den Lautsprechern 6 und 7 bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 4 und 6 zugeleitet werden, können die folgenden Gleichungen (1) und (2) verwendet werden.

L¹ = L + A(f)· e^j9(f).R (1)

ι _{= A(f)}. je(f) ._L + _R

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L und R sind dabei die Eingangsklangsignale der beiden Kanäle und A (f) und θ(ί) stellen Koeffizienten dar, die in den jeweiligen Frequenzbändern den Lautstärken und Phasen der Klangsignale zugeordnet sind.

Die Werte dieser Koeffizienten A(f) und 0(f) in den Gleichungen 1 und 2 sind abhängig von den Frequenzbändern der Klangsignale, die die Filter 9 und 10 passieren. Ein Berechnungsbeispiel für den Fall der Frequenz des Klangsignals von 900 Hz und einem eingeschlossenen Winkel zwischen den Lautsprechern von 60°, der beim Hören von stereophonen Klangbildern der häufigst auftretende ist, ist folgendes.

Für den Fall eines Aufstellungswinkels von 60 zwischen den Lautsprechern lassen sich in gleicher Weise wie die Kurven der Fig. 4 Kurven gemäß Fig. 7 bestimmen, die die Beziehung zwischen Lautstärke- und Phasendifferenzen der Schalldrücke am Eingang der Ohren eines Hörers, hervorgerufen durch natürliche Schallquellen bei mehreren typischen Frequenzen bestimmen, wobei diese Kurven ergänzt werden durch Schnittpunkte vergleichbarer Kurven von Klangbildern, die von Klangsignalen des entsprechenden Kanals erzeugt wurden, die typis die Werte von Phasen- und Lautstärkedifferenzen hatten. Wenn außerdem die Originalklangbilder, die in den Richtungen 1 bis 5 in Fig. 5a lokalisiert sind, in die neuen Klangbilder umgewandelt wurden, die in die Richtungen 1¹ bis 5¹ gemäß Fig. 5b lokalisiert sind, mit Hilfe der in Fig. 4 dargestellten Einrichtung, dann stehen die Eingangsklangsignale L und R zu den Ausgangsklangsignalen L¹ und R¹ in einer Beziehung gemäß den folgenden Gleichungen 3 und 4.

L' = L + 1.4e^jO·⁶^ -R ... (3)

• R' = 1.4e^jO-^6r -L₊R ... (4)

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Diese Gleichungen werden dadurch erhalten, daß die Koeffizienten Ä(f) und e(f) in den Gleichungen 1 und 2 die Werte
1,4 und 0,6^ erhalten, die der Kurve für 900 Hz in Fig. 7 auf einem Kreuzungspunkt entnommen werden können, der einer lokalisierten Richtung von 90° der natürlichen Schallquelle entspricht.

Wenn dann angenommen wird, daß die ursprünglichen Klangbilder an den Stellen 1, 2 und 3 in Fig. 5a eingehalten oder erfüllt
sind, dann sind die Beziehungen zwischen den jeweiligen Klangsignalen L, R, L¹ und R¹ und den Lautstärken- bzw. Phasendifferenzen Δ ρ Ώ.ηά/\ψ der Schalldrücke an den Ohren des Zuhörers 8 in der Art, wie sie in der folgenden Tabelle 2 angegeben sind.

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Tabelle

CD Ki OO

Klangbild	1	L	.0	0	R	(1+0.;	1	L¹	6/7\	(1	R	I	3)	ΔΡ	5 dB	ΔΨ
1	1	.0	0			\2e	.0			1.4^°	.67T		-4.	dB	+0. 4 /T
2	1	.0	1	.3		1	JO.			⁶⁷⁷Vo.	-10		-Ο.87Γ
3		.0	.0		1 .0		0	0

CD CT) CD

NO

Als Ergebnis dieses Kombinierens der Werte der Lautstärkedifferenz ^P und der Phasendifferenz άΫ aus Tabelle 2 sind die ursprünglichen Klangbilder 1,2 und 3 aus der Fig. 5a nunmehr in Richtungen angeordnet von 90° nach links, 45° links und 0°, d.h. befinden sich nun als neue Klangbilder 1¹, 2' und 3¹ gemäß Fig. 5b in den dort gezeigten Richtungen. Gleichermaßen sind die ursprünglichen Klangbilder 4 und 5, die symmetrisch zu den ursprünglichen Klangbildern 1 und 2 in der Fig. 5a angeordnet sind, umgesetzt in die Klangbilder 4¹ und 5¹ symmetrisch zu den neuen Klangbildern 2" und 1" in Fig. 5b.

