EP2469892A1 - Reproduction of a sound field in a target sound area - Google Patents

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EP2469892A1
EP2469892A1 EP10176848A EP10176848A EP2469892A1 EP 2469892 A1 EP2469892 A1 EP 2469892A1 EP 10176848 A EP10176848 A EP 10176848A EP 10176848 A EP10176848 A EP 10176848A EP 2469892 A1 EP2469892 A1 EP 2469892A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sound field
drive signal
sound
target
reproduced
Prior art date
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Ceased
Application number
EP10176848A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jens Ahrens
Sascha Spors
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Berlin
Deutsche Telekom AG
Original Assignee
Technische Universitaet Berlin
Deutsche Telekom AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Berlin, Deutsche Telekom AG filed Critical Technische Universitaet Berlin
Priority to EP10176848A priority Critical patent/EP2469892A1/en
Publication of EP2469892A1 publication Critical patent/EP2469892A1/en
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S7/00—Indicating arrangements; Control arrangements, e.g. balance control
    • H04S7/30—Control circuits for electronic adaptation of the sound field
    • H04S7/302—Electronic adaptation of stereophonic sound system to listener position or orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S7/00—Indicating arrangements; Control arrangements, e.g. balance control
    • H04S7/30—Control circuits for electronic adaptation of the sound field
    • H04S7/302—Electronic adaptation of stereophonic sound system to listener position or orientation
    • H04S7/303—Tracking of listener position or orientation

Definitions

  • the present invention relates to the reproduction or reconstruction of a sound field in a target sound area with the aid of a plurality of electroacoustic transducers.
  • the technique of wave field synthesis can be used for the authentic physical reconstruction of a sound field over a wide range.
  • This technique uses a large number of loudspeakers and thereby avoids the problem that in an area within the loudspeaker arrangement, the so-called "sweet spot", the reconstruction of the desired sound field is significantly more accurate than in the rest of the audible range, as is the case for example with the stereo.
  • Technique occurs.
  • stereo methods not a sound field is physically reconstructed. Instead, two speakers create an illusion that sounds very similar to the natural model, but has completely different physical properties. In stereo, there is a sweet spot in that the illusion sounds most authentic at this point.
  • the loudspeaker drive signals for the individual loudspeakers in the wave field synthesis are calculated analytically. In the practical implementation, however, there are large deviations from the desired sound field over the entire potential listening area.
  • the technique of wave field synthesis is for example in the publication by S. Spors, R. Rabenstein, and J. Ahrens, "The Theory of Wave Field Synthesis Revisited," Proceedings of the 124th Convention of the Audio Engineering Society, May 17-20, Amsterdam, The Netherlands, 2008 described.
  • Ambisonics Another known technique for reconstruction of a sound field is called Ambisonics and is for example in the WO 2005/0195954 A2 described.
  • This technique requires circular or spherical arrangements of loudspeakers, where the loudspeaker signals are generated using numerical algorithms.
  • the limitation of the spatial bandwidth of the drive signals necessary in the calculation path causes the reconstruction of the desired sound field in the center of the loudspeaker arrangement to be most accurate. In the center of the loudspeaker arrangement is therefore a sweet spot. With increasing Distance from the center of the speaker assembly, the deviations in the reconstructed sound field are larger.
  • J. Hannemann and KD Donohue "Virtual Sound Source Rendering Using a Multipole Expansion and Method-of-Moments Approach," J.
  • Audio Eng. Soc., Vol. 56, No. 6, June 2008 describes a method related to the Ambisonics method, which makes it possible to choose relatively freely the arrangement of the loudspeakers and the location of the sweet spot. Again, the loudspeaker signals are calculated using numerical and thus very computationally intensive algorithms.
  • the arrangement of the speakers should be subject to as few restrictions as possible.
  • the present invention provides a method and a device for reproducing a sound field in a target sound area.
  • electroacoustic transducers so speakers are arranged on a contour.
  • a drive signal for the electroacoustic transducer is determined analytically.
  • this analytical determination results in a resulting sound field, which exactly corresponds to the sound field to be reproduced below a certain frequency, also called aliasing frequency. Above this aliasing frequency, deviations from the target sound field occur depending on the location, and there is no area in which significantly fewer deviations occur than elsewhere. This is inherent in the analytical determination.
  • the analytical determination can be achieved according to a known method by analytically solving an integral equation describing the sound field to be reproduced.
  • the desired sound field is thus described in a spatial frequency range.
  • the loudspeaker activation signals via the explicit solution of the integral equation, which is described in more detail below.
  • the loudspeaker drive signals can be obtained via the relationships of the Kirchhoff-Helmholtz integral (as in wave field synthesis).
  • the determined drive signal is changed in such a way that an optimization range arises in which the resulting sound field corresponds to the sound field to be reproduced significantly more accurately, as this would be the case without the change of the drive signal.
  • This change is made by spatial band limitation.
  • the band limitation does not have to be performed symmetrically around the frequency 0, but can be configured as desired.
  • the target sonic range with increased accuracy may be fixed, but it may also be changed depending on the position of a receiver. In the latter case, the change of the drive signal then preferably takes place in real time. For example, this method can then be used to determine a position of a receiver within the target sounding area and then to change the control signal in such a way that the desired position is adjusted accordingly.
  • the changed drive signal is supplied to the electroacoustic transducers.
  • the converters convert the input electrical signals into sound signals, and emit them into the target PA range.
  • the present invention also provides an apparatus for reproducing a sound field in a target sound area.
  • the device has a plurality of arranged on a contour electro-acoustic transducer and a processing module.
  • the processing module is able to analytically determine from signals about the desired position and audio input signals a drive signal for the electroacoustic transducers and to change the drive signal such that an optimization range is created in which the resulting sound field corresponds more closely to the sound field to be reproduced than without the change would be the case.
  • the range in which the resulting sound field is to most accurately correspond to the sound field to be reproduced may be shifted to a predetermined position.
  • the drive signals may further be amplified by means of an amplifier unit and supplied to the electroacoustic transducers.
  • an optimization range can be generated, from which the reproduced sound field corresponds as closely as possible to the desired sound field.
  • the optimization area in which the reconstruction of the desired sound field is most accurate, can then be shifted to a desired position.
  • the playback can be optimized to any location within the Zielbeschallungs Schemes.
  • This change in the preferred emission direction can be performed in real time so that the reproduction can be tracked, for example, to a moving receiver.
  • the determination of the location of the receiver can be carried out here by means of sensors, for example a camera.
  • the invention can be used to reproduce audio signals, in particular multi-channel audio signals.
  • the audio signals can be provided by a variety of devices, such as CD, DVD or Blu-ray Disc devices, MP3 devices, computers or the like.
  • the reproduced audio signals may be MPEG2 or MPEG4 signals, for example, or be in a Dolby format.
  • Fig. 1 schematically a device according to an embodiment of the present invention is shown.
  • a contour 11 at the edge of the Zielbeschallungs Colours 10 or in several speakers 20 are arranged.
  • the drive signals for the loudspeakers 20 are determined in a processing module 30 and supplied to the loudspeakers 20 via an amplifier unit 31.
  • the processing module 30 is fed with information 1 about the current location for which the sound reconstruction is to be optimized and audio input signals 2.
  • the processing module 30 receives a third input signal 3 which carries information about the desired sound field (eg position of the virtual sound source).
  • the drive signal is first analytically, for example according to the publication already mentioned above Ahrens and S. Spors, "Reproduction of a plane-wave sound field using planar and linear arrays of loudspeakers", IEEE Int. Symposium on Communications Control and Signal Processing, St Julian's, Malta, 12-14. March 2008 performed procedures, calculated.
  • the integral here is a surface or line integral, depending on whether the calculation is to take place in three dimensions or only in one plane.
  • D ⁇ D ⁇ ⁇ e e denotes the basis of the transformation.
  • e is given by the complex exponential function.
  • a function W representing the optimization is introduced according to the invention.
  • the loudspeaker drive signal D is not calculated in the spatial frequency range, then D can be subsequently transformed into a suitable spatial frequency range with a suitable transformation in order to apply the function W as described above.
  • the playback can be optimized to any location.
  • a sweet spot may be generated by restricting the spatial bandwidth of the driving function D.
  • Such a spatial bandwidth limitation can be carried out in real time, so that the reproduction can be tracked, for example, to a moving receiver.
  • a camera can be used to determine the position of the receiver and then optimize the playback to that position.
  • the determination of the position of the receiver can also be done by a sensor that the listener carries, for example, in his pocket with it.
  • Fig. 2 (b), (c) is shown the sound field generated by the speakers.
  • the loudspeakers are located on the dashed lines indicated linear contour at the edge of the Zielbeschallungs Colours.
  • Fig. 2 (a) is the desired sound field shown in Fig. 2 (b) the result if no optimization function W is applied. The deviations of the reconstruction from the desired sound field can be clearly seen.
  • the application of the optimization function W according to the present invention allows the accuracy of the reconstruction to be optimized in any range as in FIG Fig. 2 (c) shown.
  • the center of the optimization area is indicated by a cross. If a listener moves beyond this optimization range, the system can track the optimization so that the sound field playback is optimal for the selected receiver.
  • the invention also includes individual features in the figures, even if they are shown there in connection with other features and / or not mentioned above.

