DE3806915A1 - Reverb- (nachhall-) generator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Nachhall-Generatoren, und im besonderen auf einen Nachhall-Generator, einschließlich eines Phasenschiebers oder sogenannten Allpaß-Filters für das Einbringen einer Dispersion in ein Audio-Eingangssignal- Spektrum.

Derartige Nachhall-Generatoren kommen in elektroakustischen Systemen zum Einsatz, wie zum Beispiel in einem elektrischen Musikinstrument, oder in einem Tonwiedergabe-System für die Erstellung von Nachhallen zum wiedergegebenen Klang oder zur Verstärkung derselben derart, daß der Hörer empfindet, den wiedergegebenen Klang in einem Konzertsaal oder dergleichen zu hören.

Die herkömmlichen Nachhall-Generatoren weisen bekanntlich einen Verzögerungs-Schaltkreis zur Verzögerung eines Audio-Eingangssignals unabhängig von der Frequenz, und einen Rückkopplungs-Pfad einschließlich eines Dämpfungsgliedes für die Rückkopplung eines Ausgangssignals des Verzögerungs-Schaltkreises zur Eingangsseite desselben mit einer vorbestimmten Dämpfung auf. In der Vergangenheit wurde für Nachhall-Generatoren ein Bandaufnahmegerät, oder ein mechanischer Resonator als Mittel für die Verzögerung verwendet. In den letzten Jahren wurden allgemein Digitalschaltungen für diesen Zweck benutzt.

Ein typischer Nachhall-Generator erzeugt eine Reihe exponentiell gedämpfter Ausgangsimpulse, wiederholt ansprechend auf einen einzelnen Eingangsimpuls in einem vorbestimmten Intervall Δ T, spezifiziert durch die Verzögerungszeit des Verzögerungs-Schaltkreises. Die Dämpfung der Ausgangsimpulse wird von der Dämpfungskonstante des Dämpfungsgliedes bestimmt, welches den Rückkopplungsgrad des Rückkopplungs-Pfades steuert.

Ein solcher herkömmlicher Nachhall-Generator besitzt nur zwei variable Parameter für die Einstellung des Nachhalls, nämlich die Dämpfungskonstante des Dämpfungsgliedes und die Verzögerungszeit des Verzögerungs-Schaltkreises. Folglich ist hier das Problem, daß der Freiheitsgrad in der Klang-Aufbereitung begrenzt ist. In den herkömmlichen Nachhall-Generatoren ist zudem noch ein ernsthafteres Problem vorhanden, indem nämlich ein unnatürlicher Nachhall dann erzeugt wird, wenn der Rückkopplungsgrad erhöht und/oder verlängert wird, um einen länger andauernden Nachhall oder eine gesteigerte Präsenz zu simulieren, wie dies aktuell in einem Konzertsaal gegeben ist. Im Extremfall können die individuellen Nachhalle durch das menschliche Gehör erfaßt werden, was dem Hörer ein unangenehmes Gefühl bereitet. Wenn nicht ein außergewöhnlicher Effekt dafür angestrebt wird, ist dieser Bereich, in welchem die Dämpfungskonstante und die Verzögerungszeit variiert werden kann, äußerst beschränkt. Daraus ergibt sich, daß der erzielbare akustische Effekt, wie die Präsenz natürlicher und angenehm empfindbarer Nachhalle, entsprechend begrenzt ist.

Wenn zum Beispiel die Verzögerungszeit Δ T mehr als 30 ms beträgt, tritt das unnatürlich Empfinden offen zutage, eine darüberhinausgehende Verzögerungszeit ist folglich für die Verwendung ungeeignet. Die durch die Erhöhung der Rückkopplungs-Rate bewirkbaren länger anhaltenden Nachhalle induzieren auf ähnliche Weise einen unangenehmen und unnatürlichen akustischen Effekt. Demzufolge kann bei einem herkömmlichen, mit Rückkopplung ausgerüsteten Nachhall- Generator mit einer offenen Schleife von K - e ^{-s · Δ T} der die Rückkopplungs- Rate K spezifizierende Wert praktisch nicht größer als 0,2 bis 0,4 gewählt werden. Wenn man den Wert von K erhöht, wird zwar die Nachhallzeit verlängert, der unerwünschte Effekt jedoch, wie das unnatürliche und unangenehme Empfinden oder die Verzerrung des Nachhalls, dann auch auffallend. Mit anderen Worten, ein herkömmlicher Nachhall-Generator kann das vorteilhafte Charakteristikum eines Rückkopplungs-Pfades, mittels dem möglich ist, eine Serie oder Reihe extrem lang anhaltender und graduell wechselnder Nachhalle einem nach dem anderen durch Rückkopplung der erzeugten Nachhalle zu erzeugen, nicht voll nutzen.

Die mit Datum 06. Juni 1986 durch Tominari eingereichte, und unter dem Aktenzeichen P 36 19 031.4 geführte Deutsche Patentanmeldung offenbart die Simulierung eines Nachhalls oder sogenannten indirekten Klangs in einem Konzertsaal mittels eines Allpaß-Filters, das einen konstanten Gewinn über den gesamten Frequenzbereich hat. Das Allpaß-Filter induziert eine von der Zeitverzöge­ rung abhängige Frequenz in der Weise, wodurch die Zeitverzögerung im unteren Frequenzbereich groß und in einem höheren Frequenzbereich klein ist. Mit anderen Worten, das in der vorhergehend genannten Deutschen Patentanmeldung offenbarte Allpaß-Filter sieht eine elektrische Anordnung für das Simulieren der Dispersion des Klangspektrums vor, die dann vorhanden ist, wenn der Klang einer Schallquelle durch die Wände oder den Boden des Konzertsaales reflektiert wird. Der herkömmliche Nachhall-Generator läßt die Dispersions- Fähigkeit vermissen, und es ist daher anzunehmen, daß dies der Grund für das Versagen der herkömmlichen Nachhall-Generatoren ist, natürliche und angenehm lang anhaltende Nachhalle zu produzieren. Es ist bekannt, daß ein Hörer im Konzertsaal die Präsenz als ein Resultat der Differenz zwischen der Zeit des Eintreffens des den Hörer direkt von der Schallquelle erreichenden Klangs und des indirekten Klangs oder Nachhalls, der an den Wänden oder dem Boden des Konzertsaales reflektiert wird, wahrnimmt. Dieser indirekte Klang hat natürlich ein Spektrum, das, wie schon erwähnt, gestreut ist.

