DE3619031C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mehrkanal-Wiedergabesystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im allgemeinen der Zuhörer in einem Konzertsaal, auf dessen Bühne Musik dargeboten wird, den Ton bzw. Schall einer spielenden Schallquelle direkt und indirekt nach einer Reflexion an inneren Wänden des Saales. Der direkte Ton, der den Zuhörer auf direktem Wege von der Schallquelle aus erreicht, und der indirekte Ton, der den Zuhörer nach einer Reflexion an den inneren Wänden erreicht, treffen bei dem Zuhörer aufgrund ihrer unterschiedlichen Laufzeit mit einer Zeitdifferenz ein. Wegen dieser Zeitdifferenz Δ T, mit der die Töne den Zuhörer erreichen, hat der Zuhörer das Gefühl, daß er der Musikdarbietung in einem Konzertsaal zuhört.

Man hat daher ein Vierkanal-Wiedergabesystem geschaffen, bei dem von einer Schallplatte oder einem Magnetband abgetastete Audiosignale so wiedergegeben werden, daß der Zuhörer das wiedergegebene Audiosignal mit einem Raumklang so hören kann, als ob er sich in einem Konzertsaal befände. Bei diesem System werden Zweikanal-Stereoaudiosignale wiedergegeben und von zwei Hauptlautsprechern, so wie sie sind, abgegeben. Außerdem werden die Zweikanal-Stereoaudiosignale durch beispielsweise eine digitale Verzögerungsschaltung um eine vorbestimmte Zeitspanne verzögert und die verzögerten Signale durch zwei Hilfslautsprecher wiedergegeben, die von den beiden Hauptlautsprechern unabhängig sind.

Dieses herkömmliche Vierkanal-Wiedergabesystem ist zwar in der Lage, den Raumklang im Vergleich zu einem herkömmlichen einfachen Zweikanal-Wiedergabesystem zu verbessern, doch ergibt sich bei Tönen mit einer Frequenz von mehr als 4kHz ein unnatürlicher Nachhall, so daß sich nicht der Raumklang eines echten Konzertsaals erzielen läßt.

Wie akustische Untersuchungen in Gebäuden gezeigt haben, hängt die Laufzeitdifferenz Δ T zwischen dem direkten und dem indirekten Ton bzw. Schall nicht nur vom Abstand von der Schallquelle, sondern auch von der Frequenz des Audiosignals ab. So nimmt die Zeitdifferenz Δ T mit abnehmender Frequenz des Audiosignals zu, dagegen nähert sich die Zeitdifferenz Δ T mit zunehmender Frequenz einem kleinen konstanten Wert. Bei dem erwähnten herkömmlichen System wird das Audiosignal gleichmäßig über den gesamten Frequenzbereich unabhängig von der Frequenz um eine vorbestimmte Verzögerungszeit verzögert. Wenn daher eine Verzögerungszeit von 100 bis 200 Millisekunden gewählt wird, um einen hinreichenden Raumklang zu erzielen, ergibt sich bei hohen Frequenzen mit dieser Verzögerungszeit ein übermäßiger Nachhall, der zu einem unnatürlichen Raumklang führt. Wenn die Verzögerungszeit dagegen auf 20 bis 30 Millisekunden verringert wird, um den übermäßigen Nachhall bei hohen Frequenzen zu vermeiden, läßt sich kein hinreichender Raumklang erreichen.

Aus der Druckschrift Webers, Johannes: Tonstudiotechnik, 3. Auflage, München, Franzis-Verlag, 1979, S. 82, ISBN 3-7723- 5523-4 ist es an sich bekannt, daß die Nachhallzeit eines Konzertsaales bei sinkender Frequenz zunimmt und von mittleren Frequenzen an mit wachsender Frequenz konstant bleiben sollte. Sie fällt dort allerdings bei einem tatsächlich gemessenen "Musikatelier" bei hohen Freqeuenzen weiter ab.

Bei praktisch ausgeführten Anordnungen zur pseudostereophonen oder pseudoquadrophonen Wiedergabe haben diese Erkenntisse bisher jedoch keine Anwendung gefunden.

So ist aus der US-PS 35 60 656 ein der Gattung der vorliegenden Erfindung ähnliches System bekannt, bei dem ebenfalls in einem Hauptkanal ein Hauptlautsprecher und in einem Hilfskanal ein Phasenschieber mit nachgeschaltetem Hilfslautsprecher angeordnet sind. Dieses System dient jedoch zur binauralen Wiedergabe eines monauralen elektrischen Signals, das eine Vielzahl von Frequenzen im Audiospektrum aufweist.

