DE2932330C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Aufnahme stereophoner Tonsignale, die zur Tonübertragung auf üb­ lichen stereophonen Kanälen und zur anschließenden Wieder­ gabe über einen Kopfhörer vorgesehen sind, der die gleiche Übertragungsfunktion wie das äußere menschliche Ohr auf­ weist (für frontalen Schalleinfall freifeldentzerrter Kopfhörer nach DIN 45 500, Teil 10, vom September 1975), mit einer kopf­ bezogenen Mikrophonanordnung und einem elektrischen Klangfilter für die Mikrophonsignale, dessen Frequenzgang invers zur Außenohr- Übertragungsfunktion ist.

Als kopfbezogene Mikrophonanordnung kommt sowohl eine Anordnung entzerrter Sondenmikrophone in den Gehörgängen einer Versuchsperson als auch ein Kunstkopf in Frage. Eine Sondenmikrophonanordnung ist z. B. aus Radio Mentor Electronic 42 (1976), Heft 3, S. 97 bis 100 bekannt, ein Kunstkopf z. B. aus der US-Patentschrift 41 43 244.

Mit Hilfe entzerrter Sondenmikrophone in den Gehörgängen einer Versuchsperson können, mit bestimmten Einschränkungen, recht genaue elektrische Entsprechungen natürlichen Ohr­ signale gewonnen werden (vgl. Radio Mentor Electronic a. a. O.). Dies gilt sowohl für die Richtcharakteristik, die häufig in Form von richtungs- und frequenzabhängigen interauralen Amplituden- und Laufzeitunterschieden dar­ gestellt wird, als auch für die Frequenzbewertung durch die kopfbezogene Mikrophonanordnung, die häufig als Frei­ feldübertragungsfunktion oder Außenohr-Übertragungsfunktion bezeichnet wird.

Zwar gelingt es auch mit Kunstköpfen - durch die Nachbildung der Geometrie von Hals, Kopf und Ohrmuscheln und durch die Ankopplung von Mikrophonen in den Gehörgängen - zwei Mikro­ phonsignale zu gewinnen, deren richtungsabhängige Unterschiede gut mit den richtungsabhängigen interauralen Unterschieden beim natürlichen Hören übereinstimmen; anders als bei einer Sondenmikrophonanordnung weicht jedoch die Frequenzbewertung bei Kunstköpfen von der Frequenzbewertung durch das natür­ liche Außenohr ab, wie z. B. aus der US-Patentschrift 41 43 244 zu entnehmen ist.

Zur Wiedergabe der kopfbezogenen Stereosignale ist es all­ gemein bekannt, eine verzerrungsfreie Kopfhöreranordnung zu verwenden, d. h. einen elektrisch entzerrten Kopfhörer, der die wiederzugebenden elektrischen Signale ohne lineare Verzerrungen in den Gehörgang des Zuhörers überträgt. Eine solche verzerrungsfreie Kopfhöreranordnung wird deshalb im allgemeinen als ideal für die kopfbezogene Stereophonie an­ gesehen.

Im Falle der Aufnahme durch einen Kunstkopf ist es aus der US-Patentschrift 41 43 244 zusätzlich bekannt, bei der elektrischen Entzerrung der Wiedergabeseite den frontalen Unterschied der Frequenzbewertung zwischen dem Kunstkopf und dem natürlichen Gehör auszugleichen. Dadurch erhält der Zuhörer auch im Fall einer Kunstkopfaufnahme Ohrsignale mit seiner natürlichen Frequenzbewertung. Eine möglichst genaue Entzerrung hilft Übertragungsfehler zu vermeiden. Als Bedingung für eine genaue Gesamtentzerrung gilt, daß die Übertragungsfunktion der gesamten Übertragungsstrecke vom Kunstkopf bis zum Kopfhörer gleich der natürlichen Außenohr-Übertragungsfunktion sein muß. Das Einhalten dieser Bedingung garantiert die originalgetreue Repro­ duktion der Klangfarbe einer Schallquelle und - in Verbindung mit der guten Nachbildung der interauralen Unterschiede - die Lokalisation.

Diese summarische Bedingung läßt sich jedoch nicht ohne weiteres anwenden, wenn die an der Schnittstelle zwischen Aufnahme- und Wiedergabeseite vorhandenen kopfbezogenen Stereosignale auf üblichen stereophonen Kanälen (Rundfunk, Tonband, Schallplatte) übertragen werden sollen. Die Wie­ dergabe erfolgt dann räumlich oder zeitlich getrennt von der Aufnahme. Die genauen Eigenschaften der Aufnahme- und der Wiedergabeseite sind in der Regel auf der jeweils anderen Seite nicht bekannt, wie die folgende Betrachtung der oben erwähnten kopfbezogenen Übertragungsanordnungen zeigt.