Als nächstes wird eine mehr praktische Ausführungsform der Klangfeldspreizeinrichtung nach der Erfindung in der Fig. 8 gezeigt. In dieser Fig. 8 werden eingangs Klangsignale für den linken und den rechten Kanal über Pufferverstärker 105, 106 an zugeordnete Klangbildortszuweisungsabschnitte gegeben, die in gleicher Weise aufgebaut sind, wie dies bereits in Fig. 6 dargestellt ist, und werden in mehrere Komponenten, die aneinandergrenzende Frequenzbänder darstellen, mit Hilfe von Tiefpaß-, Bandpaß- und Hochpaßfiltern 107a - f und 108a - f aufgeteilt. Die Hochpaßfilter 107f und 108f können auch als eine Art Bandpaßfilter angesehen werden. Die Filter 107a-f und 108a-f lassen jeweils Klangsignalkomponenten folgender Frequenzbänder passieren: 0-500 Hz, 500-800 Hz, 800Hz bis 1KHz, 1-1,25 KHz, 1,25-1,78 KHz und über 1,78 KHz, und innerhalb dieser Frequenzbänder sind als typische Frequenzwerte ausgewählt 500 Hz, 700 Hz, 900 Hz, 1100 Hz, 1500 Hz. Die Klangsignalkomponenten des Bandes höchster Frequenz haben keinen Einfluß auf die OrtsZuweisung der Klangbilder, so daß diese höchsten Frequenzkomponenten einfach in die Ausgangsklangsignale der Klangbildortszuweisungsabschnitte eingemischt werden.

Die vorstehend genannten Klangsignalkomponenten werden nach Phase und Lautstärke mit Phasenschiebern 109a-e und Dämpfungsgliedern 111a-e und 112a-e angepaßt, in derselben Weise wie bei .

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dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6, um damit Klangbilder genau links und rechts vom Zuhörer zu lokalisieren, die in den Richtungen des ursprünglich erzeugten Klangfeldes lokalisiert sein sollten,in dem die Seitenlautsprecher angeordnet sind.

Die in der genannten Weise eingestellten Klangsignalkomponenten werden durch Mischverstärker 113a-b und 114a-b gemischt, wodurch für die einzelnen Kanäle gemischte Ausgangsklangsignale 5_ΛΎ , S„_T und S₁-., S„_. gebildet sind, die dann Klangbildschiebern 115 und 116 zugeleitet werden.

Für den Fall,daß die gemischten Kanalausgangsklangsignale S_1T , S_1R, S₂₁- und S„_ , die von den Klangbildortszuweisungsabschnitten erzeugt wurden, unmittelbar auf die entsprechenden Seitenlautsprecher gegeben werden, hat das damit erzeugte Klangfeld den am weitesten gespreizten Bereich, d.h. umfasst den Winkel von 180° . In der Praxis wird es jedoch oft nötig sein, die so gebildeten Klangbilder zu verschieben oder ein erzeugtes Klangfeld einzuengen. Deshalb werden die gemischten Kanalausgangsklangsignale durch die Klangbildschieber 115 und 116 behandelt und danach durch Klangfeldeinstelleinrichtungen 121 und 122, die im einzelnen noch beschrieben werden, um auf diese Weise die erzeugten Klangbilder insgesamt zu verschieben und um das gesamte, am weitesten gespreizte Klangfeld einzuengen. Fig. 9 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Klangbildschiebers. Darin werden die gemischten Kanalausgangsklangsignale S₁ und S₂ Dämpfungsgliedern 127 und 128 zugeführt, und anschließend kommen die gedämpften Ausgangsklangsignale auf den linksseitigen bzw. rechtsseitigen Lautsprecher L und R .

