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Elektroakustisches Wiedergabesystem
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Beschreibung: Die Erfindung bezieht sich auf ein elektroakustisches
Wiedergabesystem für stereophone Schallübertragung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Die bekannte Stereoübertragung mit zwei Lautsprechern ermöglicht "Richtungshdren"
nur in einem sehr schmalen Bereich um die Mittelebene der Stereobasis. Erhalten
beide Lautsprecher dasselbe Signal mit gleichem Pegel, so lokalisiert nur der Hörer,
der sich innerhalb dieses schmalen Bereichs befindet, die virtuelle Schallquelle
exakt in der Richtung, die senkrecht zur Basis steht.
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Befindet sich der Hörplatz jedoch außerhalb dieses Bereichs, so hört
der Hörer die virtuelle Schallquelle aus einer Richtung, die zum näherstehenden
Lautsprecher in gedreht ist. Dies beruht auf zwei sich in ihrer Wirkung unterstützenden
Ursachen. So ist einerseits der Schallpegel, der vom häheren Lautsprecher kommt,
höher als der vom entfernteren Lautsprecher, und andererseits erreicht die Wellenfront
des näheren Lautsprechers den Zuhörr zuerst. Folglich lokalisiert der Hörer, wie
es da Gesetz der ersten Wellenfront beschreibt, verstärkt in Richtung des genannten
Lautsprechers.
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Da eine Lautsprecheranordnung, die stereophones Hören nur in einer
schmalen Zone des Raums ermöglicht, in der Praxis nicht zufriedenstellend ist, sind
schon erhebliche Anstrengungen unternommen worden, stereophones Hören in einer großflächigen
Zone vor den Lautsprechern zu ermöglichen. Derartige Bemühungen sind in der DE-AS
1 081 051 beschrieben. Bei diesen vorbekannten Versuchen sind für jeden Kanal eigene
Lautsprechersysteme oder Lausprechergruppen vorgesehen, um mittels geeigneter Richtwirkung
oder Reflexion an ohnehin vorhandenen oder eigens dafür aufgebauten Seitenwänden
die Stereowirkung zu erhöhen.
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Obgleich durch diese Maßnahmen eine Verbreiterung des Bereichs, in
dem stereophones Hören möglich ist, erreicht werden konnte, vermag ein derartiges
System noch nicht es voll zu befriedigen. Zudem bedarf/eines großen baulichen Aufwandes
und solche Systeme sind auch nur unzulänglich an unterschiedliche Einsatzerfordernisse
anpaßbar, etwa hinsichtlich unterschiedlicher Ausdehnung der Stereobasis.
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Bekannt ist auch, eine gerichtete Schallabstrahlung durch elekizisch
verzögerte Ab strahlung von Tonsignalen zu erzielen (DE-Patentschriften 733 972,
844 169, 973 305). Solche Vorschläge sind zum Beispiel bei Transversalwellenlautsprechern
oder Biegewellenlautsprechern ausgeführt worden (DE-Offenlegungsschriften 2 260
741 und 2 112 560 sowie DE-PS 1 132 593
die in einem etwa dreieckförmigen
Hörplatzbereich einen stereophonen Mitteneindruck wiedergeben können. Allerdings
sind diese Systeme mit dem entscheidenden Nachteil behaftet, daß die Richtcharakteristik
der STrahlerplatten festliegt und somit nicht den Erfordernissen einer unterschiedlichen
Ausdehnung der Stereobasis angepaßt werden kann. Unvermeidbar ist somit eine Amplitudenabnahme
der Signale in Ausbreitungsrichtung, die darüber hinaus nicht einstellbar und auch
frequenzabhängig ist. Es konnte daher keines dieser Systeme zu einer zufriedenstellenden
Praxisreife entwickelt werden.
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Demgegenüber soll durch die Erfindung ein eltroakustisches Wiedergabesystem
geschaffen werden, bei dem, ausgehend von den üblichen beiden Stereosignalanteilen
Links und rechts, die Stereohörzone unter Beibehaltung hoher Klangqualit&t wesentlich
erweitert ist, so daß in einem sehr großflächigen Bereich vor der Lautsprecherbasis
stereophones Hören möglich wird und mithin von jedem Hörplatz aus Ir einer sehr
weiten Zone vor dem Lautsprechersystem d » virtuellen Quellen richtig lokalisierbar
sind, wobei den ursprünglichen Tonsignalen keine Hallanteile zugefügt werden oder
auffällige Klangverfärbungen auftretennsollen; die Wiedergabe soll mithin möglichst
naturgetreu sein.
