DE2616762C2 - Einrichtung zur Aufweitung eines stereophonen Klangbildes - Google Patents

Einrichtung zur Aufweitung eines stereophonen Klangbildes

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DE2616762C2 DE2616762A DE2616762A DE2616762C2 DE 2616762 C2 DE2616762 C2 DE 2616762C2 DE 2616762 A DE2616762 A DE 2616762A DE 2616762 A DE2616762 A DE 2616762A DE 2616762 C2 DE2616762 C2 DE 2616762C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Aufweitung eines stereophonen Klangbildes gegenüber dem Originalklangbild mit Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen, deren Ausgangssignale Mischeinrichtungen für die linke und rechte Seite zugeführt werden, welche ausgangsseitige Tonsignale des linken und rechten Kanals für jeweils zugeordnete, schräg vor dem Zuhörer angebrachte Lautsprecher erzeugen.
Aus der US-PS 32 36 949 ist eine Einrichtung zur Aufweitung eines stereophonen Klangbildes gegenüber dem Originalklangbild mit Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen bekannt Mit Hilfe zweier Lautsprecher sollen durch entsprechende Maßnahmen unterschiedliche virtuelle Klangbilder erzeugt werden, deren eingeschlossener Winkel unterschiedlich gegenüber den von den Lautsprechern eingeschlossenen Winkel sein soll. Hierbei werden die Tonsignale des linken und rechten Kanals in jeweils einem Lokalisiernetzwerk aufgeteilt in zwei Tonsignalgruppen, von denen die eine einem seitengleichen Addierer und die andere dem Addierer des anderen Kanals zugeführt wird. Bei dem bekannten Lokalisiernetzwerk wird das Verhalten einer Klangbild-Lokalisierung mittels simulierter kurzer Impulse analysiert, welche alle Frequenzen umfassen und welche von den Schallquellen zu entsprechenden Empfängern, z. B. den Ohren des Zuhörers geleitet werden. Die Lokalisierung
des Klangbildes wird hierbei so durchgeführt, daß schädliche Schalldruckquellen nacheinander mittels wiederholter Abstrahlung von verzögerten Kurzimpulsen unwirksam gemacht werden, die aufeinanderfolgend von den entsprechenden Lautsprechern abgeschwächt werden, um so ein angemessen scharfes und frequenzunabhängiges virtuelles Klangbild zu schaffen. Diese als schädlich bezeichneten Schalldruckwellen werden jeweils durch kurze Impulse verursacht, und zwar im Öhr des Zuhörers. Diese Kurzimpulse erreichen das eine Ohr später als das andere und weisen in bezug auf h^ide Ohren unterschiedliche Dämpfungswerte auf. Infolgedessen besteht die Gefahr, daß die Kurzimpulse nicht vollständig gelöscht werden können, so daß sie als störend in Verbindung mit dem Klangbild empfunden werden. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die Verstärkungswerte und die Verzögerungswerte innerhalb des Lokalisiernctzwerkes sehr genau für den gesamten Frequenzbereich eingestellt-werden müssen. Dies erfordert einen beträchtlichen Aufwand an Einstellpräzision. Der resultierende Tonsignaldruck der Schalldruckwelle wird in den Ohren des Zuhörers sukzessive durch die wiederkehrenden Kurzimpulse, die eine bestimmte Frequenzabhängigkeit aufweisen, akkumuliert Mittels der bekannten Lokalisiernetzwerke wird daher Ober den gesamten Frequenzbereich je nach Lage des Phantom-Klangbildes eine entsprechende Verzögerung der Impulse und eine entsprechende Dämpfung bzw. Verstärkungsdifferenz eingestellt Die Beseitigung der nicht gewünschten Einzelimpulse dureb phasenverschobene Gegenimpulse ist beson- is ders aufwendig.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Aufweitung eines stereophonen Klangbildes gegenüber dem Originalklangbild mittels Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß mit Hilfe von einfachen Maßnahmen gewünschte Klangbildwinkel bei klarer und natürlicher Wiedergabe möglich sind, ohne daß hierbei Störimpulse auftreten. Des weiteren sollen Zusatzsignale zur Nachbildung von Laufzeitunterschieden vermieden werden. Auch soll erreicht werden, daß eine Klangbildaufweitung für Tonsignale möglich ist, die von gewöhnlichen Stereo-Tonsignalquellen stammen, wobei natürliche und klare Tonbilder erzielt werden sollen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen für die linke und rechte Seite aus mehreren Tief- und Bandpaßfiltern, die bestimmte Komponenten des Tonsignals des jeweiligen Kanals passieren lassen, welche innerhalb aufeinanderfolgender Frequenzbänder liegen, aus mehreren Phasenschiebern zur Phaseneinstellung der einzelnen, von den Filtern abgeleiteten Komponenten und aus mehreren Dämpfungsgliedern zur Pegeleinstellung der einzelnen, von den Filtern abgeleiteten Komponenten bestehen, um so lokalisierte Tonsignale für den jeweiligen Kanal zu bilden.