In dem aktuellen Konzertsaal wird die jeweils von der Schallquelle ausgehende Schallwelle wiederholt durch die Wände oder den Boden reflektiert. Folglich schließt der indirekte Klang üblicherweise Klang-Komponenten ein, die durch eine Anzahl Reflexionen erzeugt werden. Eine solche mehrfache Reflexion vermittelt den Eindruck der Größe eines Konzertsaales, die anzustreben ist, als natürliche Komponente in den reproduzierten Klang einzubringen. Das in der vorgenannten Patentanmeldung beschriebene System und Verfahren, obwohl durchaus zur Erzeugung eines natürlichen Nachhalls geeignet, kann nicht den Effekt wiederholter oder mehrfacher Nachhalle simulieren.

Demzufolge ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und zweckdienlichen Nachhall-Generator für die Erzeugung eines Nachhalls vorzusehen, indem eine Dispersion in das Spektrum eines Audio-Eingangssignals eingebracht wird, und wodurch die vorhergehend erwähnten Probleme eliminiert werden.

Es ist zudem eine weitere und spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen derartigen Nachhall-Generator weiterzubilden, so daß dieser, ansprechend auf ein Audio-Eingangssignal, eine Vielzahl Nachhalle erzeugt, wobei jeder Nachhall eine Dispersion im Signal- Spektrum einschließt, bestehend aus einem Verzögerungs-Schaltkreis mit einem Rückkopplungs-Pfad für die wiederholte Erzeugung gedämpfter, bzw. durch eine Zeit Δ T verzögerter Audio-Ausgangssignale, sowie ein mit dem Verzögerungs-Schaltkreis in Serie geschaltetes Allpaß- Filter für das Einbringen einer Dispersion in das Spektrum des Audio-Eingangssignals beim Passieren des Verzögerungs-Schaltkreises, wobei das Allpaß-Filter die Dispersion in Übereinstimmung mit einer diesem zugeführten Frequenz/Phasenverzögerungs-Charakteristik ausführt, derart, daß die Phasenverzögerung mit der Frequenz im unteren Frequenzbereich steil zunimmt, und in einem höheren Frequenzbereich graduell eine sehr große Konstante, vorzugsweise größer als etwa 3000 Grad erreicht.

Eine weitere Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen Nachhall- Generator vorzusehen, in welchem ein Rückkopplungs-Pfad zwischen einem Ausgang und Eingang des Verzögerungs-Schaltkreises zur Verzögerung eines Audio-Eingangssignals mit einer Verzögerungszeit T angeordnet ist, wobei der Rückkopplungs-Pfad ein Dämpfungsglied zur Steuerung des Rückkopplungs-Verhältnisses im Rückkopplungs-Pfad, sowie ein mit dem Verzögerungs-Schaltkreis in Serie geschaltetes Allpaß-Filter zum Einbringen der Dispersion in das Spektrum eines diesem zugeführten Eingangssignals in Übereinstimmung mit einer Frequenz/Phasenverzögerungs-Charakteristik einschließt, derart, daß die Phasenverzögerung im unteren Frequenzbereich jäh zunimmt, und in einem höheren Frequenzbereich graduell eine große Konstante erreicht, vorzugsweise größer als etwa 3000 Grad.

In dem Nachhall-Generator gemäß vorliegender Erfindung nimmt der Justier-Freiheitsgrad der Nachhalle zu, wenn der Nachhall-Generator die Frequenz-Phasenverzögerungs-Charakteristik als eines der justierbaren Parameter zusätzlich zur üblichen Rückkopplungs-Rate und der Verzögerungszeit einschließt, wodurch natürliche und angenehm ankommende Nachhalle durch Verwendung des Allpaß-Filters erzielt werden, und diese Nachhalle auch dann noch natürlich und angenehm empfunden werden, wenn die Rückkopplungs-Rate oder Verzögerungszeit erhöht wird. Die Wirkung der mehrfach in einem Konzertsaal auftretenden Reflexionen kann durch die Verwendung des Rückkopplungs- Pfades simuliert und ein lang anhaltender Nachhall durch die Kombination des Allpaß-Filters mit dem Rückkopplungs-Pfad erreicht werden.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Au­ dio-Eingangssignal-Spektrum wiederholt der Dispersion unterworfen, und zwar eines nach dem anderen, was durch die Hereinnahme des Allpaß- Filters in den Rückkopplungs-Pfad erzielt wird, so daß außerordentlich farbige Nachhalle durch Auswahl einer großen Rückkopplungs- Rate produziert werden können. Die so produzierten oder erzeugten Nachhalle liegen sehr nahe der tatsächlich im Konzertsaal auftretenden Nachhalle, da diese im Konzertsaal wiederholt an den Wänden oder dem Boden reflektiert, der Dispersion mehrmals ausgesetzt sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Hörer in die Lage versetzt werden, die Größe des Konzertsaales durch Justierung der Verzögerungszeit Δ T wahrzunehmen oder zu empfinden. Selbstverständlich ist es auch möglich, einen außergewöhnlichen Effekt zu erzielen, durch den jeder einzelne der Vielzahl an Reverbs durch das menschliche Gehör ausgelöst wird, indem absichtlich die Dispersion unterdrückt und gleichzeitig die Rückkopplungs-Rate und die Verzögerungszeit Δ T erhöht wird.

