DE2719276C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Nachhallgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Nachhallgeräte werden insbesondere bei Rundfunk- oder Schallplattenaufnahmen benötigt, um durch die Zumischung dieses künstlichen Nachhalls einen bestimmten Raumeindruck hervorrufen zu können. Als Nachhallerzeuger können beispielsweise auch große Stahlblechplatten oder Goldfolien verwendet werden, welche elektro-akustisch zu Biegeschwingungen erregt werden. Darüber hinaus können zu diesem Zweck ebenfalls Drahtspiralen oder Tonbandschleifen eingesetzt werden, mit denen jedoch wegen der begrenzten Anzahl von Signalreflexionen lediglich echoartige Effekte erzielt werden können. Darüber hinaus besitzen derartige Nachhallerzeuger eine hohe Tritt-, Luft- und Körperschallempfindlichkeit, wobei zusätzlich die mechanischen Abmessungen relativ groß sind, wodurch gleichzeitig die Einstellbarkeit der gewünschten technischen Werte unbefriedignd erscheint.

Es ist daher verschiedentlich versucht worden, Nachhallgeräte auf rein elektronischer Basis zu verwirklichen. So wird von M. R. Schroeder und B. F. Logan im Journal of the AES, Juli 1961 Band 9 Nr. 3 in einem Aufsatz "Colorless, Artifical Reverberation" eine mathematische Ableitung für die Allpässe auf rein elektronischer Basis geliefert, bei welcher von speziell gekoppelten Verzögerungsschleifen mit Allpaß-Charakter ausgegangen wird. In einer späteren Veröffentlichung im Journal of the AES, Juli 1962 Band 10 Nr. 3 unter dem Titel "Natural Sounding Artifical Reverberation" schlägt M. R. Schroeder ferner eine Kombination von Verzögerungszweigen mit langer Verzögerungszeit und kurzer Verzögerungszeit vor, wobei letzterer eine Allpaß-Charakteristik aufweist, um auf diese Weise eine hohe Dichte der Wiederholungen bei langer Nachhallzeit zu erzielen.

In einem Aufsatz von H. Kuttruff "Künstlicher Nachhall" der Zeitschrift "Frequenz", Band 16/1962 Nr. 3, insbesondere Seite 94, wird ferner vorgeschlagen, zur Erzielung eines kontinuierlichen Abklingens des Nachhalls die vorgesehenen Verzögerungszweige zusätzlich mit Anzapfungen zu versehen. Obgleich in diesem Aufsatz ausgeführt ist, daß der so erzeugte Nachhall frei von allen Klangfärbungen ist und ein Flattern selbst bei sehr kurzen impulsartigen Eingangssignalen nicht mehr feststellbar sei, so hat sich jedoch trotzdem in der Folge herausgestellt, daß in der Praxis ungewünschte Klangfärbungen und Flattern, - d. h. eine ungenügende Kontinuität beim Ausklingvorgang - zu beobachten ist, was bei der zuvor vorgenommene Computersimulation und einer Begrenzung der Signalfolge auf etwa 20 Sekunden Länge nicht wahrgenommen werden konnte.

Aufgrund der DE-OS 25 17 152 ist es zur Erzeugung eines verhallten Signals bereits bekannt, ein aus einem Analogsignal gewonnenes Digitalsignal nach unterschiedlicher Verzögerung durch Schieberegister und Zusammenfassung der unterschiedlich verzögerten Teilsignale erneut in ein Ausgangssignal umzuwandeln.

Wenn man ein elektronisches Nachhallgerät der eingangs genannten Art unter Anwendung von Digitalrechnern mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit simuliert, so ergeben sich folgende Nachteile:

• a) Die Klangwiederholungen bzw. Wiederholzeiten der Verzögerungszweige mit langer Verzögerungszeit werden hörbar, weil bei ungleichförmigen Signalen eine hervortretende Wiederholung im Takt der Verzögerungszeiten auftritt.
• b) Das Abklingen des Nachhalls ist diskontinuierlich, weil die unterschiedlichen Energieinhalte der langen Verzögerungszweige eine treppenförmig abfallende Nachhallkurve ergeben und ein der Natur entsprechendes Abfallen nach einer e-Funktion nicht erzielt wird.
• c) Durch das Vorsehen von Kammfiltern tritt eine Klangverfärbung auf, weil die auftretenden Verzögerungszeiten relativ kurz bemessen sind.
• d) Die Impulsübertragung erweist sich als mangelhaft, weil zu Beginn eines Nachhallvorganges die Wirkung der Allpaß-Verzögerungszweige noch nicht eingesetzt hat und die Dichte der Klangwiederholungen gering ist und
• e) bei sinustonähnlicher Erregung, beispielsweise im Fall einer Flöte führen die in den Verzögerungszweigen übertragenen Signale zu störend wirkenden Schwebungen, wobei dieser Effekt vor allem bei langen Nachhallzeiten auftritt.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Nachhallgerät zur Erzeugung von künstlichem Nachhall auf rein elektronischer Basis zu schaffen, bei welchem bei einer ausreichend hohen Dichte der auftretenden Klangwiederholungen während des Ausklingvorgangs eine zufriedenstellende Kontinuität erzielt wird, wobei Klangverfärbungen und störend wirkende Schwebungen vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird dies durch Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche 2 bis 10.