Um Klangbilder exakt zu verschieben oder ein Klangfeld exakt einzuengen, muß das Klangsignal in einzelne Komponenten von ausgewählten Frequenzbändern unterteilt werden, und es müssen die Lautstärken und Phasen der einzelnen Komponenten abgestimmt und diese abgestimmten Komponentensignale dann gemischt werden, wie dies bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel

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nach Fig. 6 erläutert wurde. In der Absicht, die ganze Angelegenheit zu vereinfachen, werden nur die Lautstärken der gemischten Kanalausgangsklangsignale insgesamt durch Dämpfungsglieder abgestimmt, wenn ein erzeugtes Klangbild verschoben oder ein erzeugtes Klangfeld zusätzlich eingeengt werden soll. Soll deshalb gemäß Fig. 9 ein erzeugtes Klangbild in eine Richtung von 60° verschoben werden, das in der Richtung von 90° durch Einstellung der Koeffizienten A(f) und 9(f) aus den Gleichungen 1 und 2 entsprechend 1,4 und 0,6fr lokalisiert war, d.h. durch Einstellen der entsprechenden gemischten Kanalausgangsklangsignale gemäß

L¹ = S₁ + 1.4e^jO-^6/^S₂ ... (3¹)

R¹ = 1.4e^jO#6?r -S₁ + S₂ ... (4·)

dann wird der Phasenkoeffizient 0(f) beibehalten, d.h. mit 0,6/T , und der Lautstärkekoeffizient A(f) wird verändert auf 0,7 mit Bezug auf Fig. 7, indem die Dämpfungsglieder 127 und 128 entsprechend eingestellt werden. In einem anderen Fall, wenn das genannte erzeugte Klangbild in eine Richtung von 30° verschoben werden soll, genügt es, ein Ausgangsklangsignal nur dem rechtsseitigen Lautsprecher Rp₁ zuzuführen, so daß die Dämpfungswerte der Dämpfungsglieder 127 und 128 auf 0 bzw. unendlich zu stellen sind. Für den Fall des Verschiebens des genannten erzeugten Klangbildes genau vorn vor den Zuhörer 8, d.h. in Richtung von 0°, sollten beide Dämpfungsglieder 127 und 128 gleich eingestellt werden. Die Schalter 125 und 126 in Fig. 9 können entsprechend gestellt werden nach den gewünschten Richtungen, in die das erzeugte Klangbild verschoben werden soll.

Fig. 10 zeigt die jeweiligen Lautstärkepegel der gemischten Kanalausgangsklangsignale L¹ und R¹, die den Seitenlautsprechern L und R_F zugeführt werden, wobei die Signale durch Dämpfen der Kanaleingangsklangsignale S₁ und S„ erhalten werden abhängig

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von der Richtung, in die das erzeugte Klangbild geschoben werden soll.

Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispxel der Klangfeldeinsteller 121 und 122 aus Fig. 8. In der Fig. 11a werden die gemischten Kanalausgangsklangsignale, die von den Klangbildortszuweisungsabschnitten in Fig. 8 kommen, auf Dämpfungsglieder 129, 130, 131 und 132 gegeben und kommen dann als entsprechend gedämpfte Kanalausgangsklangsignale L¹ und R¹ heraus, womit ein verengter Bereich des erzeugten Klangfeldes erhalten wird, das in der Fig. 11b durch die eingeschlossenen Winkel /5 + /*„= ß gezeigt ist; dies erfolgt durch entsprechende Einstellung der Dämpfungsglieder 129-132.

In dem Ausführungsbeispxel nach Fig. 8 sind die Komponentenklangsignale nach Lautstärken und Phasen im Hinblick auf die charakteristischen Kurven bei den typischen Frequenzen 500 Hz, 700 Hz, 900 Hz und 1100 Hz aus Fig. 7 in einer Weise angepaßt, wie es aus der folgenden Tabelle 3 entnommen werden kann. In der Tabelle 3 werden die Lautstärke- und Phasendifferenzen der Kanalausgangsklangsignale der typischen Frequenzen 1,5 KHz durch Extrapolieren der Werte anderer typischer Frequenzen erhalten, denn die Kurvencharakteristik für 1,5 KHz ist bei einer Darstellungsform gemäß Fig. 2 sehr kompliziert.