Ferner wurde ein unerwarteter Effekt festgestellt, bei welchem in Zuordnung des Nachhall-Generators der vorliegenden Erfindung zu einem Mehrkanal-Wiedergabesystem, wie es in der US-Patentanmeldung No. 8 67 234 offenbart ist, die Richtung eines den indirekten Klang ausstrahlenden Sub-Lautsprechers in Relation zu dem den direkten Klang ausstrahlenden Haupt-Lautsprecher um bis zu 90 Grad versetzt gewählt werden kann, ohne die Präsenz zu verschlechtern. Dies ist eine markante Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Lautsprecher- Anordnung, in welcher der Winkel zwischen den Haupt- und Sub-Lautsprechern auf etwa 30 Grad beschränkt ist.

Die vorhergehend erwähnten und andere Merkmale und Vorteile vorliegender Erfindung werden aus der nachfolgenden, Details bevorzugter Ausführungsform anhand der anliegenden Zeichnungen aufzeigenden, Beschreibung klarer ersichtlich.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung einer Frequenz/Phasenverzögerungs- Charakteristik eines Allpaß-Filters zur Verwendung in dem Nachhall-Generator gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Frequenz/Verzögerungs- Charakteristik entsprechend der Frequenz/Phasenverzögerungs- Charakteristik der Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltbild, aus dem ein Beispiel eines Phasenschieber- Elements als Teil des Allpaß-Filters hervorgeht, welches die in Fig. 1 dargestellte Frequenz/Phasen-Charakteristik aufweist;

Fig. 4 eine graphische Darstellung einer Frequenz-/Phasen-Charakteristik des Phasenschieber-Elements der Fig. 3;

Fig. 5(A) und (B) jeweils graphische Darstellungen der Impuls- Charakteristik des Allpaß-Filters mit der Frequenz/Phasenverzögerungs- Charakteristik, und der entsprechenden Frequenz/ Verzögerungszeit-Charakteristik der Fig. 1 bzw. Fig. 2;

Fig. 6 ein Schaltbild, beispielhaft ein Allpaß-Filter darstellend, wie es im Nachhall-Generator gemäß vorliegender Erfindung zur Verwendung kommt;

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des Nachhall-Generators vorliegender Erfindung;

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Impuls-Charakteristik eines Teils des in der Fig. 6 dargestellten Reverb-Generators;

Fig. 9(A) bis (E) graphische Darstellungen der einzelnen Wellenformen, die, ansprechend auf die in der Fig. 8 gezeigten Impulse, vom Nachhall-Generator der Fig. 6 erzeugt werden;

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des Nachhall-Generators vorliegender Erfindung;

Fig. 11(A) bis (D) eine graphische Darstellung einer Impuls- Charakteristik des in der Fig. 9 dargestellten Nachhall- Generators;

Fig. 12 ein Blockschaltbild eines Mehrkanal-Wiedergabesystems, dem ein Nachhall-Generator vorliegender Erfindung zugeordnet werden kann, und

Fig. 13 eine Draufsicht auf eine Lautsprecher-Anordnung gemäß der Fig. 12 in einem Raum.

Die Fig. 1 zeigt eine Frequenz/Phasenverzögerungs-Charakteristik eines Allpaß-Filters mit konstanter Phasenverzögerung unabhängig von der Frequenz, und vorgesehen für die Verwendung im Nachhall-Generator vorliegender Erfindung. Ein derartiges Allpaß-Filter wurde in der US-Patentanmeldung No. 8 67 234 beschrieben. Das in der Zeichnungsfigur dargestellte Allpaß-Filter hat eine Übertragungs-Funktion, wiedergegeben durch die Gleichung:

worin s eine komplexe Frequenz (allgemein als Laplace's Operator bezeichnet), τ _i eine Zeitkonstante, und n eine positive Ganzzahl ist.

Folglich produziert das Allpaß-Filter eine Phasenverzögerung, die in einem niedrigen Frequenzbereich steil zunimmt und graduell einen sehr großen konstanten Phasenwinkel erreicht, der das Mehrfache von π im Radianten oder n · 180° in einem höheren Frequenzbereich ist. Es ist praktischer, eine Zeitkonstante τ _i auszuwählen, um eine gemeinsame Zeitkonstante τ zu haben, wobei in diesem Fall die Gleichung (1) wie folgt vereinfacht werden kann:

Es ist einfach nachzuweisen, daß das Allpaß-Filter, das eine Übertragungs- Funktion nach Gleichung (1) oder (2) aufweist, einen perfekten Zuwachs über den gesamten Spektrumsbereich hat, die Phasenverzögerung erreicht hier n · 180 Grad, wenn die Frequenz infinit ist.

Die vom Allpaß-Filter bei jeder Frequenz f erzeugte Verzögerungszeit ist proportional zu einer Derivierten der Phasenverzögerung -d0/df. Folglich wird entsprechend der Frequenz/Phasenverzögerungs- Charakteristik nach Fig. 1, eine Frequenz/Verzögerungszeit- Charakteristik nach Fig. 2 erreicht, in der die Verzögerungszeit im höheren Frequenzbereich klein ist, und mit abnehmender Frequenz zum unteren Frequenzbereich hin steil oder jäh abnimmt.

In Fig. 2 ist die durch eine Anzahl Kurven dargestellte Frequenz/ Verzögerungszeit-Charakteristik zusammen mit einer positiven Ganzzahl n in den Gleichungen (1) oder (2) als ein Parameter gezeigt.

Die Fig. 5 zeigt beispielhaft eine typische Impuls-Charakteristik eines Allpaß-Filters, mit der Frequenz/Phasenverzögerungs-Charakteristik und der entsprechenden Frequenz/Verzögerungszeit-Charakteristik der Fig. 1 bzw. 2. Wie aus der Zeichnungsfigur ersichtlich, erscheint eine höhere Frequenzkomponente nach einem Eingangsimpuls, während die unteren oder niederen Frequenzkomponenten später erscheinen. Dies ist ein "Dispersion" genanntes Phänomen.