Durch Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsdigitalrechners, dessen Arbeitsgeschwindigkeit pro Befehl 100 ns oder weniger beträgt, läßt sich künstlicher Nachhall mit höchsten Qualitätsanforderungen hinsichtlich eines stetig-logarithmischen Abklingens und hoher Dichte der Signalreflexionen erzielen, wobei eine Einstellbarkeit der Nachhallwerte in weiten Grenzen möglich ist. Das betreffende Nachhallgerät arbeitet dabei in "real-time" Betrieb.

Die um eine raumcharakteristische Zeit verzögerte erste Signalreflexion, welche bei vorhandenen Räumen aus dem natürlichen Nachhallverlauf bekannt ist, kann dabei digital ohne die sonst übliche äußere Verzögerungskette mit Hilfe des Digitalrechners gebildet werden, wobei die gewünschte Zeitverzögerung elektronisch einstellbar ist. Dabei können bestimmte Hallcharakteristika gewählt werden, welche sich aus den vielfältig wandelbaren Parametern des über den Übertragungsbereich frequenzabhängigen Verlaufes von Nachhallzeit bestimmen lassen. Darüber hinaus kann ohne ins Gewicht fallenden Mehraufwand mehr als ein inkohärentes Ausgangssignal zur Speisung von Mono-, Stereo- und Quadrosystemen gebildet werden.

Zur weiteren Verbesserung des Impulsanschwingverhaltens und der fehlenden Dichte der zu Beginn eines Nachhallvorganges auftretenden Klangwiederholungen kann die Kombination der am Ausgang einer Verzögerungsschaltung vorhandenen unverhallten, aber verzögerten Signale in Abhängigkeit der Nachhallzeit energiemäßig nach einer e-Funktion bedämpft sein.

Da das menschliche Ohr bei verschiedenen Frequenzen eine zeitliche Folge von Eigentönen als größere Eigentondichte erfaßt, kann eine zu geringe effektive Eigentondichte durch eine zufallsgesteuerte Längenvariation der Verzögerungszeit entsprechend kompensiert werden. Hierdurch ergeben sich eine Vielzahl von Signaladditionen mit unbestimmbarer Phase, wie dies auch beim natürlichen Nachhall der Fall ist. Mit Hilfe dieser Maßnahme kann ebenfalls eine weitere Unterdrückung von störenden Schwebungen erreicht werden.

Eine Frequenzbeeinflussung des Nachhallverlaufs kann dadurch erzielt werden, daß die Rückkopplungsfaktoren der Verzögerungszweige mit langer Verzögerungszeit frequenzabhängig ausgebildet sind.

Der zur Realisierung der Erfindung eingesetzte Digitalrechner besitzt eine Arbeitsgeschwindigkeit pro Instruktion von 100 ns oder weniger. Die Ansteuerung des Digitalprozessors erfolgt dabei mit Hilfe eines A/D-Wandlers, welcher eine Auflösung von mindestens 10 Bit besitzt. Bei der Analog-Digitalumwandlung kann zur Erhöhung des Dynamikbereichs eine sprungweise Erweiterung des Amplitudenrasters der Quantisierung vorgesehen werden, so wie dies aus der DE-AS 21 55 868 bekannt ist. Dabei kann es sich um eine dreifache schwellenwertgesteuerte Verstärkungsumschaltung handeln.

Von der digital-aufbereiteten Gesamtinformation werden Teile abgezweigt, in ihrer Höhe bzw. Wertigkeit verringert und in einer Verzögerungskette eingespeichert. Die gespeicherten Teilinformationen werden dann nach bestimmten Zeitspannen aus der Verzögerungskette abberufen und dem zum jeweiligen Zeitpunkt eintreffenden Eingangssignal zugesetzt. Die derart gebildete Digital-Information wird dann einem Digital- Analogwandler zugeführt und zu dem gewünschten Ausgangssignal aufbereitet.