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß mit Hilfe von Tief- und Bandpaßfiltern die Tonsignale des gesamten Frequenzbereiches in Tonsignalkomponenten aufgeteilt werden, wobei jede Komponente einem bestimmten Frequenzband zugeordnet ist Die einzelnen Tonsignalkomponenten bilden gewissermaßen Teilkomponenten der gesamten Tonsignale. In nachgeordneten Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern werden nun die einzelnen Tonsignalkomponenten entsprechend geschwächt und phasenverschoben. Auf diese Weise werden veränderte Tonsignalkomponenten erzeugt Jede Tonsignal-Lokalisiereinrichtung des linken oder rechten Kanals erzeugt demnach am Ausgang ein unverändertes Tonsignal sowie ein verändertes Tonsignal. Das unveränderte Tonsignal wird jeweils der seitengleichen Mischeinrichtung zugeführt, während das veränderte Tonsignal der Mischeinrichtung des jeweils anderen Kanals zugeführt wird. Auf diese Weise erhält man in Abhängigkeit von der Dämpfung und der Phasendrehung die gewünschte Tonbildwinkellage. Der zwischen dem linken und rechten Tonklangbild eingeschlossene Winkel beträgt maximal 180°. Durch Anfügen einer solchen Tonklangbild-Aufweitungseinrichtung an einen gewöhnlichen Stereoplattenspieler oder an ein Stereotonbandgerät kann eine erhebliche Steigerung des Stereohörempfindens geschaffen werden, bei dem der Klangbildwinkel des linken und rechten Kanals erheblich gegenüber dem durch die beiden Lautsprecher eingeschlossenen Winkel aufgeweitet sein kann. Da Hilfsimpulse oder dergleichen vermieden werden, ist es möglich, Klangbilder von klarer und natürlicher Beschaffenheit winkelmäßig zu simulieren. Phasenschieber und Dämpfungsglieder sind einfach einzustellende Schaltungsteile, die keinen komplizierten Aufbau aufweisen. Daher ist die erfindungsgemäße Einrichtung preiswert Durch Kombinieren mehrerer Klangbild-Aufweitungseinrichtungen miteinander, kann ein Stereoklangbild um den Zuhörer herum (360°) geschaffen werden. Dadurch, daß der Frequenzbereich des gesamten Frequenzspektrums der Tonsignale unterteilt ist gestalten sich die Dämpfungsglieder und die Phasenschieber besonders einfach. Durch erneutes Zusammenfügen der Tonsignalkomponenten nach ihrer Dämpfung und Mischung werden ausgangsseitig die einzelnen Komponenten wieder zusammengefügt Auf diese Weise ist das Frequenzspektrum nicht eingeschränkt Somit erhält man ein klares und breites Klangbild der Stereotonsignale aus den Lautsprechern übertragen.
Gemäß einer weiteren Ausbildung lassen die Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen jeweils das der seitengleichen Mischeinrichtung zugeführte Signal im wesentlichen unverändert, wogegen das der anderen Mischeinrichtung zugeführte Signal in den Phasenschiebern und dem Dämpfungsgliedern der jeweiligen Tonsignal-Lokalisiereinrichtung entsprechend dem gewünschten Aufweitungswinkel verändert wird.
Des weiteren wird jeweils das seitengleiche unveränderte Signal und das nicht seitengleiche veränderte Signal einer ersten und zweiten jeweils eine Vielzahl von Eingängen aufweisende Mischstufe entnommen, wobei die Eingänge der ersten und zweiten Mischstufe der zugehörigen Tonsignal-Lokalisiereinrichtung über die Dämpfungsglieder mit je einem ersten und je einem zweiten Ausgang sämtlicher Phasenschieber der zugehörigen Tonsignal-Lokalisiereinrichtung verbunden sind.
Gemäß einer weiteren Ausbildung besteht das Ausgangssignal U bzw. Ä'der linken und rechten Mischeinrichtung aus der Summe des jeweils unveränderten seitengleichen Eingangstonsignals L bzw. R und des pegelmäßig und phasenmäßig veränderten Tonsignals R ■ A(f) · eW bzw. L · A(f) · eJ^O, wobei L und R die Eingangstonsignale des linken und rechten Kanals, A(F) frequenzabhängig Dämpfungskoeffizienten und eMO frequenzabhängige Phasenverschiebungskoeffizienten bedeuten, wobei die Dämpfungskoeffizienten durch die Dämpfungsglieder und die Phasenverschiebungskoeffizienten durch die Phasenschieber eingestellt werden. Für
bestimmte Frequenzbereiche lassen sich mittlere Dämpfungskoeffizienten angeben. Das gleiche gilt für die ,v mittleren Phasenverschiebungskoeffizienten. H
Weitere Ausbildungen finden sich in den Unteransprüchen. Die Tonsignalkomponente der beiden Kanäle :| werden demnach nach Lautstärke (Pegeldifferenz) und Phase (Phasendifferenz) entsprechend eingestellt, wo- || durch gewünschte Aufweitungswinkel erzielt werden, und zwar durch einfache EinsteHmaßnahmen. ί
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt ;j-
F i g. 1 eine Schemadarstellung einer typischen Anordnung von Lautsprechern bei Vierkanal-Stereophonie, fe
F i g. 2 eine graphische Darstellung von Lautstärke- und Phasenunterschieden der Schalldrücke, die an den § Ohreingängen eines Zuhörers entstehen,
F i g. 3 eine Schemadarstellung der relativen Stellung eines Lautsprechers, der am Ohreingang eines Zuhörers t Schalldrücke erzeugt,
F i g. 4 in Blockschaltungsdarstellung eine grundlegende Anordnung einer Klangbildaufweitungseinrichtung, ;
F i g. 5a und 5b Schemadarstellungen, die das von einer herkömmlichen Tonanlage erzeugte und das von der ί' Aufweitungseinrichtung nach der Erfindung hervorgerufene Klangbild wiedergeben, is F i g. 6 eine Blockschaltung einer Ausführungsform der Klangbildauf Weitungseinrichtung nach der Erfindung, -
F i g. 7 eine graphische Darstellung, die die Lautstärke- und Phasenunterschiede der einzelnen Frequenzbänder der Schalldrücke am Eingang der Ohren eines Zuhörers wiedergibt,
F i g. 8 eine Blockdarstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung,
F i g. 9 eine Schemadarstellung, die ein Ausführungsbeispiel eines Klangbildschiebers zeigt, der einer Klangbildaufweitungseinrichtung nach der Erfindung hinzugefügt wird, :
F i g. 10 eine graphische Darstellung, die einen Zustand beim Schieben der Klangbilder bzw. eines Klangbildschiebers gemäß F i g. 9 veranschaulicht,
Fig. 11 eine schematische Darstellung, die ein Ausführungsbeispiel eines Kiangbildabstimmers zeigt, der der Klangbildaufweitungseinrichtung nach der Erfindung hinzugefügt wird, und
Fig. 12 als Blockschaltung ein Ausführungsbeispiel eines Paares von Klangbildaufweitungseinrichtungen nach der Erfindung für die Aufweitung eines Vierkanal-Stereoklangbildes.