In der vorhergehend genannten US-Patentanmeldung No. 8 67 234 brachte Tominari in Erfahrung, daß die so beschriebene Dispersion in dem Spektrum einer Klangwelle induziert wird, wenn sie durch Wände oder den Boden von Architekturen, wie zum Beispiel eines Konzertsaales reflektiert wird. Ein ähnliche Feststellung wurde von J. Webers in "Tonstudiotechnik", Seite 82, München 1979, vermerkt.

Im akustischen Raum einer solchen Architektur enthalten die Nachhalle im wesentlichen keine Hochfrequenz-Komponenten höher als 4 kHz. Andererseits haben die Klang-Komponenten mit einer niedrigen Frequenz eine große Verzögerungszeit, die mit absinkender Frequenz zunimmt. Zum Beispiel hat die Klang-Komponente mit einer niedrigen Frequenz von 50-100 Hz eine sehr große Verzögerungszeit von 100 ms oder mehr. Die genannte US-Patentanmeldung No. 8 67 234 offenbart eine Simulierung oder Nachbildung aktueller Nachhalle durch elektrisches Induzieren einer Dispersion in das Audio-Eingangssignal- Spektrum mittels eines Allpaß-Filters, wodurch die Phase dieses Audio-Eingangssignals entsprechend einer Frequenz/Phasenverzögerungs- Charakteristik derart verzögert wird, daß der Winkel der Phasenverzögerung mit der Frequenz in einem unteren Frequenzbereich steil zunimmt und graduell eine sehr große Konstante, zumindest größer etwa 3000 Grad erreicht.

Ein solches Allpaß-Filter kann vorteilhaft durch Kaskadieren eines an sich bekannten Phasenschieber-Elements nach Fig. 3 in zahlreichen Stufen aufgebaut werden. Das Phasenschieber-Element nach Fig. 3 hat eine Übertragungs-Charakteristik wie folgt:

Der Schaltkreis in Fig. 3 ist an sich bekannt und bedarf deshalb keiner detaillierten Beschreibung. Das Phasenschieber-Element mit der Übertragungs-Charakteristik der Gleichung (3) weist eine Fre­ quenz/Phasen-Charakteristik auf, wie sie die Fig. 4 zeigt.

In der Gleichung (3) ist der Parameter τ durch τ = R _P · C _P definiert, wobei R _P und C _P den Widerstand und die Kapazität eines Widerstandes R _P bzw. Kondensators C _P in Fig. 3 darstellt. Aus der Frequenz/ Phasen-Charakteristik der Fig. 4 kann ersehen werden, daß das Phasenschieber- Element der Fig. 3 eine Verzögerung der Phase erzeugt, die klein in einem niedrigen oder unteren Frequenzbereich ist, graduell mit der Frequenz zunimmt, und den 180 Grad Phasenwinkel bei einer infiniten Frequenz erreicht. Aus der Zeichnungsfigur ist auch zu ersehen, daß die Frequenz f₁, bei der die Verzögerung der Phase 90 Grad erreicht, durch die Gleichung f₁ = ½pt definiert ist.

Durch Kaskadieren des Phasenschieber-Elements der Fig. 3 in n-Stufen, wird eine Phasenverzögerung von n × 180 Grad an der oberen Frequenz- Grenze erreicht. Folglich kann der in den Gleichungen (1) und (2) verwendete Parameter n als die Zahl der kaskadierten Stufen des Phasenschieber-Elements der Fig. 3 interpretiert werden.

Die Fig. 6 zeigt zum Beispiel ein Allpaß-Filter für die Verwendung im Nachhall-Generator vorliegender Erfindung, in welchem das Phasenschieber- Element der Fig. 3 in zahlreichen Stufen kaskadiert vorgesehen ist. Durch das Kaskadieren des Phasenschieber-Elements in derart vielen Stufen, wird ermöglicht, eine Frequenz/Phasenverzögerungs- Charakteristik zu erreichen, in der die Verzögerung der Phase in einem niedrigen Frequenzbereich steil zunimmt, und graduell eine sehr große Konstante (n × 180°), mit ansteigender Frequenz, in einem höheren Frequenzbereich erreicht. Wie bereits beschrieben, muß die Konstante n × 180° größer als zirka 3000 Grad sein. Folglich muß der Wert von n zumindest größer als zehn Ungerade (ca. 17) oder zwanzig sein. Wie vorhergehend bereits beschrieben, fehlen bei den Nachhallen in einem Konzertsaal generell hohe Frequenz-Komponenten oberhalb einer Frequenz von ca. 4 kHz. Ferner ist bekannt, daß die Frequenz- Komponenten mit einer Frequenz über 1 kHz vom Zuhörer in Form eines Echos nicht wahrgenommen werden. Folglich produziert die Frequenz/ Verzögerungszeit-Charakteristik gemäß Fig. 2, die der Frequenz/ Phasenverzögerungs-Charakteristik gemäß Fig. 1 entspricht, nur eine kurze oder kleine Verzögerungszeit in dem über 1 kHz liegenden Frequenzbereich.

Nachfolgend wird nun eine erste Ausführungsform eines Nachhall-Ge­ nerators gemäß vorliegender Erfindung mit Bezug auf die Fig. 7 bis 9 beschrieben.