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Abstract

The method involves analytically determining a drive signal for electro-acoustic transducer corresponding to sound field which is to be reproduced in a target acoustic region below spatial aliasing frequency of sound. The drive signal is changed by spatial band-limiting, so that the sound is reproduced within a range of optimization with higher accuracy and the modified drive signal to the electro-acoustic transducer. An independent claim is included for apparatus for reproducing sound in target acoustic region.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Wiedergabe beziehungsweise die Rekonstruktion eines Schallfeldes in einem Zielbeschallungsbereich mit Hilfe mehrerer elektroakustischer Wandler.The present invention relates to the reproduction or reconstruction of a sound field in a target sound area with the aid of a plurality of electroacoustic transducers.

Zur authentischen physikalischen Rekonstruktion eines Schallfeldes über einen ausgedehnten Bereich kann die Technik der Wellenfeldsynthese verwendet werden. Diese Technik verwendet eine große Anzahl von Lautsprechern und vermeidet dadurch das Problem, dass in einen Bereich innerhalb der Lautsprecheranordnung, dem sogenannten "Sweet Spot", die Rekonstruktion des gewünschten Schallfeldes signifikant genauer ist als im Rest des Hörbereichs, wie es beispielsweise bei der Stereo-Technik auftritt. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass bei Stereoverfahren nicht ein Schallfeld physikalisch rekonstruiert wird. Es wird vielmehr mit zwei Lautsprechern eine Illusion erzeugt, die sich dem natürlichen Vorbild sehr ähnlich anhört jedoch ganz andere physikalische Eigenschaften hat. Bei Stereoverfahren gibt es einen Sweet Spot insofern, als dass sich die Illusion an diesem Punkt am authentischsten anhört.For the authentic physical reconstruction of a sound field over a wide range, the technique of wave field synthesis can be used. This technique uses a large number of loudspeakers and thereby avoids the problem that in an area within the loudspeaker arrangement, the so-called "sweet spot", the reconstruction of the desired sound field is significantly more accurate than in the rest of the audible range, as is the case for example with the stereo. Technique occurs. In this context, it should be noted that in stereo methods, not a sound field is physically reconstructed. Instead, two speakers create an illusion that sounds very similar to the natural model, but has completely different physical properties. In stereo, there is a sweet spot in that the illusion sounds most authentic at this point.

