DE3512155C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektroakustische Anordnung zur richtungsorientierten, dreidimensional-räumlichen Schallaufnahme und Schallwiedergabe mit vier Mikrofonen, die an den Eckpunkten eines ersten imaginären Tetraeders angeordnet und nach außen gegen den Aufnahmeraum ge­ richtet sind, mit vier Übertragungskanälen für die von den Mikrofonen aufgenommenen Tonsignale und mit vier Lautsprechern, die ebenfalls an den Eckpunkten eines zweiten imaginären Tetraeders angeordnet und nach innen zu einem Wiedergaberaum gerichtet sind.

Eine derartige elektroakustische Anordnung ist aus der DE-OS 23 62 229 bereits bekannt. Gemäß der Druckschrift werden Mikrofone mit einer Richtcharakteristik (super­ kardioide Eigenschaften) verwendet und die Mikrofone auch in ganz bestimmter Weise ausgerichtet, nämlich derart, daß drei Mikrofone in einer Horizontalebene an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet und so ausgerichtet werden, daß ihre Richtung zum Schwer­ punkt des Dreiecks liegt, während das vierte Mikrofon in die Vertikalachse, die den Schwerpunkt des Dreiecks in der Horizontalebene durchläuft, angeordnet ist. Dieses vierte Mikrofon ist senkrecht ausgerichtet. Entsprechend ausgerichtet sind auch die Lautsprecher.

Die Verwendung derartiger Mikrofone mit Richt­ charakteristik sowie die besondere Ausrichtung sowohl der Mikrofone als auch der Lautsprecher ist jedoch nachteilig, weil dadurch die klangliche Ausgewogenheit und die Tiefenstaffelung eines großen Klangkörpers oder Klangraumes nicht so getreu wiedergegeben werden kann, wie es angestrebt wird. Auch sind Verfärbungen im mittleren Frequenzbereich sowie Klangveränderungen mit der Entfernung zu befürchten. Die Richtcharakteristik einer Superkardioide kann zudem einen großen Raumbereich nicht gleichmäßig genug erfassen und ermöglicht prinzipiell keine punktförmige Schallaufnahme. Dies wirkt sich bereits bei Aufnahme mit nur zwei Mikrofonen ungünstig aus, noch schwieriger werden die Verhältnisse, wenn mit vier Richtmikrofonen gearbeitet werden soll. Die superkardioide Richtcharakteristik, die auch Schall­ ereignisse von hinten aufnimmt, produziert Mehrdeutig­ keiten durch Verschiebung des Hörereignisortes in die entgegengesetzte Richtung. Zwar wird in der Druckschrift ausgeführt, daß dieser Mangel durch in entgegengesetzter Richtung angeordnete elektrisch gegenphasige Zusatz­ bündelungsmikrofone beseitigt werden kann, jedoch ist es, abgesehen von dem erheblich größeren Aufwand, der dadurch erforderlich wird, außerdem zweifelhaft, ob mit dieser Maßnahme tatsächlich eine größere Genauigkeit in der Übertragung der Raumdimensionen des Schallfeldes erreicht werden kann, wie die Druckschrift behauptet. Die sich ergebende verbogene Richtcharakteristik wäre für diesen Zweck jedenfalls wenig geeignet. Zudem ist es technisch nicht möglich, diese Zusatzmikrofone voll­ kommen koinzident mit dem jeweiligen Hauptmikrofon anzuordnen, so daß zumindest für höhere Frequenzen sich Laufzeit- und Phasenverschiebungen ergeben, die zu Richtungsabbildungsfehlern, verschlechteter Tiefen­ staffelung und Lokalisationsunschärfen führen.

In der DE-PS 25 31 161 ist eine Mikrofonanordnung mit vier Einzelmikrofonen wiederum mit vorbestimmter Richt­ charakteristik zu erkennen, wobei die Anordnung gemäß der Darstellung von Fig. 1 dieser Entgegenhaltung offenbar auch in der Form eines Tetraeders vorliegt. Eine entsprechende Wiedergabeeinrichtung mit Laut­ sprechern ist nicht dargestellt.