Die Fig. 7 zeigt das Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des Nachhall-Generators vorliegender Erfindung. In der Zeichnungsfigur weist die Bezugsziffer 10 auf einen Verzögerungs-Schaltkreis hin, der eine Übertragungsfunktion von e ^{-s · Δ T} für das Einbringen einer Verzögerungszeit Δ T in ein diesem zugeführtes Audio-Eingangs- hat. Der Verzögerungs-Schaltkreis 10 ist mit einem Allpaß-Filter 12 in Serie geschaltet, das eine Übertragungs-Funktion G(s) hat, wie in den Gleichungen (1) oder (2) definiert. Da nun ein Allpaß-Filter mit einer Übertragungs-Funktion nach Gleichung (2) gegenüber einem mit der Übertragungs-Funktion nach Gleichung (1) einfacher im Aufbau durch das einfache Kaskadieren der identischen Phasenschieber- Elemente der Fig. 3 ist, basiert die folgende Beschreibung auf dem Allpaß-Filter mit der Übertragungs-Funktion der Gleichung (2). Es ist jedoch anzumerken, daß die Übertragungs-Funktion des im Nach- Generator der vorliegender Erfindung verwendeten Allpaß-Filter keinesfalls auf einen nach der Gleichung (2) beschränkt ist, sondern schränkt ist, sondern auch ein Allpaß-Filter mit der Übertragungs- Funktion nach Gleichung (1) in der allgemeineren Form ebenfalls zur Verwendung kommen kann.

Ein auf die Eingangsklemme ("IN" in Fig. 7) dieses Nachhall- Generators gegebenes Audio-Eingangssignal, wird dem Verzögerungs-Kreis 10 zugeführt, wodurch das Audio-Signal um die Verzögerungszeit Δ T verzögert und anschließend als Ausgangssignal dem Allpaß-Filter 12 zugeführt wird. Das Ausgangssignal wird gleichzeitig einem Summierungs- Knotenpunkt 18 zurückgeführt, der mit einem Eingang des Verzögerungs- Schaltkreises 10 über einen Rückkopplungs-Pfad 16 verbunden ist, der ein Dämpfungsglied 14 einschließt, wodurch eine Vielzahl Ausgangssignale, jedes gedämpft und mit einer Verzögerungszeit Δ T belegt, sequentiell produziert und diesem Allpaß-Filter 12 zugeführt werden. Vorteilhaft ist hier, daß das Allpaß-Filter 12 den in der Fig. 6 gezeigten Phasenschieber-Schaltkreis nutzt. Ein Audio- Ausgangssignal liegt an der Ausgangsklemme ("OUT" in Fig. 7), die mit dem Ausgang des Allpaß-Filters 12 verbunden ist. Der Rückkopplungs- Pfad 16 und der Verzögerungs-Schaltkreis 10 kann aus an sich bekannten Elementen aufgebaut sein, so daß sich Beschreibungen hierzu erübrigen. Die mit den Elementen 10, 14 und 16 aufgebaute Schaltungs-Anordnung ist nicht anderes als eine herkömmliche Nach­ hall-Generator-Schaltung. Folglich hat der in der Fig. 7 gezeigte Nachhall-Generator den Vorteil, daß dieser sehr einfach durch die Verbindung des Allpaß-Filters 12, welches die Charakteristiken der Fig. 1 und 2 aufweist, mit einer bereits existierenden herkömmlichen Nachhall-Generator-Schaltung aufgebaut werden kann.

Die Fig. 8 zeigt die Impuls-Charakteristik des Schaltungsteils des Nachhall-Generators, bestehend aus den Schaltkreisen 10, 14 und 16. Ansprechend auf einen Eingangsimpuls, produziert der Verzögerungs- Schaltkreis einen Ausgangsimpuls a₁ am Ausgang mit einer Verzögerungszeit Δ T. Dieser Ausgangsimpuls a₁ wird über den Rückkopplungs- Pfad 16 zum Eingang des Verzögerungs-Schaltkreises 10 zurückgeführt, wodurch eine vorbestimmte Dämpfung auf den Impuls a₁ in Übereinstimmung mit der Übertragungs-Funktion K gegeben wird. Daraus resultiert, daß ein zweiter, in der Höhe reduzierter Impuls a₂ am Ausgang des Verzögerungs-Schaltkreises 10 erscheint, der eine Verzögerungszeit Δ T hat. Dieser Vorgang wiederholt sich, und eine Serie exponentiell gedämpfter Impulse mit einem Intervall von Δ T wird damit wiederholt produziert. Die Operation, oder der soweit beschriebene Ablauf, ist identisch mit dem des herkömmlichen Nachhall- Generators.

Die Serie der Impulse a₁, a₂, a₃, a₄, a₅, . . ., wird dem Allpaß- Filter 12 zugeführt. Wie bereits beschrieben, ist das Allpaß-Filter nicht ein einfaches, an sich bekanntes Phasenschieber-Element, sondern ein mittels des in Fig. 3 gezeigten Phasenschieber-Elements in Kaskadenform in zahlreichen Stufen aufgebautes Element.

Das Allpaß-Filter 12 bringt eine Dispersion in das Spektrum des zugeführten Eingangssignals ein, und produziert ein Ausgangssignal mit einer Wellenform ähnlich der durch Reflexionen an den jeweiligen Wänden oder dem Boden eines Konzertsaales geformten Wellenform. Für diese Zwecke muß das Allpaß-Filter-Element eine Frequenz/ Phasenverzögerungs-Charakteristik haben, die die Phasen-Verzögerung derart bewirkt, daß diese Verzögerung mit der Frequenz in einem unteren Frequenzbereich steil zunimmt, und sich einer sehr großen Konstante in einem höheren Frequenzbereich annähert, die in diesem höheren Frequenzbereich zumindest größer als 3000 Grad ist.

Folglich produziert das Allpaß-Filter-Element eine Serie von Signalen, die eine Dispersion im Spektrum haben, wie es in den Fig. 9(B) bis (E) dargestellt ist. Die Amplitude der Signale in den Fig. 9(B) bis 9(E) entspricht der Amplitude der Impulse a₁, a₂, a₃, a₄ und a₅. Demzufolge erzeugt der Nachhall-Generator ein Audio- Ausgangssignal, das eine Überlagerung der in den Fig. 9(B) bis 9(E) dargestellten Signale darstellt. Dieses Audio-Ausgangssignal des Nachhall-Generators hat eine extrem komplexe Wellenform, eine Dar- dieser Wellenform ist ausgelassen.