Aus der US-OS 43 08 424 ist es ebenfalls bekannt, eine Phasenverschiebung im zweiten Tonkanal vorzusehen. Hier nimmt die Phasenverschiebung jedoch sowohl bei zunehmender, als auch bei abnehmender Frequenz ab.

Nach der DE-OS 21 55 226 werden bei pseudoquadrophonen Anordnungen die rückwärtigen Signale ebenfalls durch Phasenschieber, allerdings aus dem zusammengemischten Monosignal, abgeleitet. Die Phasenschieber sind aus mehreren Grundschaltungen zusammengesetzt und können unterschiedliche, aber stetig mit der Frequenz wachsende Phasenverschiebungen bewirken.

Aus der US-PS 43 03 800 ist eine Schaltungsanordnung für quadrophone Anordnungen bekannt, die ebenfalls Phasenschieber enthält, zu deren Ausgangssignalen aber jeweils ein Signal aus dem Kanal zugemischt wird, worauf diese Mischsignale über Verzögerungsschaltungen den hinteren Lautsprechern zugeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mehrkanal-Wiedergabesystem der gattungsgemäßen Art anzugeben, das eine Wiedergabe von Audiosignalen mit einem Raumklang ermöglicht, der dem Hörer mit besserer Annäherung den Raumklang eines Konzertsaals vermittelt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Ausbildung gelöst.

Auf diese Weise ergibt sich ein äußerst natürlicher Raumklang über den gesamten Frequenzbereich, so daß der Hörer den Eindruck erhält, er befinde sich in einem Konzertsaal.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Mehrkanal-Wiedergabesystems,

Fig. 2 einen Graphen zur Erläuterung der Abhängigkeit der Phasenverzögerung von der Frequenz,

Fig. 3 eine Zeitdifferenz-Frequenz-Kennlinie von Schall in einem Konzertsaal,

Fig. 4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Phasenschiebeschaltung, die einen Phasenschieber nach Fig. 1 bildet,

Fig. 5 den Phasengang der Phasenschiebeschaltung nach Fig. 4,

Fig. 6 die Abhängigkeit der Verzögerungszeit oder Phasenverschiebung von der Frequenz bei der Phasenschiebeschaltung nach Fig. 4 mit der Anzahl der hintereinandergeschalteten Stufen als Parameter und Fig. 7 ein Beispiel einer Lautsprecheranordnung in dem erfindungsgemäßen System.

Nach Fig. 1 werden Stereosignale eines rechten und eines linken Kanals Eingangsanschlüssen 11 a und 11 b aus einer Schallquelle, z. B. einem Plattenspieler, einem Bandgerät, einem Tuner oder dergleichen, zugeführt. Die über die Anschlüsse 11 a und 11 b zugeführten Signale des rechten und linken Kanals werden einer Signalverbarbeitung unterzogen, wie einer Entzerrung, einer Klangregelung und dergleichen, und zwar jeweils in Vorverstärkern 12 a und 12 b. Danach werden sie zum einen Leistungsverstärkern 13 a und 13 b zur Verstärkung zugeführt, um Hauptaudiosignale für die rechten und linken Kanäle zu erzeugen, wobei die Hauptaudiosignale rechten und linken Lautsprechern 14 a und 14 zur Tonabgabe zugeführt werden. Zum anderen werden die Ausgangssignale der Vorverstärker 12 a und 12 b Phasenschiebern 15 a und 15 b zugeführt, die einen wesentlichen Teil des erfindungsgemäßen Systems bilden und in denen ihre Phasen verschoben werden. Die Ausgangssignale der Phasenschieber 15 a und 15 b werden in Leistungsverstärkern 16 a und 16 b verstärkt, um Hilfsaudiosignale für die rechten und linken Kanäle zu erzeugen, die dann rechten und linken Hilfslautsprechern 17 a und 17 b zur Tonabgabe zugeführt werden. Die Phasenschieber 15 a und 15 b haben über den gesamten Frequenzbereich eine konstante Verstärkung. Ferner haben die Phasenschieber 15 a und 15 b eine Phasenverzögerung, die sich einem kleinen Wert nähert, wenn die Frequenz abnimmt, und sich einem großen Wert nähert, wenn die Frequenz einen hohen Wert erreicht.