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gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des
Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst, indem bei einem Wiedergabe system
nach dem Oberbegriff dieses Anspruchs ein Elektronikteil vorgesehen ist, der die
Lautsprecher der Lautsprecherketten mit individuell eingestellten Parametern, wie
Verzögerung, Pegel und/oder Frequenzgang, der Tonsignalanteile ansteuert. Es handelt
sich bei der Erfindung mithin darum, daß mehrere Lautsprecher mit unterschiedlichen
Verzögerungen, Amplituden und/oder Frequenzgängen der Signale so angesteuert werden
können, daß sich ein Schallfeld ergibt, bei dem sich die Betätigung des üblichen
Stereobalanceeinstellers praktisch erübrigt, wenn ein Hörplatzwechsel vorgenommen
wird, 50 daß nebeneinandersitzenden oder räumlich verteilten Hörern gleichzeitig
eine wesentlich größere stereophone Richtungsauflösung geboten werden kann, als
das bisher bei üblichen Anlagen auf Plätzen außerhalb der Stereomitte möglich war.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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durch So ist/das im Patent-anspruch 2 gekennzeichnete Wiedergabesystem
eine besonders vorteilhafte Anpaßbarkeit an die jeweiligen Erfordernisse der Einsatzbedingungen
bei hohem Bedienungskomfort verwirklicht, indem wenigstens einer
der
Parameter (Verzögerung, Pegel und/oder Frequenzgang) bei zumindestens einem Lautsprecher
einer Lautsprecherkette individuell einstellbar ist. Besonderheiten dieser Einstellbarkeit
sind in den Ansprüchen 3 bis 5 angegeben.
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Die Erfindung geht aus von der Oberlegung, daß die unbefriedigenden
Ergebnisse bei bisherigen Bemühungen um eine verbesserte stereophone Wiedergabe
von Tonsignalen im wesentlichen in der Tatsache begründet liegt, daß die bekannten
Systeme eine freie, voneinander unabhängige Wahl der Parameter Verzögerung (Spurwellengeschwindigkeit),
Pegelverlauf und Frequenzgang nicht erlauben. Die Dimensionierung der vorbekannten
Systeme führt nämlich zu einer starken Abhängigkeit dieser Parameter voneinander.
DerAberhinaus ist beispielsweise die Anwendung von StrahlerplaWten dadurch begrenzt,
daß bei sehr tiefen Frequenzen Dispersion infolge des Auftretens von Biegewellen
zu beobachten ist, was zu einer frequenzabhängigen Richtung der Abstrahlurt führt,
Das erfindungsgemäße Wiedergabesystem ist demgeenüber frei von diesen Nachteilen.
Es weist keine ungewollte Dispersion auf. Der Abstrahlwinkel kann nach Bedarf konstantgehalten
werden. Die Amplituden der Signale in Ausbreitungsrichtung
können
den Erfordernissen entsprechend abfallen, konstant oder auch ansteigend eingestellt
werden. Frequenzabhtngige Amplitudenveränderungen der Signale können vere mieden
oder den Erfordernissen entsprechend eingestellt werden, beispielsweise um die mit
steigender Frequenz schärfer werdende Bündelung von Lautsprechergruppen zu kompensieren.
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Kennzeichnend für das erfindungsgemäße System ist, daß durch geeignete
Wahl der Systemparaaeter, wie Anzahl und Verteilung der Lautsprecher, Verzögerung
und/oder Pegeleinstellung der einzelnen Lautsprechersignale eine Gesamtrichtwirkung
für den linken und für den rechten Stereokanal eingestellt wird, welcher eine durch
die Wahl des Hdrplatzes vorgegebenen Laufzeitdifferenz der Links-,Rechtssignale
eine solche Intensitätdifferenz am Hörplatz entgegensetzt, daß gemäß dem Summenlokalisationseffekt
z.B.