Die in der Fig. 9(A) gezeigten Impulse a₁, a₂, a₃, a₄, a₅, . . ., entsprechen den mehrfachen Reflexionen einer Klang- oder Schallwelle in einem Konzertsaal. Folglich simulieren die Signale in den Fig. 9(B) bis (E) die Nachhalle, die durch die Dispersion der reflektierten Klangimpulse an den Wänden oder dem Boden des Konzertsaales er- werden. Mit anderen Worten kann der Nachhall-Generator der Fig. 7 Effekt mehrfacher Reflexionen in einem Konzertsaal simulieren. Ferner kann der Nachhall-Generator das Empfinden der Größe oder Dimension eines Konzertsaales vermitteln, indem die Verzögerungszeit Δ T erhöht oder vermindert wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, einen außergewöhnlichen oder eher unüblichen Effekt absichtlich durch Unterdrückung der Dispersion zu bewirken, wodurch die individuellen Sounds entsprechend der Fig. 9(B) bis 9(E) durch das menschliche Gehör aufgelöst oder zerlegt werden.

Die Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des Nachhall-Generators der vorliegenden Erfindung. Der in der Zeichnungsfigur dargestellte Verzögerungs-Schaltkreis 20 hat eine Übertragungs- Funktion von e ^{-s · Δ T} , und ist in Serie mit einem Allpaß-Filter 22 geschaltet, der eine in den Gleichungen (1) oder (2) definierte Übertragungs- Funktion aufweist. In der nun folgenden Beschreibung wird angenommen, daß das Allpaß-Filter-Element 22 eine Übertragungs-Funktion nach Gleichung (2) hat, da es durch Kaskadierung identischer, in der Fig. 3 dargestellter Phasenschieber-Elemente eines sehr einfachen Aufbau hat. Dies bedeutet jedoch nicht eine Beschränkung auf die Ausführungsform mit der Übertragungs-Funktion nach Gleichung (2) allein, es kann vielmehr auch die Übertragungs-Funktion nach Gleichung (1) für das Allpaß-Filter zur Verwendung kommen. Ferner ist ein Rückkopplungs-Pfad 26 vorgesehen, welcher ein Dämpfungsglied 24 einschließt, so daß ein Ausgangssignal des Allpaß-Filters 22 über diesen Rückkopplungs-Pfad 26 und das Dämpfungsglied 24 zu einem Summierungs- Knotenpunkt 28 zurückgeführt werden kann, der mit einem Eingang des Verzögerungs-Schaltkreises 20 verbunden ist.

Ein dem Eingang ("IN" in Fig. 10) des Nachhall-Generators zugeführtes Audio-Eingangssignal wird auf den Eingang des Verzögerungs-Schaltkreises gegeben, womit dieses Eingangssignal um eine Verzögerungszeit Δ T verzögert wird, die durch die Übertragungs-Funktion e ^{-s · Δ T} des Verzögerungs-Schaltkreises vorgegeben ist. Ein so ausgebildetes Ausgangssignal des Verzögerungs-Schaltkreises wird dem Allpaß-Filter 22 zugeführt, wo das Signal der Dispersion in Übereinstimmung mit der Übertragungs-Funktion G(s) nach Gleichung (2) ausgesetzt wird, indem die Phase des Eingangssignals in der Weise verzögert wird, daß die Phasen-Verzögerung mit der Frequenz in einem niedrigen Frequenzbereich steil zunimmt, und dann graduell eine sehr große Konstante von mehr als 3000 Graden in einem höheren Frequenzbereich erreicht. Ein so vom Allpaß-Filter 22 erzeugtes Audio-Ausgangssignal wird der Ausgangsklemme ("OUT" in Fig. 10) des Nachhall-Generators zugeführt.

Das Ausgangssignal des Allpaß-Filters 22 wird gleichzeitig auch vom Ausgang des Allpaß-Filters 22, über Rückkopplungs-Pfad 26 und Dämpfungsglied 24, dem Verzögerungs-Schaltkreis 20 wieder zugeführt. Damit passiert das Audio-Eingangssignal wiederholt den Signalpfad, der sich vom Ausgang des Verzögerungs-Schaltkreises 20 durch den Allpaß- Filter 22, den Rückkopplungs-Pfad 26 und das Dämpfungsglied 24 erstreckt.

Der Nachhall-Generator der Fig. 10 hat eine Gesamt-Übertragungs- Funktion H(s), wie in der folgenden Gleichung dargestellt:

worin G(s) die durch die Gleichung (2) definierte Übertragungs- Funktion ist.

Durch Expandierung der Gleichung (4) kann H(s) wie folgt umgeschrieben werden:

Die Fig. 11(A) bis (D) zeigen beispielhaft eine Impuls-Charakteristik des Nachhall-Generators der Fig. 10. Wenn ein Impuls nach Fig. 11(A) vom dem Eingang IN dem Verzögerungs-Schaltkreis zugeht, wird dieser Impuls durch eine Zeit Δ T verzögert und dem Allpaß-Filter 22 zugeführt. Das Allpaß-Filter-Element 22 gibt eine Dispersion auf das eingehende Signal vom Verzögerungs-Schaltkreis 20 in Übereinstimmung mit der Übertragungs-Funktion G(s), und erzeugt eine in Fig. 11(B) gezeigte Ausgangssignal-Wellenform. Das Ausgangssignal vom Allpaß-Filter 22 mit der Wellenform nach Fig. 11(B) wird dann über den Rückkopplungs-Pfad 26 dem Eingang des Verzögerungs-Schaltkreises wieder zugeführt, wobei das Rückkopplungs-Signal durch das Dämpfungsglied 24 gedämpft und wieder dem Allpaß-Filter 22 mit einer zusätzlichen (addierten) Verzögerungszeit Δ T zugeführt wird. Danach gibt das Allpaß-Filter-Element auf das bereits durch T gemäß der Übertragungs-Funktion verzögerte Signal die Dispersion auf. Die Ausgangssignal-Wellenform entspricht nun der der Fig. 11(C). Dieses Ausgangssignal des Allpaß-Filters 22 mit der Wellenform nach Fig. 11(C) wird nun wieder auf den Eingang des Verzögerungs-Schaltkreises 20 über den Rückkopplungs-Pfad zurückgeführt, wobei dieses Rückkopplungs-Signal wiederum vom Dämpfungsglied 24, wie vorhergehend, gedämpft wird. Somit produziert dann das Allpaß-Filter-Element 22 eine Ausgangssignal-Wellenform, wie sie in der Fig. 11(D) gezeigt ist. Dieser Vorgang wiederholt sich danach noch mehrere Male.