Es ist auch an sich bekannt, Mikrofone in einer Kugel anzuordnen; so zeigt die DE-PS 8 79 704 einen durch eine Kugel angenäherten Kunstkopf und die US-PS 43 32 979 (siehe Figuren 3 und 3a) eine Kugel mit einer Vielzahl einzeln angeordneter Mikrofone.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die räumliche Auflösung und die korrekte Darstellung des räumlichen Klangbildes noch weiter verbessert wird.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß die Mikrofone Schalldruckempfänger sind und derart in einer den ersten imaginären Tetraeder umgebenden Kugel angebracht sind, daß ihre Achsen sich im Mittelpunkt der Kugel schneiden, der zugleich dem Schwerpunkt des Tetraeders entspricht, und daß ihre Membranen bündig mit der Kugeloberfläche sind, und daß die Lautsprecher so ausge­ richtet sind, daß ihre Achsen sich im Schwerpunkt des Tetraeders schneiden.

Durch diese Maßnahmen wird die räumliche Auflösung verbessert und das räumliche Klangbild genauer darge­ stellt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist vom Prinzip her die punktförmige Schallaufnahme gewähr­ leistet. Damit läßt sich auch bei unterschiedlicher Entfernung zur Schallquelle eine unverfärbte Klang­ wirkung erreichen.

Eine besonders günstige praktische Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel resonanzarm ist, weil durch diese Maßnahme der aus beliebiger Richtung auftreffende Schall keine durch Resonanzvorgänge auf­ tretende Klangverfälschungen erfährt.

Zur Erzielung von gleichsinnigen Laufzeit- und Inten­ sitätsunterschieden ist es günstig, der Kugel einen definierten Durchmesser zu geben, der gemäß einer Weiterbildung der Erfindung 200 mm beträgt. Aus Zweck­ mäßigkeitsgründen, z. B. zur Kompatibilität mit her­ kömmlichem Stereoverfahren, ist es gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung günstig, wenn die Tetraeder so im Raum positioniert sind, daß ein Mikrofon bzw. Lautsprecher oberhalb des Schwerpunktes des Tetra­ eders liegt und die restlichen Mikrofone bzw. Laut­ sprecher nach vorn links, vorn rechts und nach hinten gerichtet sind. Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich auch zur zweikanaligen stereophonen Tonaufnahme ver­ wenden, wobei lediglich zwei der Mikrofone vorgesehen und/oder angeschlossen sind.

Die Erfindung wird anhand der einzigen Figur, die die Schallwandleranordnung schematisch wiedergibt, noch näher erläutert.

Mit der erfindungsgemäßen elektroakustischen Anordnung läßt sich, wie bereits ausgeführt, ein richtungsorien­ tiertes, räumliches Hören erreichen, wobei ein weit­ gehend originalgetreues gleichmäßiges Erfassen aller Schallereignisse im Raum mit Richtungsinformation ermöglicht wird.

Elektroakustische Anordnungen für räumliches Hören gibt es vorwiegend mit zweikanaliger Ausführungsform, bekannt als Stereophonie. Hier sind für die Mikrofonaufnahme die Anordnungen MS, XY, URTF, OSS, KU81, KKIENT, A/B und PZM zu nennen, wobei ergänzend noch auf den "Bericht über die 13. Tonmeistertagung in München vom 21. bis 24. 11. 1984", Seiten 75 bis 84, 95 bis 102, 137 bis 153, 158 bis 169, 170 bis 184 verwiesen wird, außerdem auf "Fortschritte der Akustik DAGA-84", Seiten 117 bis 128, 223 bis 226, 279 bis 282.

Neben der Stereophonie wird auch die sogenannte "Quadro­ phonie" verwendet, bei welchem Verfahren mit vier Mikrofonen und vier Lautsprechern gearbeitet wird, die im Quadrat oder Rechteck horizontal angeordnet sind. In beiden Fällen sind Ortungen im horizontalen Bereich möglich. Auch kann der Kopf bei der Wiedergabe dem horizontalen Hörereignisort zugewendet werden.

Die Wiedergabe über zwei Stereolautsprecher, beliebig welche Aufnahmetechnik angewendet wird, bildet nur eine Stereobasis, d. h., das gesamte Hörereignis muß und kann sich nur in Form von Phantomschallquellen zwischen zwei Lautsprechern aufbauen. Eine Tiefenstaffelung kann nur hinter der Basis der beiden Lautsprecher mangelhaft wahrgenommen werden. Kopf- oder Körperbewegungen zu anderen Richtungen sind nicht möglich, da keine anderen Richtungen angeboten werden. Die spezifische Akustik des Originalraumes läßt sich nur sehr eingeschränkt wieder­ geben.