Die Lautsprecheransteuerungssignale für die einzelnen Lautsprecher bei der Wellenfeldsynthese werden analytisch berechnet. In der praktischen Realisierung kommt es jedoch zu großen Abweichungen vom gewünschten Schallfeld über den gesamten potenziellen Hörbereich. Die Technik der Wellenfeldsynthese ist beispielsweise in der Veröffentlichung von S. Spors, R. Rabenstein und J. Ahrens, "The Theory of Wave Field Synthesis Revisited", in: Proceedings of the 124th Convention of the Audio Engineering Society, May 17-20, Amsterdam, The Netherlands, 2008 beschrieben.The loudspeaker drive signals for the individual loudspeakers in the wave field synthesis are calculated analytically. In the practical implementation, however, there are large deviations from the desired sound field over the entire potential listening area. The technique of wave field synthesis is for example in the publication by S. Spors, R. Rabenstein, and J. Ahrens, "The Theory of Wave Field Synthesis Revisited," Proceedings of the 124th Convention of the Audio Engineering Society, May 17-20, Amsterdam, The Netherlands, 2008 described.

Eine andere bekannte Technik zur Rekonstruktion eines Schallfeldes wird mit Ambisonics bezeichnet und ist beispielsweise in der WO 2005/0195954 A2 beschrieben. Diese Technik erfordert kreisförmige bzw. kugelförmige Anordnungen von Lautsprechern, wobei die Lautsprechersignale mithilfe von numerischen Algorithmen generiert werden. Die im Rechenweg notwendige Beschränkung der räumlichen Bandbreite der Ansteuerungssignale bewirkt, dass die Rekonstruktion des gewünschten Schallfeldes im Zentrum der Lautsprecheranordnung am genauesten ist. Im Zentrum der Lautsprecheranordnung befindet sich daher ein Sweet Spot. Mit zunehmendem Abstand vom Zentrum der Lautsprecheranordnung werden die Abweichungen im rekonstruierten Schallfeld größer. In der Veröffentlichung von J. Hannemann und K. D. Donohue, "Virtual Sound Source Rendering Using a Multipole-Expansion and Method-of-Moments Approach", J. Audio Eng. Soc., Bd. 56, Nr. 6, Juni 2008 , wird ein dem Ambisonics-Verfahren verwandtes Verfahren beschrieben, das es ermöglicht, die Anordnung der Lautsprecher und den Ort des Sweet Spot relativ frei zu wählen. Auch hier werden die Lautsprechersignale mit numerischen und somit sehr rechenintensiven Algorithmen berechnet.Another known technique for reconstruction of a sound field is called Ambisonics and is for example in the WO 2005/0195954 A2 described. This technique requires circular or spherical arrangements of loudspeakers, where the loudspeaker signals are generated using numerical algorithms. The limitation of the spatial bandwidth of the drive signals necessary in the calculation path causes the reconstruction of the desired sound field in the center of the loudspeaker arrangement to be most accurate. In the center of the loudspeaker arrangement is therefore a sweet spot. With increasing Distance from the center of the speaker assembly, the deviations in the reconstructed sound field are larger. In the publication by J. Hannemann and KD Donohue, "Virtual Sound Source Rendering Using a Multipole Expansion and Method-of-Moments Approach," J. Audio Eng. Soc., Vol. 56, No. 6, June 2008 describes a method related to the Ambisonics method, which makes it possible to choose relatively freely the arrangement of the loudspeakers and the location of the sweet spot. Again, the loudspeaker signals are calculated using numerical and thus very computationally intensive algorithms.

Mit Erweiterungen von Ambisonics, beispielsweise der als Higher Order Ambisonics bezeichneten Technik, kann in Verbindung mit einer analytischen Berechnung der Lautsprecheransteuerungssignale ein effizienteres Verfahren bereitgestellt werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der Veröffentlichung von J. Ahrens und S. Spors, "Analytical driving functions for higher order Ambisonics", in: IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Las Vegas, Nevada, 30. März bis 4. April 2008 beschrieben. Auch gemäß dem dort beschriebenen Verfahren stimmt jedoch das resultierende wiedergegebene Schallfeld umso schlechter mit dem gewünschten Schallfeld überein, je weiter man sich vom Zentrum der Anordnung entfernt. Es existiert also wiederum ein Sweet Spot im Zentrum der Lautsprecheranordnung. Im Patent EP08167919 wird ein dem Higher Order Ambisonics verwandtes Verfahren beschrieben, dass es ermöglicht, einen Sweet Spot beliebig innerhalb der gegebenen Anordnung der elektroakustischen Wandler zu platzieren. Dieses Verfahren erfordert jedoch, dass die Anordnung der elektroakustischen Wandler den Zielbeschallungsbereich umgibt bzw. annähernd umgibt, wie es z.B. bei kugelförmigen oder kreisförmigen Anordnungen der Fall ist. In der Veröffentlichung von