Bei der Übertragung mit Sondenmikrophonen und verzerrungs­ freiem Kopfhörer müßte zur Durchführung der Entzerrung zunächst die sogenannte Bezugsebene im Gehörgang genau definiert werden, also diejenige Stelle im Gehörgang, an der aufnahmeseitig der Schalldruckverlauf entnommen wird und bis zu der wiedergabeseitig der Kopfhörer verzerrungs­ frei ist. Bereits diese Definition wäre aufgrund der ana­ tomischen Gegebenheiten im Ohrkanal sehr schwierig und wurde daher bis jetzt nicht vorgenommen. Wenn sie trotzdem ge­ länge, müßte die Kopfhöreranordnung des Zuhörers auf der Wiedergabeseite mit Hilfe einer Sondenmikrophonmessung so entzerrt werden, daß sie keine linearen Verzerrungen aufweist. Zu diesem Zweck müßte das Sondenmikrophon so in den Gehörgang eingeführt werden, daß die Mündung der Sonde in der definierten Bezugsebene liegt, ohne jedoch die Schallausbreitung unter dem Kopfhörer zu stören. Auf­ nahmeseitig müßten die Sondenmikrophone in ähnlicher Weise an einer Versuchsperson angeordnet werden.

Trotz dieses aufwendigen Entzerrungsverfahrens wäre die erforderliche Genauigkeit nicht gegeben, da beim wieder­ gabeseitigen Zuhörer die Ohrsignale der aufnahmeseitigen Versuchsperson reproduziert würden. Es ist jedoch bekannt, daß die individuellen Streuungen dieser Außenohr-Übertra­ gungseigenschaft beträchtlich, d. h. größer als die ent­ sprechenden Wahrnehmungsschwellen des Gehörs sind. Die Frequenzbewertung der Ohrsignale des jeweiligen Zuhörers würde daher von seiner natürlichen Frequenzbewertung erheblich abweichen. Nur bei Identität von aufnahmesei­ tiger Versuchsperson und wiedergabeseitigem Zuhörer wäre durch diese Art der Entzerrung eine originalgetreue Re­ produktion der Hörereignisse zu gewährleisten.

Diese Schwierigkeiten bei aufnahmeseitig und wiedergabeseitig unterschiedlichen Außenohr-Übertragungsfunktionen können umgangen werden, wenn die Entzerrung gemäß der US-Patent­ schrift 41 43 244 vorgenommen wird. Dort wird auf die er­ wähnte Gesamtbedingung zurückgegriffen, um so die Unter­ schiede zwischen dem Kunstkopf und dem Zuhörer auszugleichen. Zu diesem Zweck werden wiederum Sondenmikrophone in den Gehörgängen des Zuhörers angeordnet. Anschließend wird der Zuhörer zweifach beschaltet, zunächst direkt von einer frontalen Schallquelle und dann über den Kunstkopf, ein einstellbares Entzerrerfilter und den Kopfhörer. Die je­ weils gemessenen Ohrsignale werden im Zeit- oder Frequenz, bereich miteinander verglichen und das Filter wird dann so eingestellt, daß die Ohrsignale in beiden Beschallungs­ fällen gleich sind.

Auf diese Art können für jeden individuellen Zuhörer Ohr­ signale mit der natürlichen Frequenzbewertung erzeugt werden. Jedoch wäre es zur praktischen Durchführung dieses Entzerrungsverfahrens notwendig, bei jedem Zuhörer auf der Wiedergabeseite den Kunstkopf zur Verfügung zu haben.