Als Beispiel sei die sogenannte OSS-Anordnung für die Mikrofonseite genannt, bei der mit zwei Druckempfängern gearbeitet wird. Hier wird der Raum in zwei Hälften geteilt, in denen alle Rauminformationen untrennbar konzentriert enthalten sind. Diese Hälften werden dem linken und dem rechten Kanal zugeführt. Eine Ortung außerhalb der Stereobasis und eine differenzierte, richtungsorientierte Erfassung der Schallereignisse des ganzen Raumes - vertikal und horizontal - ist daher nicht möglich.

Mit den Kunstkopfsystemen und entsprechenden Kopfhörern ist der Räumlichkeitseindruck relativ besser. Jedoch ist die Raumortung ungenügend. Eine Drehung des Kopfes zum Einkreisen des Schallereignisortes nicht nicht möglich. Bei der Kunstkopfstereophonie geht man davon aus, daß zwei Mikrofone, in die äußeren Gehörgänge eines Kunst­ kopfes gesetzt, alle Signale für die Ortung liefern. Besonderer Wert wird auf die Außenohrnachbildung gelegt, obwohl der Mensch auch mit zugestopften Ohren noch orten kann. Es ist daher anzuzweifeln, daß mit der Kunstkopf­ technik ein Hören und Orten entsprechend dem mensch­ lichen Gehör möglich wird.

Ein Qualitätskriterium für Mikrofone, Lautsprecher und Kopfhörer ist der Begriff der Räumlichkeit. Käufer von hochwertigen Wiedergabegeräten geben viel Geld aus, um den Originalklang optimal zu erhalten. Die Enttäuschung über mangelnden Raumklang führt dann zu noch größeren finanziellen Ausgaben für HI-FI-Geräte, speziell Laut­ sprecher. Die hauptsächliche Ursache des unbefriedigen­ den Raumklanges liegt in der grundsätzlichen Technik der Stereophonie bzw. auch Quadrophonie.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung läßt sich mit ähnlichem Aufwand, wie sie für die Quadrophonie be­ trieben wird, also mit vier Mikrofonen bzw. vier Laut­ sprechern, eine elektroakustische Anordnung schaffen, die auch ein richtungsorientiertes, räumliches Hören ermöglicht und insbesondere Schallereignisse aus dem ganzen Raum gleichmäßig, nahtlos und weitgehend originalgetreu aus allen Richtungen horizontal wie auch vertikal (z. B. von rechts, links, vorne, hinten, oben oder unten) zu erfassen und auf der Wiedergabeseite ent­ sprechend hörbar zu machen erlaubt. Kopf- und Körper­ haltung können beliebig verändert werden, um z. B. eine Hinwendung zu dem jeweiligen Schallereignis zu er­ möglichen. Indem vier gleiche Wandler - vier Mikrofone auf der Aufnahmeseite und vier Lautsprecher auf der Wiedergabeseite - an den Eckpunkten eines Tetraeders angeordnet werden, wobei die Mikrofone Schalldruck­ empfänger sind, also Kugelcharakteristik aufweisen, und derart in einer den ersten imaginären Tetraeder um­ gebenden Kugel angebracht sind, daß ihre Achsen sich im Mittelpunkt der Kugel schneiden, der zugleich dem Schwerpunkt des Tetraeders entspricht, und die Membranen bündig mit der Kugeloberfläche sind, und die Laut­ sprecher so ausgerichtet sind, daß ihre Achsen sich im Schwerpunkt des Tetraeders schneiden, wird die er­ findungsgemäße Aufgabe mit verhältnismäßig einfachen Mitteln gelöst. Um auf der Aufnahmeseite die vier Mikrofone in Tetraederformation anzuordnen, können z. B. die Schalldruckempfänger in einer Kugel von 200 mm Durchmesser angeordnet werden, wobei die Membranen jeweils bündig mit der Kugeloberfläche liegen. Die Länge aller Tetraederkanten beträgt dann 163 mm. Dies ist der direkte Abstand von allen Mikrofonen zueinander. Die Aufnahmen lassen sich auch mit mehr als vier oder, wenn man will, auch mit weniger als vier Mikrofonen aus­ führen, beispielsweise für Stereoaufnahmen unter Nicht­ verwendung oder Nichtanordnung von zwei Mikrofonen aus der Tetraederformation. Prinzipiell ist dabei jede Position der Tetraederanordnung möglich, wobei der Mittelpunkt der Kugel dem Schwerpunkt des Tetraeders entspricht und auf der Wiedergabeseite dem zentralen Hörplatz. Bei der in der Darstellung gewählten Position zeigt die Spitze des Tetraeders bzw. der "Pyramide" nach oben. Damit ergeben sich für die Schallwandler die Hauptrichtungen oben (O), vorne rechts (VR), vorne links (VL) und hinten (H).