Die Ausgangssignal-Wellenform der Fig. 11(B), (C) bzw. (D) entsprechen dem ersten, zweiten und dritten Glied der Gleichung (5), d. h. e ^{-s · Δ T} · G(s), K · e ^{-2s · Δ T} · G(s)² und K² · e ^{-3s · Δ T} · G(s)³. Diese Ausgänge werden durch die Verzögerungszeiten Δ T, 2Δ T bzw. 3Δ T verzögert, und darüberhinaus wird der durch die Übertragungs-Funktion G(s) definierte Dispersions-Effekt bei jeder die höhere Kraft auf G(s) gebenden Reflektion erhöht. Mit anderen Worten, G(s)² oder G(s)³ bedeutet, daß der Effekt von G(s) verdoppelt, verdreifacht usw. wird, d. h., die Ausgangssignale entsprechen den mehrfachen Reflexionen in einem Konzertsaal. Im aktuellen Konzertsaal werden diese Nachhalle oder indirekten Sounds jedes Mal der Dispersion unterworfen, wenn sie von den Wänden oder dem Boden reflektiert werden. Die in den Fig. 11(B) bis (D) gezeigten Wellenformen simulieren die in dem aktuellen Konzertsaal entstehenden Nachhalle wesentlich enger als die in den Fig. 9(B) bis (E) gezeigten Signal-Wellenformen. Es ist hierzu anzumerken, daß ein solches bevorzugtes Merkmal mit einem Allpaß- Filter 22 innerhalb des Feedback-Pfades 26 erzielt werden kann.

Ein anderer Vorteil mit dem Allpaß-Filter 22 im Feedback-Pfad 26 ist der, daß man eine extrem weit gestreute Dispersion im Spektrum eines Ausgangssignals durch wiederholte Rückkopplung des bereits eine Dispersion im Signalspektrum aufweisenden Ausgangssignals erzielen kann. Folglich kann man hierdurch einen Rückkopplungs-Pfad voll ausnutzen, um einen sehr lebendigen und lang anhaltenden Nachhall zu erreichen.

Ferner kann der Nachhall-Generator gemäß Fig. 10 einen Eindruck der Dimension oder Größe des Konzertsaales vermitteln, indem die Verzögerungszeit Δ T dementsprechend eingestellt wird. Auch kann dieser Nachhall- Generator einen außergewöhnlichen Nachhall-Effekt produzieren, indem zum Beispiel die Dispersion unterdrückt wird.

Der Nachhall-Generator vorliegender Erfindung kann mit den verschiedensten elektrischen klang-reproduzierenden Systemen und elektrischen Musikinstrumenten verbunden werden. In der Fig. 12 ist zum Beispiel ein Blockschaltbild eines Mehrkanal-Reproduktionssystems gezeigt, wie es die US-Patentanmeldung No. 8 67 234 offenbart. Dieses Reproduktionssystem verstärkt die Audio-Eingangssignale eines rechten und linken Kanals, die auf die Eingangsklemmen 30 a und 30 b über einen rechten und linken Vorverstärker 32 a bzw. 32 b, und einen rechten und linken Hauptverstärker 34 a bzw. 34 b gegeben werden, und die direkten Sounds oder Klänge von dem rechten und linken Lautsprecher direkt abstrahlen. Die Bezugsziffern 38 a und 38 b weisen auf Allpaß-Filter hin, die eine in der Gleichung (1) oder (2) definierte Übertragungs-Funktion aufweisen, die für das Auftragen einer Dispersion auf die einkommenden Eingangssignale verwendet werden, wobei diese Signale Subkanal- Audiosignale sind. Diese Subkanal-Audiosignale werden durch rechte und linke Subkanal-Hauptverstärker 40 a, 40 b verstärkt und dann über einen rechten und einen linken Sub-Lautsprecher 42 a bzw. 42 b als indirekte Klänge, Sounds oder Nachhalle ausgestrahlt. Bei Verwendung des in den Fig. 6 oder 10 gezeigten Nachhall-Generators anstelle der Allpaß-Filter 38 a und 38 b, war festzustellen, daß ein unerwarteter Effekt, zusätzlich zu der Verstärkung der Nachhalle und Verbesserung der Präsenz, einschließlich des Effekts der mehrfachen Reflexion erzielt werden kann, wie nachfolgend erläutert wird.