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Tabelle 3

Filter	Frequenzband	>	- 500 Hz	Typische Frequenz	Lautstärke differenz	Phasendiffe renz
a	O	- 800 Hz	500 Hz	0.5	0.9Γ
b	500	- 1 KHz	700 Hz	0.7	0.8 ΊΤ
C	800Hz	-1.25 KHz	900 Hz	1.4	O.67T
d	1	-1.78 KHz	1 . 1 KHz	1.6	0.4 TT
e	1.25	1.78 KHz	1.5 KHz	1.8	0.3 T
f	-	0	0

Durch die Klangbildortszuweisungsmethode, auf der die Erfindung beruht, kann, wie bereits früher erwähnt, ein Klangbild nicht über die Linie hinaus verschoben werden, die durch die beiden Ohren des Zuhörers verläuft, weil das erzeugte Klangbild seine Ortszuweisung bezüglich Phasen- und Lautstärkedifferenzen der Schalldrücke an den Ohren des Zuhörers erhält.

Um also die Erfindung für das Spreizen oder Ausdehnen eines Vierkanal-Stereoklangfeldes anwenden zu können, ist ein
Paar derartiger Klangfeldspreizeinrichtungen nach Fig. 6 erforderlich, jeweils für die Vorderseite und die Hinterseite
mit Zweikanalstereoklangsignalen, was die Fig. 12 anzeigt.
Die Einstellung erfolgt in ähnlicher Weise, wie im Zusammenhang mit der Fig. 6 beschrieben, um ein allseitig umgebendes Stereoklangfeld um den Zuhörer 208 herum zu erzeugen. Außerdem ist es möglich, die gemischten Kanalausgangsklangsignale

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aus der Klangfeldaufspreizeinrichtung nach Fig. 6 und 12 auf gewöhnlichen Stereoaufzeichnungsgeräten zu speichern, wie etwa einem gewöhnlichen Stereobandgerät oder einer Stereoschallplatte, und diese aufgezeichneten Signale können dann abgespielt und auf einfache Weise verstärkt den entsprechenden Lautsprechern zugeführt werden, so daß dann ein gespreiztes Stereoklangfeld erzeugt wird, ohne daß dazu die Klangfeldspreizeinrichtung noch benötigt wird.

Nach allem zuvor Ausgeführten lassen sich mit der Klangfeldspreizeinrichtung nach der Erfindung die folgenden bemerkenswerten Vorteile erzielen:

(1) Durch Anfügen der erfindungsgemäßen Klangfeldspreizeinrichtung an einen gewöhnlichen Stereoplattenspieler oder ein Stereotonbandgerät kann eine erhebüche Steigerung des Stereohörempfindens im erzeugten Klangfeld erzielt werden;

(2) Es ist möglich, die Klangbilder viel klarer und natürlicher örtlich festzulegen;

(3) Die Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist einfach, so daß die Einrichtung nicht teuer wird;

(4) Durch Kombination mehrerer Klangfeldspreizeinrichtungen kann auf einfache Weise das gespreizte Klangfeld vollständig um den Zuhörer herum aufgebaut werden, wobei ein klardefiniertes natürliches Klangbild in dem allseitig umgebenden Klangfeld herrscht.