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ein Monosignal - unabhängig vom Hörplatz - stets frontal gehört wird.
Bewegt sich ein Hörer im Schallfeld einer üblichen Lautsprecheranlage aus der Mitte
beispielsweise nach links, so kommt am neuen Hörplatz das Linkssignal früher und
lauter an als das Rechtssignal. Bewegt spch bei dem erfindungsgemäßen System hingegen
ein Hörer im Schallfeld aus der Mitte beispielsweise nach links, so kommt am neuen
Hörplatz das Linkssignal zwar auch früher
an, aber das Rechtssignal
ist dort infolge der speziellen Richtwirkung des Systems lauter. Hinzu kommt noch
der Effekt, daß das Rechtssignal nicht so verspätet ankommt wie im Vergleichsfall.
Wählt man nämlich die Verzögerungen so, daß die Wanderungsgeschwindigkeit des Signals
längs der Lautsprecherkette (Spurgeschwindigkeit) de Luftschallgeschwindigkeit übersteigt,
was durch eine bevorzugte Einstellung der Verzögerungen erreicht wird, so ergibt
sich als besonderer Vorteil eine Verringerung der Absolutwerte der unerwünschten
Laufzeitdifferenzen, die an einem außermittigen Hörplatz zwischen den beiden Stereosignalen
entstehen. Im Vergleich zu einer konventionellen Anordnung mit zwei Boxen dürfen
somit die zur richtigen Summenlokalisation erforderlichen Pegeldifferenzen ebenfalls
geringer sein. Welche gegensinnigen Pegeldifferenzen etwa eri irderlich sind, um
den Laufzeitdifferenzen so entgegenzuwirken, da z.B. der stereophone Mitteneindruck
gewahrt bleibt, geht aus folgenden Beispielenhervor: 1 ms-3 dB; 3 ms - 6 dB; 6 ms
- 9 dB; 10 ms - 10dB Mit einem erfindungsgemäßen Wiedergabesystem ist es möglich
die genannten Laufzeitdifferenz-Pegeldifferer -Paarungen in einem Hörplatzbereich
von der Größe des Quadrats der Stereobasis im Schallfeld selbst zu generieren.
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Es sind zwar auch andere Anordnungen mit Richtstrahlern bekannt, die
für bestimmte, allerdings vergleichsweise eng begrenzte, Hörzonen oder Frequenzbereiche
erträgliche Laufzeitdifferenz-Pegeldifferenz-Paarungen aufweisen. So ermöglicht
z.B. ein Lautspxrecherpaar mit starker Bündelung, dessen Richtkeulen sich vor dem
Hörplatz kreuzen, in einem festgelegten Abstand von der Stereobasis auch auf seitlichen
Hörplätzen in der Nähe der Stereomitte stereophones Hören, nicht aber auf seitlichen
Plätzen in kleinerem oder größerem Abstand von der Basis.
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Nachstehend sollen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen einige
mögliche Ausführungsformen der Erfindung erläutert werden. In schematischen Ansichten
zeigen: Fig. 1 ein Wiedergabesystem mit längs einer gedachten (bevorzugt geraden)
Linie nebeneinander angeordneten Lautsprechern (hier Lautsprecherkette genannt)
sowie die Wellenabstrahlung von einer derartigen Lautsprecherkette bei reinem Rechts-Signal
und linear ansteigender Verzögerung, Fig. 2 alternativ zu Fig. 1 den Verlauf der
Wellenabstrahlung bei reinem Rechts-Signal und in einer vorbestimmten Richtung ansteigender
Spurgeschwindigkeit,
Fig. 3 ein gegenüber der Ausführungsform nach
Fig. 1 hinsichtlich des Bedienungskomforts verbessertes System, wobei jedem Lautsprecher
der Kette je ein Laufzeitsteller, ein Frequenzgangsteller und ein Amplitudensteller
zugeordnet sind, Fig. 4 eine zu Fig. 3 alternative Ausgestaltung mit in Reihe angeordneten
Laufzeitstellern der einzelnen Lautsprecher, Fig. 5 eine ebenfalls alternative Ausführungsform
mit einer Verzögerungs- und/oder Filtereinheit zur Erhöhung der Kanaltrennung und
Fig. 6 eine sinnbildliche Darstellung zur Verdeutlichung des mit der Ausführungsform
nach Fig. 5 erzielbaren Effektes.