Die Erfindung soll nunmehr anhand der beiliegenden Figuren noch näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines elektronischen Nachhallgerätes gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Verzögerungszweiges mit langer Verzögerungszeit, welche einen Teil des Nachhallgerätes von Fig. 1 bildet,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer abgewandelten Ausführungsform eines Teils des Verzögerungszweiges von Fig. 2, welche eine zufallsgesteuerte Längenvariation der Verzögerungszeiten erlaubt und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer abgewandelten Ausführungsform des Nachhallgerätes von Fig. 1, welches eine zufallsgesteuerte Mischung der Ausgangssignale der einzelnen Verzögerungszweige erlaubt.

Gemäß Fig. 1 weist das erfindungsgemäße Nachhallgerät einen Eingangsverzögerer 1 auf, dessen Verzögerungszeit t₁ durch eine bestimmte Stellung eines auf der Frontplatte des Nachhallgerätes befindlichen Schalters einstellbar ist. Ferner ist ein Nachhallgenerator 2 vorgesehen, welcher aus verschiedenen Verzögerungseinheiten t₂ . . . t₁₆ mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten aufgebaut ist. Diese Verzögerungseinheiten t₂ . . . t₁₆ sind mit Rückkopplungszweigen versehen, deren Rückkopplungsfaktoren mit Hilfe von auf der Frontplatte des Nachhallgerätes befindlichen Schaltern eingestellt werden können. Der Eingangsverzögerer 1 und der Nachhallgenerator 2 sind ausgangsseitig mit einem Ausgangsverteiler 3 verbunden, welcher aus Verzögerungseinheiten t₁₇ . . . t₁₉ aufgebaut ist. Der Nachhallgenerator 2 ist fernerhin eingangsseitig am Ausgang des Eingangsverzögerers 1 angeschlossen.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild von einer der Verzögerungseinheiten t₂ . . . t₁₆ mit langer Verzögerungszeit des Nachhallgerätes von Fig. 1. Diese Verzögerungseinheit weist dabei eine Verzögerungsschaltung 4 mit mehreren Anzapfpunkten A₂ . . . A _n auf. Die Anordnung dieser Anzapfpunkte A₂ . . . A _n ist dabei derart getroffen, daß die Summen, Differenzen und Quotienten der zeitlichen Verzögerungen der auf diese Weise gebildeten Signale zueinander in einem nicht geradzahligen Verhältnis stehen. Eine bevorzugte Lösung ergibt sich durch den Einsatz der Beziehung

wobei n die Nummer des jeweiligen Anzapfpunktes und k die Gesamtverzögerungszeit sind. Die an den Anzapfpunkten A₂ . . . A _n abgenommenen Signale werden dann amplitudenmäßig durch entsprechende Dämpfungsglieder g₂ . . . g _n in der Weise eingestellt, daß ihre Energieverteilung über der Verzögerungszeit einer e-Funktion entspricht. Die auf diese Weise energiemäßig entsprechend einer e-Funktion gedämpften Signale werden dann über entsprechende Summenpunkte 5 und 6 mit dem unverhallten Signal zusammengefaßt, welches in geeigneter Weise verzögert und wiederholt wird. Das auf diese Weise gebildete Mischsignal wird dann dem Ausgang 7 der jeweiligen Verzögerungseinheit zugeführt.

Gemäß Fig. 2 ist parallel zu der Verzögerungsschaltung 4 eine weitere Verzögerungsschaltung 8 mit drei Anzapfpunkten B₁ . . . B₃ vorgesehen, an welchen entsprechende Dämpfungsglieder h₁ . . . h₃ angeschlossen sind, die über einen gemeinsamen Summenpunkt 9 mit dem Ausgang 7 der jeweiligen Verzögerungseinheit verbunden sind. Auf diese Weise lassen sich das Impulseinschwingverhalten sowie die Klangwiederholungsdichte am Anfang eines Nachhallvorgangs verbessern.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Verzögerungsschaltung 4. Die normalen Ausgänge dieser Verzögerungsschaltung 4 sind in diesem Fall über weitere Dämpfungsglieder g _z1 , g _z1 ′ an den Summenpunkt 6 am Ausgang 7 der Verzögerungsschaltung 4 geführt, wobei diese Dämpfungsglieder g _z1 , g _z1 ′ von entsprechenden Zufallsgeneratoren Z₁, Z₁′ angesteuert werden. In gleicher Weise wie bei der Ausführungsform von Fig. 2 ist ferner eine zu dem Summenpunkt 10 am Eingang 11 der jeweiligen Verzögerungseinheit führende Rückkopplungsleitung vorgesehen, in welcher das Dämpfungsglied g₁ eingesetzt ist. Die Ausgänge der Dämpfungsglieder g _z1 , g _z1 ′ sind zudem mit dem Summenpunkt 6 am Ausgang 7 der Verzögerungseinheit verbunden. Mit Hilfe dieser Dämpfungsglieder g _z1 , g _z1 ′ kann eine zufallsgesteuerte Längenvariation der Verzögerungszeiten erreicht werden.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform sind die Ausgänge 6 der einzelnen Verzögerungseinheiten t₂ . . . t₁₆, von denen in den Fig. 2 und 3 jeweils einer dargestellt ist, über weitere Dämpfungsglieder g _z2 . . . g _z16 an einem ausgangsseitigen Summenpunkt 12 angeschlossen. Diese Dämpfungsglieder g _z2 . . . g _z16 werden von entsprechenden Zufallsgeneratoren Z₂ . . . Z₁₆ angesteuert, wodurch eine zufallsgesteuerte Mischung der einem gemeinsamen Ausgang 13 zugeführten Ausgangssignale der verschiedenen Verzögerungseinheiten erreicht werden kann.