Figure imgb0001
M. Kolundija, C. Faller und M. Vetterli, "Sound Field Reconstruction: An Improved Approach For Wave Field Synthesis", in: 126th Convention of the AES, München, Deutschland, 7. bis 10. Mai 2009 wird ein numerisches Verfahren beschrieben, welches lineare Lautsprecheranordnungen verwendet und die Wiedergabe auf einer Kontur parallel zur Lautsprecheranordnung optimiert. Dabei entsteht ein Vorzugsabstrahlsektor, der die Optimierungskontur beinhaltet, in dem die Genauigkeit der Wiedergabe erhöht ist. Auch in diesem Verfahren werden die Lautsprechersignale mit numerischen und somit sehr rechenintensiven Algorithmen berechnet.With enhancements by Ambisonics, such as the technique called Higher Order Ambisonics, a more efficient method can be provided in conjunction with analytic calculation of the speaker drive signals. Such a method is for example in the publication by J. Ahrens and S. Spors, "Analytical driving functions for higher order Ambisonics", in: IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Las Vegas, Nevada, March 30 to April 4, 2008 described. However, according to the method described there, the resulting reproduced sound field agrees even worse with the desired sound field, the further one moves away from the center of the arrangement. So again there is a sweet spot in the center of the loudspeaker arrangement. In the patent EP08167919 there is described a method related to the Higher Order Ambisonics that allows a sweet spot to be placed arbitrarily within the given array of electroacoustic transducers. However, this method requires that the arrangement of the electro-acoustic transducers surround or approximately surround the target sound area, as is the case, for example, with spherical or circular arrangements. In the publication of
Figure imgb0001
M. Kolundija, C. Faller and M. Vetterli, "Sound Field Reconstruction: An Improved Approach to Wave Field Synthesis", in: 126th Convention of the AES, Munich, Germany, May 7 to 10, 2009 For example, a numerical method is described which uses linear speaker assemblies and optimizes playback on a contour parallel to the speaker assembly. This results in a preferred emission sector that includes the optimization contour in which the accuracy of the reproduction is increased. Also in this method, the loudspeaker signals are calculated using numerical and thus very computationally intensive algorithms.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Verfahren und eine Vorrichtung zur Wiedergabe eines Schallfeldes bereitzustellen, wobei ein Sweet Spot bzw. ein Bereich mit signifikant erhöhter physikalischer Genauigkeit entsteht. Die Anordnung der Lautsprecher soll hierbei möglichst wenig Einschränkungen unterliegen. Insbesondere ist erwünscht, dass die Anordnung der verwendeten elektroakustischen Wandler den Zielbeschallungsbereich nicht umschließen muss.It is therefore an object of the present invention to provide an efficient method and apparatus for reproducing a sound field, which produces a sweet spot or area with significantly increased physical accuracy. The arrangement of the speakers should be subject to as few restrictions as possible. In particular, it is desirable that the arrangement of the electroacoustic transducers used need not enclose the target PA range.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.This object is achieved with the features of the claims.

Mit der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wiedergabe eines Schallfeldes in einem Zielbeschallungsbereich bereitgestellt. Hierfür werden auf einer Kontur elektroakustische Wandler, also Lautsprecher, angeordnet. Zunächst wird ein Ansteuersignal für die elektroakustischen Wandler analytisch bestimmt. Bei dieser analytischen Bestimmung ergibt sich ein resultierendes Schallfeld, das dem wiederzugebenden Schallfeld unterhalb einer bestimmten Frequenz, auch Aliasing-Frequenz genannt, genau entspricht. Oberhalb dieser Aliasing-Frequenz treten ortsabhängig Abweichungen zum Zielschallfeld auf, wobei es keinen Bereich gibt, in dem signifikant weniger Abweichungen auftreten als anderswo. Dies ist der analytischen Bestimmung inhärent. Die analytische Bestimmung kann gemäß einem bekannten Verfahren durch analytisches Lösen einer Integralgleichung erreicht werden, die das wiederzugebende Schallfeld beschreibt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der Veröffentlichung J. Ahrens und S. Spors, "Reproduction of a plane-wave sound field using planar and linear arrays of loudspeakers", IEEE Int. Symposium on Communications Control and Signal Processing, St. Julians, Malta, 12.-14. März 2008 beschrieben. Zur Lösung dieser Integralgleichung, die ein Oberflächen- oder Linienintegral über das Ansteuerungssignal der elektroakustischen Wandler und die Übertragungsfunktion der elektroakustischen Wandler ist, können die Komponenten der Integralgleichung in einen transformierten Bereich überführt werden, beispielsweise mittels einer Fouriertransformation.The present invention provides a method and a device for reproducing a sound field in a target sound area. For this purpose, electroacoustic transducers, so speakers are arranged on a contour. First, a drive signal for the electroacoustic transducer is determined analytically. In this analytical determination results in a resulting sound field, which exactly corresponds to the sound field to be reproduced below a certain frequency, also called aliasing frequency. Above this aliasing frequency, deviations from the target sound field occur depending on the location, and there is no area in which significantly fewer deviations occur than elsewhere. This is inherent in the analytical determination. The analytical determination can be achieved according to a known method by analytically solving an integral equation describing the sound field to be reproduced. Such a method is for example in the publication J. Ahrens and S. Spors, "Reproduction of a plane-wave sound field using planar and linear arrays of loudspeakers", IEEE Int. Symposium on Communications Control and Signal Processing, St Julian's, Malta, 12-14. March 2008 described. To solve this integral equation, which is a surface or line integral via the drive signal of the electroacoustic transducer and the transfer function of the electroacoustic transducer, the components of the integral equation can be converted into a transformed region, for example by means of a Fourier transformation.

Ausgehend von einer Integralgleichung wird das gewünschte Schallfeld also in einem räumlichen Frequenzbereich beschrieben. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, die Lautsprecheransteuerungssignale dann über die explizite Lösung der Integralgleichung zu gewinnen, was wie im Folgenden näher beschrieben wird. Alternativ können die Lautsprecheransteuerungssignale über die Zusammenhänge des Kirchhoff-Helmholtz-Integrals (wie bei Wellenfeldsynthese) gewonnen werden.Starting from an integral equation, the desired sound field is thus described in a spatial frequency range. In this case, it is possible according to the invention to obtain the loudspeaker activation signals via the explicit solution of the integral equation, which is described in more detail below. Alternatively, the loudspeaker drive signals can be obtained via the relationships of the Kirchhoff-Helmholtz integral (as in wave field synthesis).