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Das erfindungsgemäße Wiedergabe system für stereophone Teile Schallwiedergabe
macht sich @@@@@ der Theorie der Transversallautsprecher zunutze, jedoch ohne deren
Mängel. So ist bei der Ausführungsform nach Fig. 1 eine LautsprecL-kette aus in
an sich bekannter Weise aneinandergereien Lautsprechern 10, 11 ... 18 vorgesehen,
die längs einer gedachten (bevorzugt geraden) Linie angeordnet sind. Jeder dieser
Lautsprecher wird über je eine Verz6gerungaelektronik 20, 2i zugleich mit Tonsignalen
der beiden Kanäle 22, 23
gespeist, und zwar über je einen Addier-
und Leistungsverstärker 24. Jeder dieser Lautsprecher dient somit gleichzeitig zur
Abstrahlung beider Kanäle 22, 23. Mittels der an sich bekannten Verzdgerungalektronik
20, 21 wird eine trotz der Ab strahlung von derselben Kette unterschiedliche Richtwirkung
der Schallabstrahlung erreicht. Bevorzugt sind die Parameter so zu wählen, daß dabei
eine gegensinnige Symmetrie der beiden zu jedem Kanal zugehörigen Richtcharakteristiken
entsteht.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind die Verzögerungszeiten der
Tonsignale fest eingestellt. Die Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 4 sind hingegen
mit individuellen Einstellmöglichkeiten für jeden Lautsprecher ausgerüstet.
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Bei Fig. 3 ist jedem Lautsprecher 110, 111 ... 118 für den Rechts-Kanal
122 je ein Laufzeitsteller 130, 131 ... 137 zugeordnet, hingegen für den Links-Kanal
123 je ein Laufzeitsteller 140 bis 147. Der in der Figur links der Reihe angeordnete
Lautsprecher 110 besitzt keinen Laufzeitsteller für den Links-Kanal, desgleichen
der in der Reihe rechts befindliche Laufsprecher 118 keinen Laufzeitsteller für
den Rechts-Kanal 122. Ferner sind jedem Lautsprecher jeweils für den Links-Kanal
und den Rechts-Kanal je ein Frequenzgangsteller
150 und ein Amplitudensteller
151 zugeordnet.
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Im übrigen sind je Lautsprecher ein Summationsverstärker 124, ein
Pegelsteller 125 und ein Leistungsverstärker 126 vorgesehen. Schließlich ist das
in Fig. 3 veranschaulichte System auch noch mit hier nicht weiter interessierenden
Seitenlautsprechern 110g, 111' ausgerüstet, denen ebenfalls je ein Summationsverstärker,
ein Pegelsteller und ein Leistungsverstärker zugeordnet sind.
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Die Ausführungsform nach Fig. 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform
nach Fig. 3 insbesondere dadurch, daß die den einzelnen Lautsprechern 210, 211 ...
218 zugeordneten Laui geller 230, 231 ... 237 bzw. 240, 241 ... 247 nicht parallel
zueinander, sondern in Reihe geschaltet sind. Im übrigen unterscheidet sich diese
Ausführungsform vor der Ausführungsform nach Fig. 3 nicht, und für gleiche Telle
wie in Fig. 3 sind gleiche Bezugszeichen eingeführt, jedoch zur Unterscheidung um
Einhundert erhöht.
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Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen nach der " 3 und 4 sind
die Verzögerungszeiten der Tonsignale mithin individuell einstellbar zwischen den
Lautsprechern, nämlich so, daß das Tonsignal gemäß der Position des Einzellautsprechers
längs der Kette entweder von der Tonsignalquelle
ausgehend verzögert
ist (Ausführungsform nach Fig. 3), oder derart, daß die verzögerten Tonsignale von
Lautsprecher zu Lautsprecher weitergereicht und weiterverzögert sind (Ausführungsform
nach Fig. 4). Im Rahmen der Erfindung ist selbstverständlich auch eine Kombination
dieser beiden prinzipiellen Möglichkeiten verwirklichbar.