Die Entzerrung einer kopfbezogenen Übertragungsstrecke ist also nach dem Stand der Technik darauf angewiesen, daß die verwendete kopfbezogene Aufnahmeanordnung entweder dem Zuhörer von vorneherein in der Frequenzbewertung sehr ähnlich ist oder auf der Wiedergabeseite verfügbar ist.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die kopfbezogene Mikrophonanordnung ohne Sondenmikrophon­ messungen an wiedergabeseitigen Zuhörern zu entzerren, d. h. insbesondere: die Entzerrung der Aufnahmeseite soll zeitlich und örtlich völlig getrennt von der Entzerrung der Wiedergabeseite erfolgen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs von einer Anordnung aus, die aus der Literaturstelle "Rundfunktechnische Mitteilungen 22 (1978), Heft 1, S. 22-27" bekannt ist. Dort wird die oben beschriebene Übertragungs­ anordnung mit Sondenmikrophon und verzerrungsfreiem Kopf­ hörer dahingehend weiterentwickelt, daß wiedergabeseitig ein Filter eingefügt wird, dessen Übertragungsfunktion gleich der mittleren natürlichen, bei Schalleinfall von vorn wirksamen Außenohr-Übertragungsfunktion ist. Der Kopfhörer ist auf diese Art für einen mittleren Zuhörer freifeldentzerrt. Aufnahmeseitig ist hinter dem Sonden­ mikrophonentzerrer ein Filter mit einer zur Freifeldentzerrung inversen Übertragungsfunktion vorgesehen. Auf diese Art bleibt die ursprüngliche Gesamtübertragungsfunktion, bei welcher der aufnahmeseitige Schalldruckverlauf p _r (t) wiedergabe­ seitig reproduziert wird, erhalten. Die gestellte Aufgabe ist mit dieser Anordnung nicht zu lösen, da die Entzerrung der Aufnahmeseite auf Sondenmikrophonmessungen an wieder­ gabeseitigen Zuhörern beruht und da bei dem bekannten Entzerrungsvorschlag eine Übereinstimmung zwischen Auf­ nahmekopf und Zuhörer vorausgesetzt wird, die in der Praxis aus verschiedenen Gründen nicht gegeben ist.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die im Haupt­ anspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird bezüglich der Frequenzbewertung keine Übereinstimmung zwischen Kunst­ kopf und natürlichem Hören vorausgesetzt. Die praktische Entzerrung der Aufnahmeseite kann völlig unabhängig von der praktischen Entzerrung der Wiedergabeseite erfolgen. Hierfür wird das frontale Freifeldübertragungsmaß des verwendeten Kunstkopfs bestimmt und dessen Frequenzgang durch die aufnahmeseitige elektrische Filterung kompensiert, so daß die Übertragungsfunktion der gesamten Aufnahmeanordnung frequenzunabhängig für frontalen Schalleinfall ist. Dabei ist es vorteilhafterweise völlig unerheblich, wie stark der Kunstkopffrequenzgang vom na­ türlichen Frequenzgang des Zuhörers abweicht. Dies erleich­ tert die Konstruktion eines geeigneten Kunstkopfs wesent­ lich.

Da die Bestimmung des aufnahmeseitig zu entzerrenden Kunstkopf-Übertragungsmaßes nach üblichen Mikrophonmeß­ verfahren erfolgen kann (DIN 45 591) und da die Bestimmung des Freifeld-Übertragungsmaßes des wiedergabeseitig zu entzerrenden Kopfhörers nach dem üblichen Kopfhörermeß­ verfahren erfolgen kann (DIN 45 619), sind sowohl für die aufnahmeseitige als auch für die wiedergabeseitige Ent­ zerrung keine Sondenmikrophone notwendig. Dennoch ist für jeden Zuhörer eine individuell genaue Entzerrung und Reproduktion der Hörereignisse möglich, weil bei Bedarf der wiedergabeseitige Kopfhörer individuell genau frei­ feldentzerrt werden kann.

Ein besonderer Vorteil liegt darin, daß die Erfindung einen zweckmäßigen Weg für die Standardisierung der Auf­ nahmeseite weist, die in der kopfbezogenen Stereophonie noch ungelöst ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die innere Geometrie des Kunstkopfs (Gehörgang, Trom­ melfell, Art und Ankopplung des Schallwandlers), die im Gegensatz zur äußeren Geometrie von Hals, Kopf und Ohrmuscheln bekanntlich keinen Einfluß auf die Richtcharakteristik, sondern nur Einfluß auf die Frequenzbewertung hat, bei der konstruktiven Ausgestaltung abgestimmt werden kann auf die aufnahmeseitige elektrische Filterung, so daß ent­ weder die innere Geometrie oder das Klangfilter vereinfacht werden können.

Vorteilhaft ist ferner, daß der Kunstkopf aufgrund der elektrischen Kompensation im gesamten Hörfrequenzbereich von etwa 40 Hz bis etwa 15 kHz genau entzerrt werden kann.