Claims (10)

1. Elektronisches Nachhallgerät zur Erzeugung von künstlichem Nachhall auf rein elektronischer Basis, mit einer Mehrzahl von parallelen Verzögerungseinheiten (t₂ . . . t₁₆) mit entsprechenden Verzögerungsschaltungen (4), welche mit einer Mehrzahl von Anzapfpunkten (A₂ . . . A _n ) versehen sind, von denen Signale unterschiedlicher Zeitverzögerung einem gemeinsamen Summenpunkt (5, 6, 12) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzapfpunkte (A₂ . . . A _n ) der Verzögerungsschaltungen (4) derart gewählt sind, daß die Summen, Differenzen und Quotienten der sich ergebenden Verzögerungszeiten der Signale in einem nicht ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen, und daß die von den Anzapfpunkten (A₂ . . . A _n ) der Verzögerungsschaltungen (4) abgeleiteten Signale über Dämpfungsglieder (g₂ . . . g _n ) geführt sind, welche eine Amplitudenverteilung ergeben, bei der die mittlere Energieabnahme über der Zeit einer e-Funktion entspricht (Fig. 2).

2. Nachhallgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Ausgangsseite der einzelnen Verzögerungsschaltungen (4) zusätzlich weitere Dämpfungsglieder (g _z₁, g _z ₁′) vorgesehen sind, mit welchen eine verstellbare Längenvariation der auftretenden Verzögerungszeiten erzielbar ist (Fig. 3).

3. Nachhallgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der weiteren Dämpfungsglieder (g _z ₁, g _z ₁′) mit Hilfe von Zufallsgeneratoren (Z₁, Z₁′) erfolgt.

4. Nachhallgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Verzögerungsschaltungen (4) über mit Dämpfungsgliedern (g₁) versehene Rückkopplungsleitungen mit im Eingangskreis der Verzögerungsschaltungen (4) befindlichen Summenpunkten (10) verbunden sind.

5. Nachhallgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltungen (4) mehr als 300 m Sekunden beträgt.

6. Nachhallgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgängen der Signalverzögerungseinheiten (t₂ . . . t₁₆) weitere Dämpfungsglieder (g _z ₁ . . . g _z ₁₆) vorgesehen sind, welche von Zufallsgeneratoren (Z₂ . . . Z₁₆) ansteuerbar sind (Fig. 4).

7. Nachhallgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Anzapfpunkte (A₂ . . . A _n ) der Verzögerungsschaltungen (4) derart gewählt sind, daß bei einer Gesamtverzögerung (k) der betreffenden Verzögerungsschaltung (4) die an den Anzapfpunkten (A₂ . . . A _n ) auftretenden zeitlichen Verzögerungen (T _n ) der folgenden Bedingung genügen: wobei n der jeweiligen Nummer des Anzapfpunktes (A₂ . . . A _n ) entspricht.

8. Nachhallgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Verzögerungsschaltungen (4) der einzelnen Signalverzögerungszweige (t₂ . . . t₁₆) weitere Verzögerungsschaltungen (8) vorgesehen sind, welche vorzugsweise drei Anzapfpunkte (B₁, B₂, B₃) aufweisen, die über Dämpfungsglieder (h₁, h₂, h₃) mit dem ausgangsseitigen Summierpunkt (6) der jeweiligen Signalverzögerungseinheit (t₂ . . . t₁₆) verbunden sind (Fig. 2).

9. Nachhallgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus den einzelnen Signalverzögerungseinheiten (t₂ . . . t₁₆) bestehende Nachhallgenerator (2) von einem eine einstellbare Verzögerungszeit (t₁) aufweisenden Eingangsverzögerer (1) gespeist ist, und daß ausgangsseitig ein Ausgangsverteiler (3) vorgesehen ist, welcher aus einer Anzahl von weiteren Verzögerungseinheiten (t₁₇ . . . t₁₉) aufgebaut ist (Fig. 1).

10. Nachhallgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Realisierung mittels eines entsprechend programmierten Digitalrechners.