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Darüber hinaus kann bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen
der Pegel der Signalanteile individuell pro Kanal und Lautsprecher eingestellt werden,
der bei der vereinfachten Ausbildung der Erfindung nach Fig. 1 fest eingestellt
war.
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Ferner kann die Richtcharakteristik mit an sich bekannten elektronischen
Mitteln für verschiedene Frequenzbereiche des Tonsignals unterschiedlich eingestellt
werden, die ebenfalls bei der vereinfachten Ausführungsform nach Fig. 1 fest eingestellt
ist.
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Mit diesen Einstellparametern können auch bei nicht äquidistanter
Positionierung der Lautsprecher gchallfelder erzeugt werden, welche in sich selbst
die Eigenschaft aufweisen, stereophones Hören in einer sehr weiten Zone vor und
sogar seitlich einer Lautspriecherkette zu ermöglichen.
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Eine solche Lautsprecherkettenanordnung mit dem zugehörigen Elektronikteil,
der die jeweils individuelle Einstellungn Signalpegel, Frequenzgang und Verzögerung
der Tonsignale für jeden Lautsprecher beinhaltet sowie die gemeinsame Abstrahlung
beider Kanäle eines Stereosignals durch ein- und dieselbe Lautsprecherkette, und
zwar unter Nutzung der unterschiedlicher Richtwirkung für beide Kanäle, stellt ein
Wiedergabesystem für stereophone Signale dar, welches sich von bisher bekannten
Systemen grundlegend unterscheidet.
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Die vorstehend erläuterten Wiedergabesysteme nach den genannten Ausführungsformen
zeichnen sich durch folgende Vorteile aus: Sie ermöglichen auf Hörplätzen außerhalb
der Stereomitte bei bester Klangqualität eine erheblich verbesserte Richtungsauflösung
bei der Wiedergabeintensität;sstelooptloner und auch kopfbezogener Stereophonie
(im Vergleich zu der herkömmlichen Boxenanordnung). Die bedeutende Verbesserung
des stereophonen Hörbildes auf Seitenplätzen wurde in Vergleichsexperimenten durch
zahlreiche Versuchspersonen t stätigt. Die Güte der Mittenlokalisation übertrifft
rlexenige einer üblichen Boxenanordnung, bei der eine geringe Lokalisationsmöglichkeit
virtueller Schallquellen in der Mitte als erheblicher Wiedergabemangel allgeman
bekannt ist. Die Variabilität der Systemparameter (Anzahl und Position der
Lautsprecher,
Verzögerung, Pegeleinstellung) erlaubt eine sehr weitgehend Anpaßbarkeit des Systems
an die unterschiedlichen akustischen Gegebenheiten in Wiedergaberäumen.
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Mit Ausführungsformen nach der Erfindung durchgeführte Experimente
haben gezeigt, daß es genügt, den Mittelhochtonbereich laufzeitgesteuert wiederzugeben,
wobei der Tiefsttonbereich in einer speziellen Ausbildung der Erfindung von separaten
Baßstrahlern übernommen werden kann. Eine solche Anordnung zeichnet sich dadurch
aus, daß die Lautsprecher einer Lautsprecherkette in sehr kleiner Bauform ausführbar
und die Mittelhochtonstrahler vergleichsweise preiswert herstellbar sind, ferner,
daß die erforderlichen Leistungsverstärker mit kleiner Leistung projektiert werden
können, da bekanntlich der größte Leistungsanteil einer breitbandigen Lauts-precheranordnung
zur Ab strahlung tiefer Frequenzen benötigt wird. Durch die kleine Bauform der Mittel/Hochtonlautsprecher
sind diese demnach räumlich in einfacher Weise und mithin architektonisch vertretbar
in Räumen zu montieren.
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Es ist bekannt, daß man wiedergabeseitig Maßnahmen treffen kann, um
die subjektiv empfundene Breite der Stereobasis zu vergrößern. Solche Maßnahmen
bestehen zumeist darin, daß dem Signal eines Kanals, beispielsweise dem Rechts-Signal,
ein gegenphasiger Anteil (z.B. -Links) des anderen Kanals
zugefügt
wird, der außerdem noch verzögert und im Frequenzgang verändert sein kann. Die für
diesen Zweck entwickelten Anordnungen beziehen sich in aller Regel auf Wiedergabesysteme,
bei denen die beiden Stereo-Tonsignale getrennten Wiedergabesystemen zugeführt werden.