Das ermittelte Ansteuerungssignal wird derart geändert, dass ein Optimierungsbereich entsteht, in dem das resultierende Schallfeld dem wiederzugebenden Schallfeld signifikant genauer entspricht, als dies ohne die Änderung des Ansteuerungssignals der Fall wäre. Diese Änderung erfolgt durch räumliche Bandbegrenzung. Dabei muss die Bandbegrenzung nicht symmetrisch um die Frequenz 0 ausgeführt werden, sondern kann beliebig gestaltet sein. Der Zielbeschallungsbereich mit erhöhter Genauigkeit kann fest sein, er kann aber auch je nach Position eines Empfängers verändert werden. Im letzteren Fall erfolgt die Änderung des Ansteuerungssignals dann vorzugsweise in Echtzeit. Beispielsweise kann mit diesem Verfahren dann eine Position eines Empfängers innerhalb des Zielbeschallungsbereichs bestimmt werden und das Ansteuerungssignal dann derart geändert werden, dass die gewünschte Position entsprechend nachgeführt wird.The determined drive signal is changed in such a way that an optimization range arises in which the resulting sound field corresponds to the sound field to be reproduced significantly more accurately, as this would be the case without the change of the drive signal. This change is made by spatial band limitation. The band limitation does not have to be performed symmetrically around the frequency 0, but can be configured as desired. The target sonic range with increased accuracy may be fixed, but it may also be changed depending on the position of a receiver. In the latter case, the change of the drive signal then preferably takes place in real time. For example, this method can then be used to determine a position of a receiver within the target sounding area and then to change the control signal in such a way that the desired position is adjusted accordingly.

Das geänderte Ansteuerungssignal wird den elektroakustischen Wandlern zugeführt. Die Wandler wandeln die eingespeisten elektrischen Signale in Schallsignale um, und strahlen diese in den Zielbeschallungsbereich ab.The changed drive signal is supplied to the electroacoustic transducers. The converters convert the input electrical signals into sound signals, and emit them into the target PA range.

Ferner wird mit der vorliegenden Erfindung auch eine Vorrichtung zur Wiedergabe eines Schallfeldes in einem Zielbeschallungsbereich bereitgestellt. Die Vorrichtung weist mehrere auf einer Kontur angeordnete elektroakustische Wandler und ein Verarbeitungsmodul auf. Das Verarbeitungsmodul ist in der Lage, aus Signalen über die gewünschte Position und Audioeingangssignalen ein Ansteuerungssignal für die elektroakustischen Wandler analytisch zu bestimmen und das Ansteuerungssignal derart zu ändern, dass ein Optimierungsbereich entsteht, in dem das resultierende Schallfeld dem wiederzugebenden Schallfeld genauer entspricht, als dies ohne die Änderung der Fall wäre. Der Bereich, in dem das resultierende Schallfeld dem wiederzugebenden Schallfeld am genauesten entsprechen soll, kann an eine vorbestimmte Position verschoben werden. Die Ansteuerungssignale können weiterhin mittels einer Verstärkereinheit verstärkt werden und den elektroakustischen Wandlern zugeführt werden.Furthermore, the present invention also provides an apparatus for reproducing a sound field in a target sound area. The device has a plurality of arranged on a contour electro-acoustic transducer and a processing module. The processing module is able to analytically determine from signals about the desired position and audio input signals a drive signal for the electroacoustic transducers and to change the drive signal such that an optimization range is created in which the resulting sound field corresponds more closely to the sound field to be reproduced than without the change would be the case. The range in which the resulting sound field is to most accurately correspond to the sound field to be reproduced may be shifted to a predetermined position. The drive signals may further be amplified by means of an amplifier unit and supplied to the electroacoustic transducers.

Mit der vorliegenden Erfindung kann ein Optimierungsbereich erzeugt werden, ab dem das wiedergegebene Schallfeld dem gewünschten Schallfeld möglichst genau entspricht. Der Optimierungsbereich, in dem die Rekonstruktion des gewünschten Schallfeldes am genauesten ist, kann dann zu einer gewünschten Position hin verschoben werden. Somit kann die Wiedergabe auf einen beliebigen Ort innerhalb des Zielbeschallungsbereichs optimiert werden. Diese Veränderung der Vorzugsabstrahlrichtung kann in Echtzeit ausgeführt werden, so dass die Wiedergabe zum Beispiel einem sich bewegenden Empfänger nachgeführt werden kann. Die Bestimmung des Ortes des Empfängers kann hierbei mittels Sensoren, beispielsweise einer Kamera, durchgeführt werden.With the present invention, an optimization range can be generated, from which the reproduced sound field corresponds as closely as possible to the desired sound field. The optimization area, in which the reconstruction of the desired sound field is most accurate, can then be shifted to a desired position. Thus, the playback can be optimized to any location within the Zielbeschallungsbereichs. This change in the preferred emission direction can be performed in real time so that the reproduction can be tracked, for example, to a moving receiver. The determination of the location of the receiver can be carried out here by means of sensors, for example a camera.

Die Erfindung kann zur Wiedergabe von Audiosignalen, insbesondere Mehrkanalton-Audiosignalen verwendet werden. Die Audiosignale können durch verschiedenste Geräte bereitgestellt werden, wie beispielsweise CD-, DVD- oder Blu-ray Disc-Geräte, MP3-Geräte, Computer oder ähnliches. Die wiedergegebenen Audiosignale können dabei beispielsweise MPEG2- oder MPEG4-Signale sein oder in einem Dolby-Format vorliegen.The invention can be used to reproduce audio signals, in particular multi-channel audio signals. The audio signals can be provided by a variety of devices, such as CD, DVD or Blu-ray Disc devices, MP3 devices, computers or the like. The reproduced audio signals may be MPEG2 or MPEG4 signals, for example, or be in a Dolby format.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben, wobei