Die Klangbildaufweitungseinrichtung 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 Tonsignale der jeweiligen Kanäle zugeführt erhalten, dann sind Lautstärke- und Phasenunterschiede des Schalldruckes in aufeinanderfolgenden Frequenzbändern zwischen den einzelnen Tonsignalen, die den Lautsprechern zugeleitet werden, derart eingestellt, daß die an den Ohren eines Zuhörers auftretenden Lautstärke- und Phasendifferenzen von Schalldrücken, die durch ein Klangbild erzeugt werden, den Lautstärke- und Phasendifferenzen der Schalldrücke an den Ohren eines Zuhörers entsprechen, die von einer einzigen Schallquelle stammen, die sich innerhalb des Klangbildes 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 Verfahren.
Mit der herkömmlichen Methode, Klangbilder örtlich entsprechend anzuordnen, sind mehrere falsche und T. unnatürliche akustische Empfindungen verbunden. Die physikalischen Bedingungen so erzeugter Klangbilder, ' nämlich die Lautstärke- und die Phasendifferenzen Ap und Aip der Schalldrücke an den Ohren des Zuhörers, ν unterscheiden sich bei diesen reproduzierten Klangbildern erheblich von den Schalldrücken, die unmittelbar von natürlichen Schallquellen erzeugt werden. »
Durch die oben genannte Methode, Klangbilder zu lokalisieren, werden Phasen- und Lautstärkeunterschiede i; θ und X zwischen den einzelnen Tonsignalen der Kanäle, die auf die jeweiligen Lautsprecher gegeben werden, JA auf Werte eingestellt, und zwar entsprechend den Stellen, 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. V
so F i g. 1 zeigt eine typische Anordnung von Lautsprechern zur Erzeugung eines Vierkanal-Stereoklangbildes, | die einen linken und einen rechten Lautsprecher Lf und Rf auf der Vorderseite des Zuhörers aufweist, sowie & einen linken und einen rechten Lautsprecher L« und Rr, die schräg auf der Hinterseite des Zuhörers stehen. Die F i g. 2 zeigt Kurven der verschiedenen Lautstärke- und Phasendifferenzen Ap und Ay> der jeweiligen Schall- „ drücke am Eingang der Ohren eines Zuhörers, die von natürlichen Schallquellen und von den Tonsignalen tö herrühren, die von den einzelnen Lautsprechern ereugt werden, denen die jeweiligen Kanalsignale zugeführt §j werden, welche Phasen- und Lautstärkedifferenzen θ und X zueinander haben. §
Fig.3 zeigt die verschiedenen Stellungen eines Zuhörers gegenüber einem Einzellautsprecher, der um den Zuhörer mit einem Winkel <x zur Gesichtsmitte des Zuhörers herumbewegt wird. Wenn beispielsweise ein Sinussignal von 1100Hz dem Lautsprecher gemäß Fig.3 zugeführt wird, dann zeigt Kurve 1 in Fig.2 die Beziehungen zwischen den Lautstärkedifferenzen und den Phasendifferenzen Ap und Aip der natürlichen Schalldrücke, die am Eingang der Ohren des Zuhörers bei diesem 1100-Hz-Sinussignal herrschen, das vom Lautsprecher erzeugt wird, womit ein natürliches räumliches Hörempfinden hervorgerufen wird. Die an die Kurve 1 in Fig.2 aufgetragenen Werte 10°—90° geben jeweils den Winkel κ an, der die Richtung des Lautsprechers gegenüber der 0°-Linie unmittelbar vor dem Zuhörer einschließt, wobei im Uhrzeigersinn positiv gezählt ist Werden dagegen einem linken und einem rechten Lautsprecher Lf und Rk die schräg vor dem Zuhörer angeordnet sind, die entsprechenden Kanaltonsignale, die dieselben Phasendifferenz θ und Lautstärkedifferenzen X der einzelnen Werte haben, zugeführt, so gibt die Kurve 2 der Fig. 2 die Beziehungen zwischen Lautstärke- und Phasendifferenzen Ap und Αφ der Schalldrücke wieder, die von den erzeugten Klangbildern
stammen, in ähnlicher Weise zeigen die Kurven 3 bis 10 der F i g. 2 vergleichbare Verhältnisse zwischen den Lautstärke- und Phasendifferenzen Δρ und Δφder Schalldrücke, wenn dem linken und rechten Lautsprecher Lf und /?/-ihre Kanaltonsignale zugeleitet werden. Die Figur zeigt die Lautstärkedifferenzen X von verschiedenen Werten und die Phasendifferenzen θ von ebenfalls verschiedenen Werten, wobei die Werte negativ angegeben sind, wenn die Tonsignale, die dem linken Lautsprecher Lf zugeführt werden, gegenüber den dem rechten Lautsprecher äfzugeführten verzögert sind. Die Kurven 3—10 in F i g. 2 entsprechen der Reihe nach folgenden Fällen der Tonsignalphasendifferenzen: θ=—0,6π, —0,4^r, —0,2^r, + 02,λγ, +0,25^r, +0,3λ-, +0,45^rund —0,1 π. Auf den einzelnen Kurven sind die Werte der Verhältnisse X der Lautstärkepegel zwischen den jeweiligen Kanaltonsignalen, die dem linken bzw. rechten Lautsprecher L^und Äf-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 Orte. Folglich kreuzt die Kurve 1 sämtliche Kurven 2 bis 10. Die einzelnen Kreuzungspunkte zeigen die Phasen- und Lautstärkedifferenzen, die zwischen den beiden Kanaltonsignalen vorhanden sein sollten, die den jeweiligen Lautsprechern LFund Äfzugeführt werden, wenn die von den Kanaltonsignalen hervorgerufenen Klangbilder in den Richtungen erkannt werden sollen, die mit den Werten ac gekennzeichnet sind, der sich aus der Darstellung der F i g. 2 als Richtung der natürlichen Schallquelle ergibt.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Methode zur Bestimmung der Klangbildrichtung bzw. der Tonsignal-Lokalisierung erhalten die einzelnen Kanaltonsignale, die den Lautsprechern in aneinandergrenzenden unterschiedlichen Frequenzbändern zugeleitet werden, die Phasen- und Lautstärkedifferenzen θ und X, die den Kreuzungspunkten der Kurve 1 zugeordnet sind, welche die Lautstärke- und Phasendifferenzen Δρ und .^ der natürlichen Schalldrücke zeigen, die den in ihrer Richtungsbestimmung zu erzeugenden Klangbildern entsprechen.