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß Schallereignisse besonders originalgetreu bezüglich Räumlichkeit, Klangcharakter und Ortbarkeit aus allen Richtungen, horizontal und vertikal, aufgenommen und wiedergegeben werden können. Durch die Tetraederanordnung von vier gleichen Mikro­ fonen, analog dazu die Anordnung von vier gleichen Lautsprechern, wobei man diese Anordnungsweise auch als "Tetraphonie" bezeichnen könnte, wird der gesamte Aufnahmeraum regelmäßig in vier kongruente Sektionen aufgeteilt. Der Schwerpunkt des Tetraeders entspricht dem Mittelpunkt der Umkugel. Besonders nahtlose und gleichmäßige Grenzen der Sektionen werden durch den Einbau der Anordnung in eine Kugel mit dem schon er­ wähnten Durchmesser von 200 mm erzielt. Als Vorteil ist die hohe Lokalisationsschärfe zu nennen, ein anderer Vorteil besteht darin, daß mit nur vier Mikrofonen sechs Stereobasen erzielt werden. Bei der Quadrophonie bilden sich mit vier Wandlern nur vier Stereobasen. Die Stereophonie mit zwei Kanälen hat sogar nur eine Stereobasis.

Die "Tetraphonie" hat somit den Vorteil, daß sich zwischen allen Wandlern direkte Stereobasen bilden können, da jeder Wandler jeden als direkten Nachbarn hat. Auf jeder dieser Stereobasen bauen sich Phantom­ schallquellen auf. Bedingt durch die Regelmäßigkeit der angeordneten Wandler entsteht rund um die Tetraeder­ umkugel eine sehr große Anzahl von Phantomschallquellen. Diese können passiv geortet werden, d. h. der Kopf verbleibt in seiner Position. Andererseits kann bei Ortungsunsicherheit der Kopf oder der Körper - wie auch beim natürlichen Hören - gebeugt, gesenkt, gedreht und/oder gewendet werden, bis die Schallquelle eindeutig lokalisiert ist. Das ist bei der Stereophonie nicht und bei der Quadrophonie nur im horizontalen Bereich möglich.

Warum die obengenannten Vorteile der "Tetraphonie" so wichtig sind für originalgetreue Mikrofonaufnahmen, soll nachstehend noch näher erläutert werden. Der Klang­ charakter eines Musikinstrumentes hängt sehr von seiner spezifischen Schallausbreitungsart ab. Der authentische Klang eines Orchesters oder einer Orgel wird ent­ scheidend durch den Raum geprägt. Die Kirchenorgel mit ihren in Höhe, Breite und Tiefe verteilten Pfeifen erzeugt eine komplexe Schallausbreitung. Zeit, Inhalt und Richtungsverlauf der Schallausbreitung und des Nachhalls werden durch das Volumen, die unterschied­ lichen Absorptionen, Reflexionen und durch die in­ dividuelle Architektur wesentlich bestimmt. Daraus resultiert der Klang der Kirchenorgel oder der Original­ klang einer Orgel in einer bestimmten Kirche. Denn das akustische Erfassen des spezifischen Diffusfeldes ermöglicht das Wiedererkennen eines bestimmten Raumes.