Die Lautsprecher sind so angeordnet, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Der rechte Hauptlautsprecher 14 a und der linke Hauptlautsprecher 14 a sind vorne rechts bzw. vorne links von einem Hörer 20 angeordnet, während der rechte Hilfslautsprecher 17 a und der linke Hilfslautsprecher 17 b hinten rechts bzw. hinten links vom Hörer 20 so angeordnet sind, daß sie den Hauptlautsprechern 14 a bzw. 14 b zugekehrt sind. Die Hilfslautsprecher 17 a und 17 b müssen den Hauptlautsprechern 14 a und 14 b nicht genau gegenüber angeordnet sein, sondern können auch in einem bestimmten Winkelbereich, z. B. 30°, gegenüber diesen versetzt angeordnet sein. Ferner können die Hauptlautsprecher 14 a und 14 b vorne rechts und vorne links vom Hörer in einer höheren Position nach unten geneigt und die Hilfslautsprecher 17 a und 17 b hinten rechts und hinten links vom Hörer in einer niedrigeren Position nach oben geneigt angeordnet sein. In jedem Falle wird der Raumklang durch eine derartige Anordnung der Hauptlautsprecher und Hilfslautsprecher verbessert, daß die Schallabgabe nicht in der gleichen Richtung, sondern im wesentlichen in entgegengesetzer Richtung aufeinander zu erfolgt.

Der Hörer 20 hört Töne des rechten und linken Kanals aus den Hauptlautsprechern 14 a und 14 b zusammen mit Tönen, die eine Positionsverzögerung (und Zeitverzögerung) aufweisen, aus den Hilfslautsprechern 17 a und 17 b. Der Hörer kann daher den Raumklang so empfinden, wie wenn er sich in einem Konzertsaal befände.

Nachstehend werden die Phasenschieber 15 a und 15 b beschrieben. Für die Laplace-Transformierten eines ursprünglichen Signals h(t) und eines Signals h(t-Δ t), das gegenüber dem ursprünglichen Signal im gesamten Frequenzbereich um die Zeit Δ t vergrößert worden ist, gilt mit s als komplexe Frequenz:

L[h(t)] = H(s) (1)
L[h(t- Δ t)] = H(s) · e ^{-s · Δ t} (2)

Man sieht daher, daß die Übertragungsfunktion eines herkömmlichen Wiedergabesystems mit einer konstanten Verzögerung im gesamten Frequenzbereich als e ^{-s · Δ t} und die Verstärkung und Phasenverschiebung jeweils durch die folgenden Gleichungen, in denen mit f die Frequenz bezeichnet ist, dargestellt werden können:

|e ^{-s · Δ t} |=1 (3a)
∡e ^{-s · Δ t} =-2π f · Δ t (3b)

Der Phasengang bzw. die Frequenzabhängigkeit des Phasenwinkels bzw. der Phasenverzögerung bei einer herkömmlichen Verzögerungsschaltung, für die die Gleichung (3a) gilt, ist in Fig. 2 als gestrichelte Linie I dargestellt.

Die Zeitdifferenz zwischen dem direkten Ton und dem indirekten Ton in einem Konzertsaal wird größer, wenn die Frequenz des Tons kleiner wird, und wird kleiner, wenn die Frequenz zunimmt. Diese Beziehung läßt sich angenähert durch die folgende Gleichung darstellen, in der Δ T _MIN die Verzögerungszeit bei unendlicher Frequenz und Δ T _o ein Inkrement ist, das einer Verzögerungszeit entspricht, die bei der Frequenz null zu Δ T _MIN addiert werden muß.