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Für Wiedergabzysteme nach der Erfindung eröffnen sich somit weitere
Möglichkeiten zur Verbesserung der Richtungsauflösung, indem eine zusätzliche Verzögerungs-
und/oder Filtereinheit im Elektronikteil zum Zwecke der Erhöhung der Kanaltrennung
bein Hörer vorgesehen wird. Ein derartiges Wiedergabesystem ist in Fig. 5 dargestellt.
Die hierfür an die Verzögerungs- und/oder Filtereinheit zu stellenden Anforderungen
können durch subjektive ftörversuche und objektive Messungen mittels Kunstkopf im
Experiment ermittelt werden.
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Bei der in Fig. 5 veranschaulichtn AusführungsfornXaerden die Lautsprecher
310 ... 315 von links über den Kanal 323 mit dem Signal 2L-R gespeist und von rechts
über den Yat 322 mit dem Signal 2R-L, ferner zugleich ausgehend -Jn er Mitte der
Kette mit einem verzögerten Summensignag LT + RT, daß derart verzögert sei, daß
es etwas später auf einem mittleren Hörplatz eintrifft, als die beiden anderen Signale.
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Auf diesem mittleren Hörplatz ergibt sich somit für den Hörer die
Signaladdition (2L - R) +(2R - L) = (2R + 2L), was eie
Mitteneindruck
vermittelt. Der Hörer erhält jedoch zusEtzlich die demgegenüber verzögerten Signalanteile
(RT+LT) aus der Mitte, was den Mitteneindruck verstärkt und die Lokalisation der
Mitte präziser gestaltet. Bei einer üblichen Boxenanordnung fehlt naturgemäß das
präzisierende Signal (RT + LT). Bei einem reinen Rechts-Signal erhält der Hörer
auf der Mittenposition zunächst die Signale (2R) + was infolge des höheren Pegels
von 2R die Richtung "rechts" bestimmt. Der verzögerte Anteil RT aus der Mitte verändert
diesen Eindruck Raum, da bekanntermaßen das Gesetz der ersten Wellenfront wirksam
ist. Befindet sich der Hörer auf einem Seitenplatz rechts der Mittelebene und es
soJ1 ein LinksxSignal wiedergegeben werden, so kommt (-L) zuerst, etwas verzögert
das Signal (+LT) und noch etwas später das Signal (2L). Letzteres tritt erstens
mit einem hohen Signalpegel auf und zweitens mit einem hohen Pegel im Schallfeld
infolge der bündelnden Richtwirkung der Lautsprecherkette, was zu dem Gesamtrichtungseindruck
"Links" führt. Im praktischen Experiment hat sich gezeigt, daß die Signale fUr gute
Richtungsauflösung> nicht wie hier zur vereinfachten Darstellung gewählt, (2R-L)
bzw. (2L-R) optimal sind, sondern (2R-kL) bzw. (2L-kR) mit kl und c(LT+RT) mit cZ2.
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Den Richtungseindruck vermittelt die schematische Darstellung nach
Fig. 6.
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In einer weiteren speziellen Ausbildung kennen Systeme nach der vorliegenden
Erfindung außer zur räumlichen Wiedergabe auch zur Erzeugung besonderer jubiektiver
Höreffekte eingesetzt werden. Verändert man während des Betriebes des Systems die
Verzögerungszeiten des Signals, was nach einer bestimmten Gesetzmäßigk.it selbsttätig
oder auch von Hand geschehen kann, so verändert sich naturgemäß das gesamte Vorbild.
Bei schnellen Xnderungen tritt dabei der bekannte Dopplereffekt auf, während bei
langsamen Xnderungen, bei denen der Dopplereffekt unhörbar bleibt, der Hörer subjektiv
ein kaum beschreibbares "Drehen" des Hörbildes empfindet, indem die virtuellen Quellen
stetig ihren Ort ändern.
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