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Claims

Patentansprüche

\1 .yKlangfeldspreizeinrichtung, durch die ein um einen Zuhörer herum aufgebautes Klangfeld merklich weiter aufgespreizt werden kann als sein Original, gekennzeichnet durch Klangbildortszuweiser für die linke und die rechte Seite zum Einstellen der Lautstärke und der Phase der Klangsignale für den linken und den rechten Kanal, die von einer Zweikanal-Stereo-Klangsignalquelle stammen und die, wenn sie unmittelbar auf Lautsprecher gegeben werden, die schräg oder hinter einem Zuhörer stehen, das Originalklangfeld hervorrufen, um Klangbilder auf der linken und der rechten Seite zu erzeugen, die auf das linke und das rechte Ende des gespreizten Klangfeldes eingestellt sind und die den linksseitigen und rechtsseitigen Originalklangbildern entsprechen wie sie an den linken und rechten Enden des Originalklangfeldes auftreten, und ferner gekennzeichnet durch einen linken und einen rechten Mischer, der Klangsignale für den linken Kanal mischt, die von beiden Klangbildortszuweisern stammen, und Klangsignale für den rechten Kanal, die ebenfalls von beiden Klangbildortszuweisern stammen, und die gemischten Kanalausgangsklangsignale für den linken und den rechten Kanal dann den Lautsprechern zuführt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Klangbildortszuweiser folgendes enthält: mehrere Tief- und Bandpaßfilter, die bestimmte Komponenten des Kanalklangsignals passieren lassen, welche innerhalb aufeinanderfolgender Frequenzbänder liegen;

mehrere Phasenschieber, mit denen die Phasen der einzelnen Komponenten so verschoben werden, daß die an den Enden des aufgespreizten Klangfeldes entstehenden Klangbilder an den Ohren des Zuhörers Schall drücke entstehen lassen, die Lautstärke-und Phasendifferenzen haben entsprechend den Schalldrücken, die von den gebildeten Klangbildern an den Enden des Originalklangfeldes hervorgerufen werden;

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mehrere Dämpfungsglieder zum Einstellen der Lautstärkepegel der einzelnen Komponenten für die Erzeugung der entsprechenden Schalldrücke in den gebildeten Klangbildern am Ohreingang des Zuhörers;

mehrere Mischer, in denen die Komponenten der Kanalklangsignale, deren Lautstärkepegel und Phasen eingestellt wurden, gemischt werden zur Bildung der lokalisierten Ausgangsklangsignale der einzelnen Kanäle.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Klangbildschieber für die linke und die rechte Seite, mit denen die gesamten Klangbilder im gespreizten Klangfeld verschoben werden, und Klangfeldeinsteller für die linke und die rechte Seite, mit denen das gesamte gespreizte Klangfeld eingestellt werden kann.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie paarweise mit zwei Kanalklangsignalen für die Vorderseite und für die Rückseite aus einer Vierkanal-Stereo-Klangsignalquelle versorgt werden zur Erzeugung eines den Zuhörer umgebenden, gespreizten Vierkanal-Stereo-Klangfeldes.
5. Klangsignalaufzeichnungsgerät, in dem Klangsignale aufgezeichnet werden, die von wenigstens einer Klangfeldaufspreizvorrichtung stammen, durch die ein Klangfeld, das um einen Zuhörer erzeugt wird, wesentlich weiter aufgespreizt werden kann als ein Originalklangbild, gekennzeichnet durch Klangbildortszuweiser für die line und die rechte Seite zum Einstellen der Lautstärke und der thase der Klangsignale für den linken und den rechten Kanal, die von einer Zweikanal-Stereo-Klangsignalquelle stammen und die, wenn sie unmittelbar auf Lautsprecher gegeben werden, die schräg oder hinter einem Zuhörer stehen, das Originalklangfeld hervorrufen, um Klangbilder auf der linken und der rechten Seite zu erzeugen, die

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auf das linke und das rechte Ende des gespreizten Klangfeldes eingestellt sind und die den linksseitigen und rechtsseitigen Originalklangbildern entsprechen wie sie an den linken und rechten Enden des Originalklangfeldes auftreten, und ferner gekennzeichnet durch einen linken und einen rechten Mischer, der Klangsignale für den linken Kanal mischt, die von beiden Klangbildortszuweisern stammen, und Klangsignale für den rechten Kanal, die ebenfalls von beiden Klangbildortszuweisern stammen, und die gemischten Kanalausgangsklangsignale für den linken und den rechten Kanal dann den Lautsprechern zuführt.

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