Je mehr diese Kreuzungspunkte auf der Kurve 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 Kanaltonsignalen gegeben sein sollten, die die richtungsbestimmten Klangbilder erzeugen, sind für typische Richtungen in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt
40° 50° 60° 70° 80° 90°
0,10 0,10 033 0,55 0,65 0,70
—0,60 λγ +0,45 λ: +0,35 λγ +0,25 π +0,225 π +0,2 λ-
Die F i g. 4 zeigt ein grundlegendes Ausführungsbeispiel einer Klangbildaufweitungseinrichtung, die auf dem Bestimmungsverfahren für Klangbildrichtung der oben beschriebenen Art beruht und in der eine gewöhnliche Zweikanal-Stereotonsignalquelle verwendet wird, beispielsweise eine Stereoschallplatte oder ein Stereotonband. Die Einrichtung erzeugt ein Klangbild mit Hilfe eines linken und eines rechten Kanaltonsignals, das dann aufgeweitet wird. Die Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen 2 und 3 sind auf der Basis des Klangbildrichtungsbestimmungsverfahrens aufgebaut In ihnen werden die Eingangstonsignale des jeweiligen Kanals in zahlreiche Tonsignalkomponenten aufgeteilt die bestimmte Frequenzbänder umfassen, die dann gegeneinander verschoben werden mit Hilfe von Tiefpaß- und Bandpaßfiltern, wobei die Lautstärke- und Phasenwerte der einzelnen Tonsignalkomponenten mit Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern passend eingestellt werden. Daraufhin werden diese abgestimmten Tonsignalkomponenten derart miteinander gemischt daß die erforderliche Anzahl (z. B. zwei für ein linkes und ein rechtes Kanaltonsignal) von richtungsbestimmenden Ausgangstonsignalen erzeugt sind.
Diese richtungsbestimmenden Tonsignale aus den Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen 2 und 3 werden mit Mischstufen 4 und 5 zu Ausgangstonsignaien für den Unken bzw. rechten Kanal gemischt und dann den entsprechend angeordneten Lautsprechern 6 und 7 zugeleitet die dann ein einziges Klangbild an einer gewünschten Stelle in bezug auf einen Hörer 8 erzeugen. Die Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen 2 und 3, die in der Grundschaltung nach F i g. 4 eingesetzt sind, werden in Verbindung mit der F i g. 6 in ihren Einzelheiten beschrieben. In der F i g. 6 sind die Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen 2 und 3 mit strichpunktierten Linien umgeben. Darin sind mit 9 und 10 Bandpaßfilter bzw. Tiefpaßfilter bezeichnet, an die sich Phasenschieber 11 und daran wiederum einstellbare Dämpfungsglieder 12 anschließen, während mit 13 Mischstufen bezeichnet sind, die die abgestimmten Tonsignalkomponenten der einzelnen Kanäle mischen. In der F i g. 4 ist gezeigt, daß das linke und das rechte Kanaltonsignal L und R jeweils der Unken und rechten Tonsignal-Lokalisiereinrichtung zugeführt werden, worin für den linken Kanal lokalisierte Ausgangstonsignale L2 und L3 und für den rechten Kanal eo lokalisierte Ausgangstonsignale R2 und R3 durch Unterteilen, Abstimmen und Mischen in noch zu beschreibender Weise gebildet werden. Die lokalisierten Ausgangstonsignale für den Unken Kanal Li und L% die von den Stufen für die Tonsignal-Lokalisiereinrichtung 2 und 3 kommen, werden einem Mischer 4 für die Unke Seite zugeführt während die lokalisierten Tonausgangssignale des rechten Kanals Ri und A3, die von der Stufe für die Tonsignal-Lokalisierung 2 und 3 abgeleitet sind, einem rechten Mischer 5 zugeführt werden. An den Ausgängen der Mischer werden die Ausgangstonsignale für den linken bzw. rechten Kanal U und R' abgenommen, und zwar als Summenausgangssigna] 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
Tabelle 1 10° 20° 30°
Richtung des
Klangbildes 1,00 0,90 0,75 0,50
Verhältnis des
Signalpegels (X) 0 -0,100 π -0,225 π
Phasendifferenz
der Signale ΙΘ)
von diesen beiden Lautsprechern erzeugte Klangbild ist wesentlich breiter als das ursprüngliche Klangbild, das ^^SSSSSXiSiSi^n ausgebüdet und arbeiten so daß die folgenden Beziehungen
zugeleitet werden, ein natürliches Klangbild, beispielsweise links vom Zuhörer 8 in einer Rötung von -90
(gemessenimGegenuhrzeigersinngegenüberderalsO'bezeichnetenBl.cknc^
die Phasenschieber und Dämpfungsglieder in der linksseitigen Tons.gnallokahs.erstufe 2 entsprechend e,n^ste^
werden In gleicher Weise geht man vor die Ausgangssignale L3 und A3 der rechtsseitigen Tons.gnallokalisierstufe 3,
sodaßeinnatürlichesKlangbildrechtsineinerRichtungvon+WvomZuhörereentsteht