Fig. 1
schematisch eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt und
Fig. 2
ein erzeugtes Schallfeld zeigt, wobei in Fig. (a) das gewünschte Schallfeld gezeigt wird, in Fig. (b) das Resultat herkömmlicher Methoden wie der Wellenfeldsynthese und Fig. (c) das Ergebnis der vorgeschlagenen Erfindung.
The invention will be described in more detail below with reference to the accompanying figures, wherein
Fig. 1
schematically shows an apparatus according to the present invention and
Fig. 2
Fig. (a) shows the desired sound field, Fig. (b) shows the result of conventional methods such as wave field synthesis, and Fig. (c) shows the result of the proposed invention.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Auf einer Kontur 11 am Rande des Zielbeschallungsbereichs 10 oder darin sind mehrere Lautsprecher 20 angeordnet. Die Ansteuerungssignale für die Lautsprecher 20 werden in einem Verarbeitungsmodul 30 bestimmt und über eine Verstärkereinheit 31 den Lautsprechern 20 zugeführt. Dem Verarbeitungsmodul 30 werden hierfür Informationen 1 über den momentanen Ort, für den die Schallrekonstruktion optimiert werden soll und Audioeingangssignale 2 eingespeist. Außerdem erhält das Verarbeitungsmodul 30 ein drittes Eingangssignal 3, das Information über das gewünschte Schallfeld trägt (z.B. Position der virtuellen Schallquelle).In Fig. 1 schematically a device according to an embodiment of the present invention is shown. On a contour 11 at the edge of the Zielbeschallungsbereichs 10 or in several speakers 20 are arranged. The drive signals for the loudspeakers 20 are determined in a processing module 30 and supplied to the loudspeakers 20 via an amplifier unit 31. For this purpose, the processing module 30 is fed with information 1 about the current location for which the sound reconstruction is to be optimized and audio input signals 2. In addition, the processing module 30 receives a third input signal 3 which carries information about the desired sound field (eg position of the virtual sound source).

Zur Berechnung der Ansteuerungssignale für die Lautsprecher 20 wird zunächst das Ansteuerungssignal analytisch, beispielsweise gemäß dem in der oben bereits angesprochenen Veröffentlichung Ahrens und S. Spors, "Reproduction of a plane-wave sound field using planar and linear arrays of loudspeakers", IEEE Int. Symposium on Communications Control and Signal Processing, St. Julians, Malta, 12.-14. März 2008 durchgeführten Verfahren, berechnet.To calculate the drive signals for the loudspeakers 20, the drive signal is first analytically, for example according to the publication already mentioned above Ahrens and S. Spors, "Reproduction of a plane-wave sound field using planar and linear arrays of loudspeakers", IEEE Int. Symposium on Communications Control and Signal Processing, St Julian's, Malta, 12-14. March 2008 performed procedures, calculated.

In dem dort beschriebenen Verfahren, das hier lediglich als Beispiel beschrieben ist, wird von einer Beschreibung des wiederzugebenden Schallfeldes P durch ein Integral über das Ansteuerungssignal D der Lautsprecher, die auf einer Kontur außerhalb des Zielbeschallungsbereichs angeordnet sind, und die räumliche Übertragungsfunktion G der Lautsprecher, dargestellt: P = ∫ D ⋅ Gd ⁢ Ω

Figure imgb0002
In the method described there, which is described here merely as an example, is described by a description of the sound field P to be reproduced by an integral on the drive signal D of the speakers, which are located on a contour outside the Zielbeschallungsbereichs, and the spatial transfer function G of the speakers, shown: P = ∫ D ⋅ Gd ⁢ Ω
Figure imgb0002

Das Integral ist hierbei ein Oberflächen- oder Linienintegral, je nachdem ob die Berechnung in drei Dimensionen oder lediglich in einer Ebene erfolgen soll.The integral here is a surface or line integral, depending on whether the calculation is to take place in three dimensions or only in one plane.

Diese Integralgleichung wird durch eine geeignete Transformation in einen räumlichen Frequenzbereich überführt, so dass die räumlichen Spektren von P, D und G (durch eine Tilde ∼ gekennzeichnet) über ein Produkt miteinander in Beziehung stehen: P ∼ = D ∼ ⋅ G ∼

Figure imgb0003
This integral equation is transformed into a spatial frequency domain by a suitable transformation such that the spatial spectra of P, D, and G (indicated by a tilde) are related by product: P ~ = D ~ ⋅ G ~
Figure imgb0003

Dies kann beispielsweise durch eine Fouriertransformation erfolgen. Das Lautsprecheransteuerungssignal D̃ kann somit folgendermaßen im räumlichen Frequenzbereich berechnet werden: D ∼ = P ∼ G ∼

Figure imgb0004
This can be done for example by a Fourier transformation. The loudspeaker drive signal D can thus be calculated in the spatial frequency range as follows: D ~ = P ~ G ~
Figure imgb0004

Die Rücktransformation von D̃ nach D typischerweise mittels eines Integrals dargestellt: D = ∫ D ∼ ⋅ e

Figure imgb0005

e bezeichnet die Basis der Transformation. Für das Beispiel der Fouriertransformation ist e durch die komplexe Exponentialfunktion gegeben.The back transformation from D to D is typically represented by an integral: D = ∫ D ~ ⋅ e
Figure imgb0005
e denotes the basis of the transformation. For the example of Fourier transformation, e is given by the complex exponential function.