Die Erfindung hat auch den Vorteil, daß der Kunstkopf für die besondes kritische frontale Schalleinfallsrichtung besonders genau entzerrt werden kann, ohne das schwer meßbare und individuell stark streuende frontale Außenohr- Übertragungsmaß des Zuhörers auf der Wiedergabeseite expliziert kennen zu müssen.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der linke und der rechte Mikrophonkanal unabhängig voneinander entzerrt wer­ den können. Bei einer Links-Rechts-Unsymmetrie des Kunstkopfs, die praktisch immer gegeben ist, kann das links und rechts unterschiedliche frontale Freifeld-Übertragungsmaß durch eine jeweils unterschiedliche Filterung im linken und rechten Mikrophonkanal entzerrt werden. Die beim Zuhörer vorhandene und dessen natürlichen Höreindruck mitbestim­ mende Links-Rechts-Unsymmetrie für frontalen Schalleinfall wird vorteilhafterweise auf der Wiedergabeseite durch die Freifeldentzerrung des Kopfhörers erfaßt und nachgebildet.

Ein beachtlicher Vorteil ist auch, daß die erfindungsgemäß entzerrten Kunstkopfsignale zur Übertragung über gebräuch­ liche stereophone Kanäle und zur Wiedergabe über Lautsprecher wesentlich besser geeignet sind als übliche, mit einer Frequenzbewertung behaftete Kunstkopfsignale. Damit wird die für eine breitere Anwendung des Verfahrens bedeutsame Kompatibilität zur konventionellen raumbezogenen Stereophonie verbessert.

Schließlich ist der Vorteil bei der Verwendung einer Ketten­ schaltung von Brücken-T-Gliedern darin zu sehen, daß diese Realisierung des Klangfilters besonders geeignet ist für die Entzerrung eines komplizierten Kunstkopffrequenzgangs, insbesondere mit Hilfe eines Rechnerprogramms. Außerdem tragen diese passiven Filterstufen nicht zum Eigenrauschen der Aufnahmeanordnung bei.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Frequenzgang Δ L _N (f) des Freifeldübertragungsmaßes des äußeren Ohrs für frontalen Schalleinfall, der mit dem Frequenzgang des Übertragungsmaßes eines nach DIN 45 500 freifeldentzerrten Kopfhörers über­ einstimmt;

Fig. 2 den Frequenzgang Δ L _K (f) des Freifeld- oder Außenohr- Übertragungsmaßes eines bekannten Kunstkopfs für frontalen Schalleinfall (mit ausgezogener Linie gezeichnete Kurve) sowie den Frequenzgang Δ L _E (f) des Übertragungsmaßes des erfindungsgemäß für diesen Kunstkopf vorgesehenen Klangfilters (mit gestrichelter Linie gezeichnete Kurve);

Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild eines Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäß vorgesehenen Klangfilters.

Wie ein Vergleich mit dem Frequenzgang Δ L _N (f) des natür­ lichen Außenohrs (Fig. 1) zeigt, weicht die Frequenzbe­ wertung des verwendeten Kunstkopfs (Δ L _K (f) in Fig. 2) - wie bei allen Kunstköpfen - vom natürlichen Hören ab. So zeigt der Kunstkopf nach Fig. 2 zwei Pegelanhebungen von etwa 8 dB und 10 dB bei 1,4 und 4,2 kHz gegenüber nur einer Anhebung von 12 dB bei 3 kHz in Fig. 1. Die 10 kHz-Absenkung beträgt bei diesem Kunstkopf - 35 dB gegenüber - 9 dB beim natürlichen Hören. Entsprechend der Erkenntnis, daß die Nachbildung der natürlichen Frequenzbewertung eines Zuhörers mit Hilfe eines Kunstkopfs weder erreichbar noch wünschenswert ist, wird der Frequenzgang des Kunst­ kopfs für frontalen Schalleinfall noch vor der Tonüber­ tragung mit Hilfe eines Klangfilters kompensiert, wie in Fig. 2 mit der gestrichelt eingezeichneten Kurve angedeutet ist. Als Ergebnis dieser Maßnahme wird in der Übertragungskette vom Kunstkopf zum Kopfhörer für fron­ talen Schalleinfall nur noch der vom freifeldentzerrten Kopfhörer nachgebildeten Frequenzgang des Freifeldüber­ tragungsmaßes des äußeren Ohrs gemäß Fig. 1 wirksam, so daß der Zuhörer aufgrund der wiedergabeseitigen Frequenz, bewertung durch den Kopfhörer den natürlichen Höreindruck hat.