Würde z. B. ein Klangbild erzeugt werden, indem die Originaltonsignale L und R für den linken und rechten Kanal von der Zweikanal-Stereo-Tonsignalquelle 1 direkt dem linken bzw. rechten Lautsprecher 6 und 7 zugeführt werden, so entstünde ein räumlicher Klangeindruck in den Richtungen 1 b« 5 in Fig.5a innerhalb eines relativ engen Ton-oder Klangbildwinkels von beispielsweise 60°. rK.htpn
Wird jedoch das Klangbild mit Hilfe der gemischten Ausgangsklangsignale L' und R des hnken und rechten Kanals, die in den Tonsignallokalisierstufen 2 und 3 angepaßt wurden, in den Lautsprechern w an» . erzeug., so entstehen klangrichtige Ortsrichtungen 1' bis 5' gemäß F i g. 5b innerhalb eines auf das Dreifache ausgedehnten Winkels des Klangbildes von 180°. Der eingeschlossene Winkel dieses Klangbildes kann auf jeden Wert eingestellt werden durch entsprechende Einstellungen in den Tonsignallokalisierstufen 2 und 3 wobei es jedoch theoretisch schwierig ist. das erneuerte Klangbild über die Linie hinaus auszudehnen, die durch die beiden Ohren
eWeUrdeneJun zwetderartige Systeme gemäß F i g. 4 verwendet, von denen eines vor und das zweite hinter dem Zuhörer aufgestellt wird, und diesen beiden beiden Systemen dann von einer Vierkanal-Stereoschallplatte die Klangsignale entsprechend zugeführt, so kann mittels der Einrichtung das Klangbild auch auf die gesamte Rückseite des Zuhörers ausgebreitet werden. Es ist jedoch auch hier theoretisch schwierig, das jeweilige Klangbild über die durch die Linie der Ohren des Zuhörers 8 gegebene Grenze auszudehnen. Es ist ebener, theoretisch schwierig, ein durch vorder- oder rückseitige Tonsignale von nur dem linken oder rechten Kanal in der vorstehend beschriebenen Weise zu einem Klangbild auszubreiten.
Bei der Klangbildaufweitungseinrichtung nach den Fig.4 und 5b 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. Sollen zusätzliche Lautsprecher zwischen diesen beiden Lautsprechern angeordnet werden und werden diese mit Tonsignalen gespeist, deren Lautstärken und Phasen entsprechend angepaßt sind, dann können Tons.gna.e erzeugt werden, die klar sind und der Zahl der verwendeten Lautsprecher in ihrer Güte entsprechen Die Einrichtung zur Aufweitung des stereophonen Klangbildes wird dann aber so kompliziert und teuer, daß der erreichte Gewinn völlig verlorengeht rv»i,»u«i;
Die Wirkung der Klangbildaufweitungseinrichtung konnte durch Versuche nachgewiesen werden. Die lokalisierten Richtungen der Tonsignale im Klangbild können folgendermaßen vorausberechnet werden:
Um die gemischten Ausgangstonsignale L' und R' des linken und rechten Kanals zu berechnen, die den Lautsprechern 6 und 7 bei den Ausführungsbeispielen nach F i g. 4 und 6 zugeleitet werden, können die folgenden Gleichungen (1) und (2) verwendet wenden.
L'=L+A(f) -e/ero. R · L+R
L und R sind dabei die Eingangstonsignale der beiden Kanäle und Atf» und flflfstellen Koeffizienten dar, die in den jeweiligen Frequenzbändern den Lautstärken und Phasen der Tonsignale zugeordnet sind.
Die Werte dieser Koeffizienten A(f)xxnd öfflin den Gleichungen 1 und 2 sind abhängig von den Frequenzbandern der Tonsignale, die die Filter 9 und 10 passieren. Es folgt zunächst ein Berechnungsbeispiel fur den Fall der Frequenz des Tonsignals von 900 Hz und einem eingeschlossenen Winkel zwischen den Lautsprechern von 60 , der beim Hören von stereophonen Klangbildern der häufigst auftretende ist.
Bei einem Aufstellungswinkel von 60" zwischen den Lautsprechern lassen sie. m gleicher Weise wie cue Kurven der F i g. 2 Kurven gemäß F i g. 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 Tonsignalen des entsprechenden Kanals erzeugt wurden, die typische Werte von Phasen- und Lautstärkedifferenzen hatten. Wenn außerdem die Onginalklangbilder, die in den Richtungen 1 bis 5 in Fig.5a lokalisiert sind, in die neuen Klangbilder umgewandelt werden, die in die Richtungen 1' bis 5' gemäß F i g. 5b lokalisiert sind, und zwar mit Hilfe der in F i g. 4 dargestellten Einrichtung, dann stehen die Eingangstonsignale L und K zu den Ausgangstonsignalen L'und R'm einer Beziehung, die durch die folgenden Gleichungen 3 und 4 gegeben ist:
Ä'=l,4ert**-L+Ä
Diese Gleichungen werden dadurch erhalten, daß für die Koeffizienten A(O und flffl der Gleichungen 1 und die Werte 1.4 und O.&r eingesetzt werden, die der Kurve für 900Hz in Fig.7 auf emem Kreuzungspunkt
entnommen werden können, der einer lokalisierten Richtung von 90° der natürlichen Schallquelle entspricht.