Um den Ort, wo die Rekonstruktion des gewünschten Schallfeldes am genauesten ist, zu einem gewünschten Ort zu verschieben, wird gemäß der Erfindung eine Funktion W eingeführt, die die Optimisierung repräsentiert. Diese Gewichtungsfunktion ist im Allgemeinen von der räumlichen Frequenz abhängig und kann an unterschiedlichen Schritten in obiger Beschreibung angewendet werden. Beispielsweise kann sie bei der Rücktransformation von D̃ multiplikativ verwendet werden: D = ∫ W ⋅ D ∼ ⋅ e

Figure imgb0006
In order to shift the location where the reconstruction of the desired sound field is most accurate to a desired location, a function W representing the optimization is introduced according to the invention. This weighting function is generally dependent on the spatial frequency and can be applied to different steps in the above description. For example, it can be used multiplicatively in the inverse transformation of D : D = ∫ W ⋅ D ~ ⋅ e
Figure imgb0006

Wird das Lautsprecheransteuerungssignal D nicht im räumlichen Frequenzbereich berechnet, so kann D nachträglich mit einer geeigneten Transformation in einen geeigneten räumlichen Frequenzbereich überführt werden, um die Funktion W wie oben beschrieben anzuwenden.If the loudspeaker drive signal D is not calculated in the spatial frequency range, then D can be subsequently transformed into a suitable spatial frequency range with a suitable transformation in order to apply the function W as described above.

Somit kann die Wiedergabe auf einen beliebigen Ort optimiert werden.Thus, the playback can be optimized to any location.

Beispielsweise kann auf der Basis der oben beschriebenen analytischen Berechnung ein Sweet Spot durch Einschränken der räumlichen Bandbreite der Ansteuerungsfunktion D erzeugt werden.For example, based on the analytical calculation described above, a sweet spot may be generated by restricting the spatial bandwidth of the driving function D.

Eine solche räumliche Bandbreitenbeschränkung kann in Echtzeit ausgeführt werden, so dass die Wiedergabe beispielsweise einem sich bewegendem Empfänger nachgeführt werden kann. In einem solchen System kann beispielsweise eine Kamera verwendet werden, um die Position des Empfängers zu bestimmen und die Wiedergabe dann auf diese Position zu optimieren. Die Bestimmung der Position des Empfängers kann auch durch einen Sensor erfolgen, den der Hörer beispielsweise in der Hosentasche mit sich führt.Such a spatial bandwidth limitation can be carried out in real time, so that the reproduction can be tracked, for example, to a moving receiver. In such a system, for example, a camera can be used to determine the position of the receiver and then optimize the playback to that position. The determination of the position of the receiver can also be done by a sensor that the listener carries, for example, in his pocket with it.

In Fig. 2 (b), (c) ist das durch die Lautsprecher erzeugte Schallfeld gezeigt. Die Lautsprecher befinden sich hierbei auf der gestrichelt angedeuteten linearen Kontur am Rande des Zielbeschallungsbereichs. In Fig. 2 (a) ist das gewünschte Schallfeld gezeigt, in Fig. 2 (b) das Ergebnis wenn keine Optimierungsfunktion W angewendet wird. Die Abweichungen der Rekonstruktion vom gewünschten Schallfeld sind deutlich zu sehen.In Fig. 2 (b), (c) is shown the sound field generated by the speakers. The loudspeakers are located on the dashed lines indicated linear contour at the edge of the Zielbeschallungsbereichs. In Fig. 2 (a) is the desired sound field shown in Fig. 2 (b) the result if no optimization function W is applied. The deviations of the reconstruction from the desired sound field can be clearly seen.

Die Anwendung der Optimierungsfunktion W gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt jedoch die Genauigkeit der Rekonstruktion in einem beliebigen Bereich zu optimieren wie in Fig. 2 (c) dargestellt. Die Mitte des Optimierungsbereichs ist durch ein Kreuz gekennzeichnet. Bewegt sich ein Hörer auf diesem Optimierungsbereich hinaus, kann das System die Optimierung so nachzuführen, dass die Schallfeldwiedergabe für den ausgewählten Empfänger optimal ist.However, the application of the optimization function W according to the present invention allows the accuracy of the reconstruction to be optimized in any range as in FIG Fig. 2 (c) shown. The center of the optimization area is indicated by a cross. If a listener moves beyond this optimization range, the system can track the optimization so that the sound field playback is optimal for the selected receiver.

Obwohl die Erfindung mittels der Figuren und der zugehörigen Beschreibung dargestellt und detailliert beschrieben ist, sind diese Darstellung und diese detaillierte Beschreibung illustrativ und beispielhaft zu verstehen und nicht als die Erfindung einschränkend. Es versteht sich, dass Fachleute Änderungen und Abwandlungen machen können, ohne den Umfang der folgenden Ansprüche zu verlassen. Insbesondere umfasst die Erfindung ebenfalls Ausführungsformen mit jeglicher Kombination von Merkmalen, die vorstehend zu verschiedenen Aspekten und/oder Ausführungsformen genannt oder gezeigt sind.While the invention has been illustrated and described in detail by the figures and the accompanying description, this description and detailed description are to be considered illustrative and exemplary and not limiting as to the invention. It is understood that professionals can make changes and modifications without the scope of the following To leave claims. In particular, the invention also includes embodiments with any combination of features that are mentioned or shown above in various aspects and / or embodiments.

Die Erfindung umfasst ebenfalls einzelne Merkmale in den Figuren auch wenn sie dort im Zusammenhang mit anderen Merkmalen gezeigt sind und/oder vorstehend nicht genannt sind.The invention also includes individual features in the figures, even if they are shown there in connection with other features and / or not mentioned above.

Im Weiteren schließt der Ausdruck "umfassen" und Ableitungen davon andere Elemente oder Schritte nicht aus. Ebenfalls schließt der unbestimmte Artikel "ein" bzw. "eine" und Ableitungen davon eine Vielzahl nicht aus. Die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen aufgeführter Merkmale können durch eine Einheit erfüllt sein. Die Begriffe "im Wesentlichen", "etwa", "ungefähr" und dergleichen in Verbindung mit einer Eigenschaft beziehungsweise einem Wert definieren insbesondere auch genau die Eigenschaft beziehungsweise genau den Wert. Alle Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als den Umfang der Ansprüche einschränkend zu verstehen.Furthermore, the term "comprising" and derivatives thereof does not exclude other elements or steps. Also, the indefinite article "a" and "derivatives" and derivatives thereof do not exclude a variety. The functions of several features listed in the claims may be fulfilled by one unit. The terms "substantially", "approximately", "approximately" and the like in connection with a property or a value in particular also define precisely the property or exactly the value. All reference signs in the claims are not to be understood as limiting the scope of the claims.