Δ T = Δ T _o · e ^{f + Δ T _MIN (4) Die Frequenzabhängigkeit der Zeitdifferenz nach Gleichung (4) ist in Fig. 3 dargestellt. Setzt man die Zeitdifferenz Δ T nach Gleichung (2) ein, ergibt sich die Übertragungsfunktion eines Konzertsaals. Der Phasenwinkel der Übertragungsfunktion wird durch folgende Gleichung beschrieben: ∡e-s · Δ t = -2π f( Δ Δ T _o · e -f + Δ T _MIN ) (5) Der Phasengang nach Gleichung (5) ist in Fig. 2 als strichpunktierte Linie II dargestellt. Wie Fig. 2 zeigt, weicht der Phasengang I des herkömmlichen Vierkanal-Wiedergabesystems vollständig vom Phasengang II eines Konzertsaals ab, und der Unterschied dieser Phasengänge ist der Grund für den unnatürlichen Raumklang bei dem herkömmlichen Vierkanal-Wiedergabesystem. Die erfindungsgemäßen Phasenschieber 15 a und 15 b nach Fig. 1 sind so ausgelegt, daß sie einen Phasengang haben, wie er in Fig. 2 als durchgehende Linie III dargestellt ist, die der Kennlinie bzw. dem Phasengang II stärker angenähert ist als der Kennlinie bzw. dem Phasengang I. Die Phasenschieber 15 a und 15 b bestehen aus mehreren Stufen (beispielsweise zehn ungeradzahligen Stufen) aus hintereinandergeschalteten Phasenschieberschaltungen wie die Phasenschieberschaltung 30 nach Fig. 4. Nach Fig. 4 ist ein Signaleingangsanschluß 31 mit einem umkehrenden Eingang und einem nichtumkehrenden Eingang eines Operationsverstärkers 32 über jeweils einen ohmschen Widerstand R₁ und R _p verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 32 ist mit einem Ausgangsanschluß 33 und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 32 über einen ohmschen Rückkopplungswiderstand R₂ verbunden. Ferner ist der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 32 über einen Kondensator C _p mit Masse verbunden. Die Widerstände R₁ und R₂ haben die gleichen Widerstandswerte, so daß die Verstärkung über den gesamten Frequenzbereich gleich Eins ist. Die Übertragungsfunktion (auch Frequenzgang genannt) G₁ (s) der Phasenschieberschaltung 30 läßt sich durch nachstehende Gleichung darstellen, in der ₁ die Zeitkonstante R _p C _p ist: Die Phasenschieberschaltung 30 hat einen Phasengang, wie er in Fig. 5 dargestellt ist, d. h. die Phasenschieberschaltung 30 bewirkt in einem oberhalt von 100f₁ liegenden Frequenzbereich eine Phasenverzögerung um 180° gegenüber der Phasenlage im Frequenzbereich unterhalb einer Frequenz von f₁/100. Die Übertragungsfunktion bzw. der Frequenzgang g(s) eines Phasenschiebers, der durch Hintereinanderschaltung der Phasenschieberschaltung 30 in n Stufen gebildet wird (wobei n eine ganze Zahl und größer als oder gleich zwei ist), läßt sich wie folgt darstellen: Der Phasenwinkel ∡ G(s) der Übertragungsfunktion G(s) wird durch die folgende Gleichung dargestellt, und der Betrag des Phasenwinkels ∡ G(s) nähert sich mit zunehmender Frequenz dem Wert -(n 180°). ∡ G(s) = ∡ G₁(s) + ∡ G₂(s) + . . . ∡ G _n (s) (8) Wenn die Zeitkonstanten ₁, ₂, . . ., _n der n Phasenschiebeschaltungen 30 alle gleich sind, nimmt die Übertragungsfunktion G(s) die nachstehende Form an, während der Phasengang den Verlauf entsprechend der Linie III in Fig. 2 annimmt. Die Phasenschieber 15 a und 15 b haben daher jeweils einen Phasengang III, der sich dem Phasengang II des Konzertsaals in einem mittleren und niedrigen Frequenzbereich annähert. Der Hörer nimmt daher die von den Hauptlautsprechern 14 a und 14 b sowie den Hilfslautsprechern 17 a und 17 b jeweils wiedergegebenen Töne mit einem Raumklang wahr, der dem eines Konzertsaals äußerst nahe kommt. Außerdem erscheint eine hohe Tonfrequenzkomponente (beispielsweise mehr als 1000 Hz) in dem wiedergegebenen Ton dem Hörer nicht als Echo. Jeder Kanal benötigt lediglich einen Satz Phasenschieberschaltungen, so daß es nicht erforderlich ist, andere Schaltungen, wie eine Filterschaltung oder eine Matrixschaltung, zu verwenden. Der Aufbau des Systems ist daher einfach. Die Bauelemente in der Phasenschieberschaltung 30 nach Fig. 4 können beispielsweise folgende Werte haben: R₁=R₂=R _p =39 kΩ Kondensator C _p =0,08 µF Die Verzögerungszeit-Frequenz-Kennlinie eines Phasenschiebers mit n hintereinandergeschalteten Phasenschieberschaltungen 30, die jeweils Bauelemente mit den oben angegebenen Werten aufweisen, ist in Fig. 6 mit n als Parameter dargestellt, wobei n die Anzahl der hintereinandergeschalteten Stufen ist. In Fig. 6 sind jeweils die Fälle n = 5, 10, 15, . . . 50, 55 und 60 dargestellt. Es ist auch möglich, einen Phasenschieber auszubilden, dessen Phasengang dem durch die strichpunktierte Linie II in Fig. 2 dargestellten Verlauf entspricht, indem Phasenschieberschaltungen mit verschiedenen Übertragungsfunktionen hintereinandergeschaltet werden. In diesem Falle werden die Übertragungsfunktionen G₁(s), G₂(s), . . . G _N (s) durch entsprechende Änderung der Zeitkonstanten ₁, ₂, . . . _n geändert, indem Widerstände R _p und Kondensatoren C _p mit entsprechend geänderten Werten verwendet werden. Anstelle der in Fig. 4 dargestellten Phasenschieberschaltung kann auch eine Phasenschieberschaltung mit einem anderen Aufbau verwendet werden. So kann ein digitales Filter oder dergleichen, das auf der Basis einer Impulsübertragungsfunktion ausgebildet ist, die sich durch Z- Transformation der Gleichtung (7) ergibt, anstelle der Phasenschieberschaltung 30 verwendet werden. Ferner ist das wiederzugebende Hauptaudiosignal nicht auf das Signal in dem Zweikanal-Stereosystem beschränkt. Vielmehr kann es sich auch um ein Signal in anderen Systemen, z. B. ein Monosystem oder ein Vierkanalsystem und dergleichen handeln.}