Es wird angenommen, daß die ursprünglichen Klangbilder an den Stellen 1,2 und 3 in Fig. 5a wahrgenommen wurden. Für diese Stellungen sind der Reihe nach Z, 1 = 1, Λ 1 = 0, £. 2 = 1, Λ 2 = 0,3, Z, 3 = 1, /? 3 = 1. Die Beziehungen zwischen den jeweiligen Tonsignalen L, R, L'und R'und den Lautstärken- bzw. Phasendifferenzen Δρ und Δψ der Schalldrücke an den Ohren des Zuhörers 8 ergeben sich in der Art, wie sie in der folgenden Tabelle 2 angegeben sind.
Tabelle 2 L R L' R' Δρ Δψ
Klangbild 1.0
1,0
1,0
0
0,3
1,0
1,0
(1+0,42e>°°-T)
1,0
(1,4 ei 0^+ 0,3)
1,0
-4,5 dB
-1OdB
0
+0,4λ-
-0,8λτ
0
1
2
3
j| Als Ergebnis dieses Kombinierens der Werte der Lautstärkedifferenz Δρ und und der Phasendifferenz Δψ aus
|| Tabelle 2 sind die ursprünglichen Klangbilder 1,2 und 3 aus der F i g. 5a nunmehr in Richtungen angeordnet von
I 90° nach links, 45° links und 0°. Sie befinden sich nun als neue Klangbilder 1', 2' und 3' gemäß F i g. 5b in den dort gezeigten Richtungen. Gleichermaßen sind die ursprünglichen Klangbilder 4 und 5, die symmetrisch zu den
;i ursprünglichen Klangbildern 1 und 2 in der F i g. 5a angeordnet sind, umgesetzt in die Klangbilder 4' und 5'
(i< symmetrisch zu den neuen Klangbildern 2' und Γ in F i g. 5b.
p: Als nächstes wird eine praktische Ausführungsform der Klangbildaufweitungseinrichiung anhand der F i g. 8
|3 beschrieben. In dieser F i g. 8 werden eingangs Tonsignale für den linken und den rechten Kanal über Pufferver-
f| stärker 105,106 an zugeordnete Tonsignallokalisierabschniue gegeben, die in gleicher Weise aufgebaut sind, wie
J dies bereits in F i g. 6 dargestellt ist. Die Tonsignale werden in mehrere Komponenten, die aneinandergrenzende
H Frequenzbänder darstellen, mit Hilfe von Tiefpaß-, Bandpaß- und Hochpaßfiltern 107a—/und iO8a—/aufge-
(Jf teilt. Die Hochpaßfilter 107/und 108/können auch als eine Art Bandpaßfilter angesehen werden. Die Filter
jt! 107a—/und 108a—/lassen jeweils Tonsignalkomponenten folgender Frequenzbänder passieren: 0—500Hz,
£ 500-800 Hz, 800 Hz bis 1 kHz, 1-1,25 kHz, 1,25-1,78 kHz und über 1,78 kHz. Innerhalb dieser Frequenzbän-
§ der sind als typische Frequenzwerte ausgewählt 500 Hz, 700 Hz, 900 Hz, 1100 Hz, 1500 Hz. Die Tonsignalkom-
& ponenten des Bandes höchster Frequenz haben keinen Einfluß auf die Ortszuweisung der Klangbilder, so daß
diese höchsten Frequenzkomponenten einfach in die Ausgangstonsignale der Tonsignailokalisierabschnitte . eingemischt werden.
i_ Die vorstehend genannten Tonsignalkomponenten werden nach Phase und Lautstärke durch Phasenschieber
109a—109e, 110a— 11Oe und Dämpfungsglieder lila—Ute und 112a—112e angepaßt, und zwar in derselben I, Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6, um damit Klangbilder aus der Summe der Tonsignale
*if genau links und rechts vom Zuhörer zu lokalisieren, die in den Richtungen des ursprünglich erzeugten Klangbil-
fS des lokalisiert sein sollten, in dem die Seitenlautsprecher angeordnet sind.
!. Die in der genannten Weise eingestellten Tonsignalkomponenten werden durch Mischverstärker 113a—1136
j und 114a— 114/? gemischt, wodurch für die einzelnen Kanäle gemischte Ausgangstonsigriale Su, S2l und S\R, S2R
τ gebildet werden, die darin Klangbildschiebern 115 und 116 zugeleitet werden.