Die in Fig. 3 anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellte Filteranordnung besteht aus der Kettenschaltung eines Bandpasses 10 und zweier Bandsperren 20, 30, wobei die Schaltungsbestandteile 10, 20 und 30 durch senkrechte gestrichelte Linien voneinander getrennt sind. Der Bandpaß 10 und die Bandsperren 20, 30 sind in Form von Brücken-T-Gliedern ausgebildet. Der Querzweig des Bandpasses 10 umfaßt einen Parallelschwingkreis mit einer Induk­ tivität L ₁, einer Kapazität C ₁ und einem ohmschen Widerstand R ₁, ferner einen Serienwiderstand R ₂. Der Brückenzweig des Bandpasses 10 umfaßt einen Serienschwingkreis mit einer Induktivität L ₃, einer Kapazität C ₃ und einem ohmschen Widerstand R ₃, ferner einen Parallelwiderstand R ₄. Der Längszweig des Bandpasses 10 umfaßt zwei ohmsche Widerstände R. Dies gilt in gleicher Weise auch für die Längszweige der beiden Bandsperren 20 und 30.

Bei der ersten Bandsperre 20 umfaßt der Querzweig einen Serien­ schwingkreis mit einer Induktivität L ₅, einer Kapazität C ₅ und einem ohmschen Widerstand R ₅. Der Brückenzweig der Bandsperre 20 umfaßt einen Parallelschwingkreis mit einer Induktivität L ₆, einer Kapazität C ₆ und einem ohmschen Widerstand R ₆ .

Bei der zweiten Bandsperre 30 umfaßt der Querzweig einen Serien­ schwingkreis mit einer Induktivität L ₇, einer Kapazität C ₇ und einem ohmschen Widerstand R ₇. Der Brückenzweig der Bandsperre 30 umfaßt einen Parallelschwingkreis mit einer Induktivität L ₈, einer Kapazität C ₈ und einem ohmschen Widerstand R ₈.

Dem Eingang 11 der Filteranordnung nach Fig. 3 ist zur Impedanzan­ passung ein ohmscher Widerstand R ₉ vorgeschaltet.

Eine praktisch verwirklichte Filteranordnung gemäß Fig. 3 besaß eine Einschaltdämpfung von 37 dB. Aufgrund der ausschließlichen Verwendung passiver Bauelemente zeigt die Filteranordnung nach Fig. 3 kein Eigen­ rauschen.

Die Wirkungsweise der Filteranordnung nach Fig. 3 ist am besten aus dem Frequenzgang gemäß Fig. 2 (gestrichelt eingezeichnete Kurve) er­ sichtlich. Der Bandpaß 10 bewirkt die Anhebung des Frequenzgangs bei 10 kHz, während die Bandsperren 20, 30 die Absenkungen bei 1,4 kHz bzw. 4,2 kHz bewirken.

Claims (2)

1. Anordnung zur Aufnahme stereophoner Tonsignale, die zur Tonübertragung auf üblichen stereophonen Kanälen und zur anschließenden Wiedergabe über einen Kopfhörer vorgesehen sind, der die gleiche Übertragungsfunktion wie das ältere menschliche Ohr aufweist (für frontalen Schalleinfall freifeldentzerrter Kopfhörer nach DIN 45 500, Teil 10, vom September 1975), mit einer kopfbezogenen Mikrophonanordnung und mit einem elek­ trischen Klangfilter für die Mikrophonsignale, dessen Frequenzgang invers zur Außenohr-Übertragungsfunktion ist, dadurch gekennzeichnet, daß als kopfbezogene Mikrophon­ anordnung ein Kunstkopf verwendet wird, dessen richtungs­ abhängige interaurale Übertragungsfunktion weitgehend mit der natürlichen Richtcharakteristik übereinstimmen, daß das aufnahmeseitige Klangfilter (10, 20, 30) so dimensioniert ist, daß sein Frequenzgang (Δ L _E (f)) die Außenrohr-Über­ tragungsfunktion (Δ L _K (f)) des verwendeten Kunstkopfs aufhebt, und daß das Klangfilter eine Kettenschaltung von Brücken-T-Gliedern (10, 20, 30) mit frequenzunabhängiger Eingangs- und Ausgangsimpedanz enthält, deren Anzahl gleich der Anzahl der zu entzerrenden Maxima und Minima ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücken-T-Glieder des Klangfilters einen Bandpaß (10), eine erste Bandsperre (20) und eine zweite Bandsperre (30), darstellen.