Claims (8)

1. Mehrkanal-Wiedergabesystem mit einem Hauptlautsprecher zur Abgabe eines Eingangsaudiosignals als Hauptkanal-Audiosignal, einem Hilfslautsprecher zur Abgabe eines Hilfskanal- Audiosignals, und einem Phasenschieber, dem das Eingangsaudiosignal zu dessen Phasenverschiebung zugeführt wird und dessen Ausgangssignal dem Hilfslautsprecher als Hilfskanal- Audiosignal zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber eine Verzögerungszeit-Frequenz-Kennlinie aufweist, bei der die Verzögerungszeit mit abnehmender Frequenz zunimmt und mit zunehmender Frequenz abnimmt.

2. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber die Übertragungsfunktion aufweist, wobei n eine ganze Zahl größer als oder gleich zwei, _i eine Zeitkonstante und s die komplexe Frequenz ist.

3. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante _i in der Übertragungsfunktion G(s) des Phasenschiebers unabhängig von der Anzahl i konstant ist.

4. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber mehrere hintereinandergeschaltete Phasen­ schieberschaltungen (30) mit jeweils gleichem Schaltungsaufbau aufweist, wobei jede Phasenschieberschaltung einen Operationsverstärker (32), einen Widerstand R₁ zwischen einem Eingangsanschluß der Phasenschieberschaltung und dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers, einen Widerstand R₂ zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang, einen Widerstand R _p zwischen dem Eingangsanschluß und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und einen Kondensator C _p zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und Masse und die Übertragungsfunktion aufweist, wobei ₁ die Zeitkonstante R _p C _p und s eine komplexe Frequenz ist.

5. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieberschaltungen alle die gleichen Schaltungskonstanten aufweisen und der Phasenschieber die Übertragungsfunktion aufweist.

6. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der Widerstände R₁ und R₂ jeder der Phasenschieberschaltungen gleich sind und die Verstärkung der Phasenschieberschaltung über den gesamten Frequenzbereich gleich eins ist.

7. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber eine Phasenverzögerungs-Frequenz- Kennlinie angenähert nach der folgenden Gleichung aufweist: -2f f(Δ T _o · e^-f + Δ T _MIN )wobei f die Frequenz, Δ T _MIN die Zeitverzögerung bei unendlich hoher Frequenz und Δ T _o ein Zeitverzögerungsinkrement ist, das sich zu Δ T _MIN addiert, wenn die Frequenz gleich null ist.

8. Mehrkanal-Wiedergabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptlautsprecher (14 a, 14 b) und der Hilfslautsprecher (17 a, 17 b) derart relativ zueinander angeordnet sind, daß ihre Schallabstrahlrichtungen weitgehend zueinander entgegengesetzt sind.