Ji1. Für den Fall, daß die gemischten Kanalausgangstonsignale Si/., Sir, Sil und S2R, die von den Tonsignallokali-
Ü sierabschnitten erzeugt verden, unmittelbar auf die entsprechenden Seitenlautsprecher gegeben werden, hat
Ü das damit erzeugte Klangbild den am weitesten aufgeweiteten Bereich, d. h., es umfaßt einen Winkel von 180°. In
Ά der Praxis ist es jedoch oft nötig, die so gebildeten Klangbilder zu verschieben oder ein erzeugtes Klangbild
!p einzuengen. Deshalb werden die gemischten Kanalausgangstonsignale durch die Klangbildschieber 115 und 116
jj behandelt und danach durch Klangbildeinstelleinrichtungen 121 und 122, die im einzelnen noch beschrieben
i| werden, um auf diese Weise die erzeugten Klangbilder insgesamt zu verschieben und um das gesamte, am
|C weitesten aufgeweitete Klangbild einzuengen. F i g. 9 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Klangbild-
:ft Schiebers. Darin werden die gemischten Kanalausgangstonsignale Si und S2 Dämpfungsgliedern 127 und 128
i zugeführt Anschließend kommen die gedämpften Ausgangstonsignale auf den linksseitigen bzw. rechtsseitigen
! Lautsprecher Lfund Rf-
II Um Klangbilder exakt zu verschieben oder ein Klangbild exakt einzuengen, muß das Tonsignal in einzelne Komponenten von ausgewählten Frequenzbändern unterteilt werden. Auch müssen die Lautstärken und Phasen der einzelnen Komponenten abgestimmt und diese abgestimmten Signalkomponenten dann gemischt werden, wie dies bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 erläutert wurde. Zur Vereinfachung werden nur die Lautstärken der gemischten Kanalausgangstonsignale insgesamt durch Dämpfungsglieder abgestimmt, wenn ein erzeugtes Klangbild verschoben oder ein erzeugtes Klangbild zusätzlich eingeengt werden soll. Soll deshalb gemäß F i g. 9 ein erzeugtes Klangbild in eine Richtung von 60° verschoben werden, das in der Richtung von 90° durch Einstellung der Koeffizienten A(f) und ß(f) aus den Gleichungen 1 und 2 entsprechend 1,4 und Ofrv lokalisiert war, d. h. durch Einstellen der entsprechenden gemischten Kanalausgangstonsignale gemäß
S2 (3')
Ä'= 1,4 Si'0^-Si+S2 (4')
dann wird der Phasenkoeffizient θ(1) beibehalten, d. h. mit 0,6λγ, und der Lautstärkekoeffizient A(f) wird verän-
dert auf den Wert 0,7 mit Beaug auf F i g. 7, indem die Dämpfungsglieder 127 und 128 entsprechend eingestellt werden. In einem anderen Fall, in dem das genannte erzeugte Klangbild in eine Richtung von 30° verschoben werden soll, genügi es, ein Ausgangstonsignal nur dem rechtsseitigen Lautsprecher Rf zuzuführen, so daß die Dämpfungswerte der Dämprungsglieder 127 und 128 auf 0 bzw. unendlich einzustellen sind. Bei Verschiebung
des genannten erzeugten Klangbildes genau vorn vor den Zuhörer 8, d. h. in Richtung von 0°, sind beide Dämpfungsglieder 127 und 128 gleich einzustellen. Die Schalter 125 und 126 in Fig.9 können entsprechend eingestellt werden für die gewünschten Richtungen, in die das erzeugte Klangbild verschoben werden soll.
Fig. 10 zeigt die jeweiligen Lautstärkepegel der gemischten Kanalausgangstonsignale U und R', die den Seitenlautsprechern Lf und Rf zugeführt werden, wobei die Signale durch Dämpfen der Kanaleingangstonsigna-
Ie Si und S2 erhalten werden abhängig von der Richtung, in die das erzeugte Klangbild verschoben werden soll.
Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Klangbildeinstellvorrichtung 121 und 122 von Fig.S. In der Fig. 11a werden die gemischten Kanalausgangstonsignale, die von den Tonsignal-Lokalisierabschnitten in Fig.8 kommen, auf Dämpfungsglieder 129, 130, 131 und 132 gegeben. Sie kommen dann als entsprechend gedämpfte Kanalausgangstonsignale U und R' heraus, womit ein eingeengter Bereich des erzeugten Klangbil-
des erhalten wird, das in der Fig. 11b durch die eingeschlossenen Winkel ß\ +ßi=ßgezeigt ist Dies erfolgt durch entsprechende Einstellung der Dämpfungsglieder 129—132.
In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 8 sind die Tonsignal-Komponenten nach Lautstärken und Phasen im Hinblick auf die charakteristischen Kurven bei den typischen Frequenzen 500 Hz, 700 Hz, 900 Hz und 1100 Hz aus F i g. 7 in einer Weise angepaßt, wie es aus der folgenden Tabelle 3 entnommen werden kann. In der Tabelle 3 werden die Lautstärke- und Phasendifierenzen der Kanalausgangstonsignale der typischen Frequenzen 1,5 kHz durch Extrapolieren der Werte anderer typischer Frequenzen erhalten. Die Kurvencharakteristik für 1,5 kHz ist bei einer Darstellungsform gemäß F i g. 2 sehr kompliziert
Tabelle 3
" '
Filter Frequenzband Typische Frequenz f Lautstärkedifferenz X Phasendifferenz β
60
65
a 0-500Hz 500Hz 0,5 0,9*
b 500-800 Hz 700Hz 0.7 0.8ΛΓ
C 80OHz-IkHz 900Hz 1.4 0,6λ·
d !-1,15 kHz 1,1 kHz 1,6 0,4λγ
e 1,25-1,78 kHz 1,5 kHz 1.8 03λτ
f > 1,78 kHz 0 0
b 500-800Hz 700Hz 0.7 0,8λγ
«^ ^ Jh « W λ * » ■ «« β« J^ VV ΛΑ ^^ ^
30
Durch die Tonsignal-Lokalisierungsmethode kann, wie bereits zuvor erwähnt, ein Klangbild nicht über die Linie hinaus verschoben werden, die durch die beiden Ohren des Zuhörers verläuft, weil das erzeugte Klangbild seine Lokalisierung bezüglich Phasen- und Lautstärkedifferenzen der Schalldrücke an den Ohren des Zuhörers erhält ^
Um die Einrichtung zur Aufweitung des stereophonen Klangbildes auf ein Vierkanal-Stereoklangbild anwen- '
den zu können, ist ein Paar Klangbildaufweitungseinrichtungen nach F i g. 6 erforderlich, und zwar jeweils eines