Claims (13)

Verfahren zur Wiedergabe eines Schallfeldes in einem Zielbeschallungsbereich mittels mehrerer, entlang einer Kontur angeordneter elektroakustischer Wandler, mit den Schritten: - analytisches Bestimmen eines Ansteuerungssignals für die elektroakustischen Wandler, derart, dass das resultierende Schallfeld im Zielbeschallungsbereich unterhalb der räumlichen Aliasingfrequenz dem wiederzugebenden Schallfeld entspricht; - Ändern des Ansteuerungssignals durch räumliches Bandbegrenzen, so dass das resultierende Schallfeld dem wiederzugebenden Schallfeld innerhalb eines Optimierungsbereichs mit höherer Genauigkeit entspricht, als dies ohne die Änderung der Fall wäre; und - Zuführen des geänderten Ansteuerungssignals an die elektroakustischer Wandler. Method for reproducing a sound field in a target sound area by means of a plurality of electroacoustic transducers arranged along a contour, comprising the steps of: analytically determining a drive signal for the electroacoustic transducers, such that the resulting sound field in the target PA range below the spatial aliasing frequency corresponds to the sound field to be reproduced; Changing the drive signal by spatial band limiting so that the resulting sound field corresponds to the sound field to be reproduced within an optimization range with higher accuracy than would be the case without the change; and - Supplying the changed drive signal to the electroacoustic transducer. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ansteuerungssignal durch analytisches Lösen einer das wiederzugebende Schallfeld beschreibenden Integralgleichung bestimmt wird.The method of claim 1, wherein the drive signal is determined by analytically solving an integral equation describing the sound field to be reproduced. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Integralgleichung ein Oberflächen- oder Linienintegral über das Ansteuerungssignal der elektroakustischen Wandler und die räumliche Übertragungsfunktion ist.The method of claim 2, wherein the integral equation is a surface or line integral over the drive signal of the electro-acoustic transducers and the spatial transfer function. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Lösung der Integralgleichung in einem transformierten Bereich erfolgt.The method of claim 3, wherein the solution of the integral equation occurs in a transformed region. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ansteuersignal über die Zusammenhänge des Kirchhoff-Helmholtz-Integrals bestimmt wird.The method of claim 1, wherein the drive signal is determined by the relationships of the Kirchhoff-Helmholtz integral. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ändern des Ansteuenmgssignals mittels einer Gewichtungsfunktion erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the changing of the Anstuenmgssignals by means of a weighting function. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt - Verschieben des Optimierungsbereichs zu einer vorbestimmten Position innerhalb des Zielbeschallungsbereichs. The method of any one of the preceding claims, further comprising the step - Moving the optimization area to a predetermined position within the Zielbeschallungsbereichs. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verschiebung des Optimierungsbereichs in Echtzeit erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the shift of the optimization range takes place in real time. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die vorbestimmte Position der Position eines sich bewegenden Empfängers entspricht, wobei die vorbestimmte Position der Position des Empfängers nachgeführt wird.The method of claim 7, wherein the predetermined position corresponds to the position of a moving receiver, wherein the predetermined position tracks the position of the receiver. Vorrichtung zur Wiedergabe eines Schallfeldes in einem Zielbeschallungsbereich (10), insbesondere durch ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit - mehreren elektroakustischen Wandlern (20) und - einem Verarbeitungsmodul (30) zum Zuführen eines Ansteuerungssignals an die elektroakustischen Wandler (20),
wobei das Verarbeitungsmodul (30) in der Lage ist, das Ansteuerungssignal analytisch derart zu bestimmen, so dass das resultierende Schallfeld im Zielbeschallungsbereich (10) unterhalb der räumlichen Aliasingfrequenz dem wiederzugebenden Schallfeld entspricht, und das Ansteuerungssignal durch räumliches Bandbegrenzen derart zu ändern, dass ein Optimierungsbereich entsteht, in dem das resultierende Schallfeld dem wiederzugebenden Schallfeld genauer entspricht, als dies ohne die Änderung der Fall wäre. Apparatus for reproducing a sound field in a target sound area (10), in particular by a method according to one of the preceding claims, with - Several electroacoustic transducers (20) and a processing module (30) for supplying a drive signal to the electro-acoustic transducers (20),
wherein the processing module (30) is capable of analytically determining the drive signal such that the resulting sound field in the target PA region (10) below the spatial aliasing frequency corresponds to the sound field to be rendered, and changing the drive signal by spatial bandlimiting such that an optimization range arises, in which the resulting sound field corresponds to the sound field to be reproduced more exactly than would be the case without the change. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Optimierungsbereich zu einer vorbestimmten Position innerhalb des Zielbeschallungsbereichs (10) verschoben wird.The apparatus of claim 10, wherein the optimization area is shifted to a predetermined position within the target sound area (10). Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, ferner mit einer Verstärkereinheit (31) zum Verstärken der vom Verarbeitungsmodul (30) bestimmten geänderten Ansteuerungssignals und zum Zuführen des verstärkten Signals den elektroakustischen Wandlern (20).An apparatus according to claim 10 or 11, further comprising an amplifier unit (31) for amplifying the changed drive signal determined by the processing module (30) and supplying the amplified signal to the electro-acoustic transducers (20). Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, ferner mit einem Audiowiedergabegerät zum Bereitstellen eines das Schallfeld beschreibenden Audiosignals.Apparatus according to claim 10, 11 or 12, further comprising an audio display device for providing an audio signal describing the sound field.
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