Es gibt Aufnahmesituationen, bei denen die Schallquellen innerhalb einer Veranstaltung rundherum verteilt sind:
Live-Konzerte mit Orchester, Orgel, Chor und Gemeinde, abwechselnd oder gleichzeitig aus verschiedenen Rich­ tungen Instrumentenspiel und Gesang, von vorne, hinten, oben und unten. Bei der Stereophonie würde das gesamte Hörereignis in eine kleine Stereobasis gepreßt, über die man nicht hinaus produzieren kann. Bei der "Tetraphonie" wird der gesamte Aufnahmeraum "maßstabsgerecht" in den Wiedergaberaum transportiert. Es ist also bei der Wiedergabe noch weitgehend möglich, den günstigsten Hörplatz zu wählen: Näher zum Chor nach vorne oder näher zur Orgel nach hinten; die Orgel von hinten oben hören oder sich ihr zuwenden, um sie dann von vorne oben zu hören. An jedem Platz innerhalb des Lautsprecher-Tetra­ eders ist die Original-Räumlichkeit vorhanden, nach Wahl diffuser oder direkter.

Alle mit dem Gehör normal erfaßbaren Schallereignisse können mit der mehrkanaligen "Tetraphonie" ohne größeren Aufwand von Zusatz- oder Stützmikrofonen und ent­ sprechenden Mischpultkanälen sowie Halleinrichtungen aufgenommen werden. Bei aufnahmewürdigen Schaller­ eignissen brauchen keine Manipulationen mehr vorgenommen zu werden. Hierbei hilft der Vorteil der "Tetraphonie", den Mikrofonstandort freier gestalten zu können. Der Hallradius hat hier weniger Bedeutung als bei den bekannten Verfahren.

Der Abstand der Mikrofone zueinander, beispielsweise 163 mm, ermöglicht auch eine zweikanalige Stereoaufnahme im Sinne eines "Äquivalenzmikrofones". Hier werden nur zwei Wandler benötigt. Auch für diese Aufnahmen wirken sich die speziellen Eigenschaften der Kugel positiv aus.

Anhand der Zeichnung sei noch erläutert, daß für die Mikrofonaufnahme ein Körper in Form einer Kugel mit vier Schalldruckempfängern an den Eckpunkten eines Tetraeders angeordnet wird. Die Membranen sind bündig mit der Kugeloberfläche und nach außen gerichtet. Der Durchmesser der Kugel beträgt zum Beispiel 200 mm.

Für die Wiedergabe sind statt dessen vier Lautsprecher an den Eckpunkten eines Tetraeders angeordnet. Alle Laut­ sprecher haben den gleichen Abstand zueinander; dieser wird durch die Größe des Wiedergaberaumes bestimmt. Die Membranen sind nach innen zum Schwerpunkt des Tetra­ eders, dem zentralen Abhörplatz, gerichtet. Damit ergeben sich die bereits erwähnten Richtungsbeziehungen oben (O), vorne rechts (VR), vorne links (VL) und hinten (H).

Claims (6)

1. Elektroakustische Anordnung zur richtungsorien­ tierten, dreidimensional-räumlichen Schallaufnahme und Schallwiedergabe mit vier Mikrofonen, die an den Eckpunkten eines ersten imaginären Tetraeders angeordnet und nach außen gegen den Aufnahmeraum gerichtet sind, mit vier Übertragungskanälen für die von den Mikrofonen aufgenommenen Tonsignale und mit vier Lautsprechern, die ebenfalls an den Eckpunkten eines zweiten imaginären Tetraeders angeordnet und nach innen zu einem Wiedergaberaum gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofone Schalldruckempfänger sind und derart in einer den ersten imaginären Tetraeder umgebenden Kugel angebracht sind, daß ihre Achsen sich im Mittelpunkt der Kugel schneiden, der zugleich dem Schwerpunkt des Tetraeders entspricht, und daß ihre Membranen bündig mit der Kugeloberfläche sind; und daß die Lautsprecher so ausgerichtet sind, daß ihre Achsen sich im Schwerpunkt des Tetraeders schneiden.

2. Elektroakustische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel resonanzarm ist.

3. Elektroakustische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Kugel 200 mm beträgt.

4. Elektroakustische Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tetraeder so im Raum positioniert sind, daß ein Mikrofon bzw. Lautsprecher (O) lotrecht oberhalb des Schwer­ punktes des Tetraeders liegt und die restlichen Mikrofone bzw. Lautsprecher (VL, VR, H) nach vorn links, vorn rechts und hinten gerichtet sind.

5. Elektroakustische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kugel mehr als vier Mikrofone angebracht sind.

6. Verwendung der Kugel nach Anspruch 1, 2 oder 3 zur zweikanaligen stereofonen Tonaufnahme, wobei lediglich zwei der Mikrofone vorgesehen und/oder angeschlossen sind.