Die Fig. 13 zeigt in Draufsicht eine Lautsprecher-Anordnung in einem Raum, in welchem ein Mehrkanal-Reproduktionssystem der Fig. 12 installiert ist. Der rechte und der linke Hauptlautsprecher 36 a und 36 b sind jeweils so angeordnet, daß sie den entsprechenden Sub- Lautsprechern 42 a und 42 b gegenüber in den Raum abstrahlen. Der Zuhörer befindet sich in der Mitte zwischen den Haupt- und Sub-Lautsprechern. In der vorerwähnten US-Patentanmeldung 8 67 234 ist der Versatzwinkel R der Sub-Lautsprecher 42 a und 42 b im Verhältnis zu den gegenüberliegenden Hauptlautsprechern 36 a und 36 b auf einen Bereich von 30 Grad eingeschränkt, um eine zufriedenstellende Präsenz zu erreichen. Es wurde jedoch festgestellt, daß bei Verwendung eines Nachhall-Generators vorliegender Erfindung wie in den Fig. 6 oder 9 offenbart, anstelle der Allpaß-Filter 38 a und 38 b eine zufriedenstellende Präsenz erzielt werden kann, auch wenn der Versatzwinkel der Sub-Lautsprecher 42 a und 42 b zu den gegenüberliegend angeordneten Haupt-Lautsprechern 36 a und 36 b 90 Grad oder darüber ist. Dies erhöht den Freiheitsgrad der Lautsprecher-Anordnung in einem Raum ganz erheblich.

Ferner soll darauf hingewiesen werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern verschiedene Varianten und Modifizierungen möglich sind, die alle im Bereich der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet werden.

Claims (8)

1. Nachhall-Generator, der auf ein Audio-Eingangssignal zur Erzeugung einer Vielzahl Nachhalle anspricht, und wobei jeder Nachhall eine Dispersion im Signalspektrum aufweist, bestehend aus einer Verzögerungs-Anordnung für die Verzögerung des Audio-Eingangssignals, und Rückkopplungs-Pfaden für das wiederholte Rückkoppeln eines Ausgangssignals der Verzögerungsanordnung vom Ausgang zum Ein- derselben, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachhall-Generator aus einer Phasenschieber-Anordnung (12, 22) besteht, die für das Einbringen einer Dispersion in das Eingangssignal­ spektrum in Serie mit der Verzögerungsanordnung geschaltet ist, und die Phasenschieber-Anordnung eine Frequenz/Verzögerungszeit- Charakteristik aufweist, die zu dem Eingangssignal zur Phasenschieber- Anordnung eine Zeitverzögerung addiert, die in einem niedrigen Frequenzbereich groß, und in einem höheren Frequenzbereich klein ist, wobei die Vielzahl Nachhalle dadurch erzeugt wird, indem das Audio-Eingangssignal wiederholt durch die Verzögerungsanordnung und Phasenschieber-Anordnung über die Feedback-Pfadanordnung (16, 26) geführt wird, wodurch das Signalspektrum jedes Nachhalls zusammen mit der Dispersion jeweils dann aufgegeben wird, wenn das Audio-Eingangssignal durch die Phasenschieber-Anordnung passiert.

2. Nachhall-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber-Anordnung (12, 22) eine Frequenz/ Phasenverzögerungs-Charakteristik aufweist, die der Frequenz/ Verzögerungs-Charakteristik entspricht, in der die Verzögerung in der Phase mit der Frequenz im niedrigen Frequenzbereich steil zunimmt und graduell eine sehr große Konstante erreicht, die zumindest größer als etwa 3000 Grad im höheren Frequenzbereich ist.

3. Nachhall-Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber-Anordnung (12, 22) ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Verzögerungszeit größer als 100 msec in einem niedrigen Frequenzbereich von substantiell weniger als 50 Hz hat, während in einem höheren Frequenzbereich von substantiell mehr als zirka 4 kHz die Verzögerungszeit virtuell auf Null reduziert wird.

4. Nachhall-Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber-Anordnung (12, 22) sich aus einer Vielzahl identischer Phasenschieber-Schaltungen derart zusammensetzt, daß zumindest siebzehn oder mehr der Phasenschieber-Schaltungen eine kaskadierte Verbindung bilden, wobei jede dieser Phasenschieber- Schaltungen eine Übertragungs-Funktion hat, im wesentlichen dargestellt durch: worin τ eine Zeitkonstante, und s ein Laplace-Operator ist.

5. Nachhall-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber-Anordnung (12) in Serie mit einem Schaltkreisteil verbunden ist, bestehend aus der Verzögerungs- Anordnung (10) und der Rückkopplungs-Anordnung (16) für das Zurückführen des Ausgangssignals der Verzögerungsanordnung vom Ausgang zum Eingang Verzögerungs-Anordnung, wodurch das Spektrum des Audio-Eingangssignals durch die Phasenschieber-Anordnung jeweils einmal der Dispersion ausgesetzt wird, wenn es den Nachhall-Generator passiert.

6. Nachhall-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber-Anordnung (22) in der Rückkopplungs- Anordnung (26) für das Rückführen des Ausgangssignals der Verzögerungs-Anordnung (20) von deren Ausgang zum Eingang der Verzö­ gerungsanordnung in der Weise angeordnet ist, daß die Phasenschieber- Anordnung in Serie mit der Verzögerungs-Anordnung liegt, um die Dispersion wiederholt bei jedem Durchgang auf das Audio-Eingangssignal zu geben, wenn dieses die Verzögerungs-Anordnung passiert.

7. Nachhall-Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber-Anordnung (22) mit dem Ausgang der Verzögerungs-Anordnung (20) verbunden ist, die Rückkopplungs- Pfade (26) sich vom Ausgang der Verzögerungs-Anordnung zum Eingang der Verzögerungs-Anordnung über die Phasenschieber-Anordnung erstrecken, und die Vielzahl der Nachhalle am Ausgang der Phasenschieber- Anordnung anliegen.

8. Nachhall-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungs-Pfade (16, 26) eine Dämpfungsglied- Anordnung (14, 24) für die Dämpfung des Ausgangssignals der Verzögerungs-Anordnung (10, 20) im Rückkopplungs-Pfad vom Ausgang zum Eingang der Verzögerungs-Anordnung einschließt, wobei die Dämpfung durch die Dämpfungsglieder bewirkt und die zeitliche Verzögerung durch die Verzögerungs-Anordnung eingebracht wird, und die Frequenz/ Verzögerungszeit-Charakteristik der Phasenschieber-Anordnung (12, 22) von einem Benutzer einstellbar ist.