rür d:e Vorderseite und eines für die Rückseite mit je zwei Kanalstereotonsignalquellen, wie aus Fig. 12 * ersichtlich ist Die Einstellung erfolgt in ähnlicher Weise, wie bei F i g. 6 beschrieben wurde, um ein allseitig den Zuhörer 208 umgebendes Stereoklangbild zu erzeugen. Außerdem ist es möglich, die gemischten Kanalaus- « gangstonsignale aus der Klangbildaufweitungseinrichtung nach den Fi g. 6 und 12 in gewöhnlichen Stereoauf- «·
Zeichnungsgeräten zu speichern, wie etwa in einem gewöhnlichen Stereobandgerät oder in einer Stereoschall- t platte. Diese aufgezeichneten Signale können dann abgespielt und auf einfache Weise verstärkt den entspre- ,
chenden Lautsprechern zugeführt werden, so daß dann ein aufgeweitetes Stereoklangbild erzeugt wird, ohne >'' ι daß dazu zusätzlich noch die Klangbildaufweitungseinrichtung benötigt wird. *"
Hierzu 11 Blatt Zeichnungen 'J
55

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Einrichtung zur Aufweitung eines stereophonen Klangbildes gegenüber dem Originalklangbild mit Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen, deren Ausgangssignale Mischeinrichtungen für die linke und rechte Seite zugeführt werden, welche ausgangsseitige Tonsignale des linken und rechten Kanals für jeweils zugeordnete, schräg vor dem Zuhörer angebrachte Lautsprecher erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen (2; 3) für die Unke und rechte Seite aus mehreren Tief- (10) und Bandpaßfiltern (9), die bestimmte Komponenten des Tonsignals des jeweiligen Kanals passieren lassen, welche innerhalb aufeinanderfolgender Frequenzbänder liegen, aus mehreren Phasenschiebern (11) zur Phaseneinstellung der einzelnen, von den Filtern (9; 10) abgeleiteten Komponenten und aus mehreren Dämpfungsgliedern (12) zur Pegeleinstellung der einzelnen, von den Filtern (9; 10) abgeleiteten Komponenten bestehen, um so lokalisierte Tonsignale für den jeweiligen Kanal zu bilden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen (2; 3) jeweils das der seitengleichen Mischeinrichtung (4 bzw. 5) zugeführte Signal (L 2 bzw. R 3) im wesentlichen unverändert (L bzw. R) lassen, wogegen das der anderen Mischeinrichtung (5 bzw. 4) zugeführte Signal (R 2 bzw. L 3) in den Phasenschiebern (11) und dem Dämpfungsgliedern (12) der jeweiligen Tonsignal-Lokalisiereinrichtung (2 bzw. 3) entsprechend dem gewünschten Aufweitungswinkel verändert wird.
3 Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils das seitengleiche unveränderte Signal (L 2 bzw. R 3) und das nicht seitengleiche veränderte Signal R 2 bzw. L 3) einer ersten und zweiten, jeweils eine Vielzahl von Eingängen aufweisenden Mischstufe (13, 13) entnommen werden und daß die Eingänge der ersten und zweiten Mischstufe (13, 13) der zugehörigen Tonsignal-Lokalisiereinrichtung (2 bzw. 3) über die Dämpfungsglieder (12) mit je einem ersten und je einem zweiten Ausgang sämtlicher Phasenschieber (U) der zugehörigen Tonsignal-Lokalisiereinrichtung (2 oder 3) verbunden sind.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (L'bxw. R')der linken bzw. rechten Mischeinrichtung (4 bzw. 5) aus der Summe des jeweils unveränderten seitengleichen Eingangstonsignals L bzw. R und des pegelmäßig und phasenmäßig veränderten Tonsignals R ■ A(f) ■ eW bzw. L · A(f) · eW besteht, wobei L und R die Eingangstonsignale des linken und rechten Kanals, A(f) frequenzabhängige Dämpfungskoeffizienten, eingestellt durch die Dämpfungsglieder (12), und eW frequenzabhängige Phasenverschiebungskoeffizienten, eingestellt durch die Phasenschieber (12), bedeuten.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der frequenzmäßig aneinandergrenzenden Filter (9 und 10) der beiden Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen (2,3) mit einem Phasenschieber (11) verbunden ist
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (9,10), die Phasenschieber (11), die Dämpfungsglieder (12) und die Mischstufen (13) der Tonsignal-Lokalisiereinrichtung (2 bzw. 3) dss linken und rechten Kanals so gewählt sind, daß die Tonsignalkomponenten für aufeinanderfolgende Frequenzbänder von /kleiner 500 Hz, 500 Hz bis 800 Hz, 800 Hz bis 1 kHz, 1 kHz bis 1,25 kHz, 1,25 kHz bis 1,78 kHz und größer als 1,78 kHz zugehörige, durch die Dämpfungsglieder (12, llta-llle, 112a— \\2e) eingestellte Pegeldifferenzwerte X von 0,5; 0,7; 1,4; 1,6; 1,8 und 0 sowie zugehörige, durch die Mischstufen (13,109a— 109e, 110a— 1 XQe) eingestellte Phasendifferenzwerte θ von 0,9 π, 0,8 π, 0,6 sr, 0,4 π, 03 λτ und 0 aufweisen, die einem Aufweitungswinkel {ß) zwischen linkem und rechtem Klangbild von 180° entsprechen.
7. Einrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß die Tonausgangssignale (Li, R \ und L2, R 2) der beiden Mischstufen (13) der Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen (2 und 3) individuell einstellbar sind durch im Signalübertragungsweg angeordnete einstellbare Dämpfungsglieder (129,130,131,132), wodurch der Auf weitungswinkel (ß) des linken und rechten Klangbildes veränderbar ist
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Zwei-Kanal-Stereosignalquellen (202F1202Zty von Tonsignal-Lokalisiereinrichtungen 203F, 204Fund 203Ä, 204/?,) und von Mischern (205F, 206F und 205Ä, 2O6R) vorgesehen ist von denen die eine Paarhälfte zwei frontseitig vor dem Zuhörer angeordneten Lautsprechern (Lf, Rf) und die andere Paarhälfte zwei rückseitig hinter dem Zuhörer angeordneten Lautsprechern Lr, Rr) zugeordnet sind.
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