DE3709397C2 - Verfahren zur Filterung von Schallsignalen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Filterung von Schallsignalen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Da die Erfindung ein bevorzugtes Anwendungsgebiet im Bereich der Kunstkopftechnik findet, sind die folgenden Ausführungen oder Beispielsangaben, auch zum besseren Verständnis, häufig auf die Kunstkopftechnik bezogen; es versteht sich aber ausdrück­ lich, daß die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist und bei beliebigen Schallaufnahmemitteln, also elektroakusti­ schen Wandlern in Form von Mikrofonen, Druckwandlern u. dgl. eingesetzt werden kann, sowie bei beliebigen Schallauswertemitteln wie Lautsprecher, Kopfhörer, elektrische Meßgeräte u. dgl.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Filterung von kopfbezogenen, stereophonen Signalen zur Erzielung einer systemtheoretisch sinnvollen Schnittstelle zwischen Schall­ aufnahme, die, wie erwähnt beispielsweise mittels eines Kunstkopfes erfolgen kann, und der Schallwiedergabe oder allgemein der Verarbeitung der gemessenen Schallsignale, auch über Meßgeräte u. dgl., bei dem speziellen Anwendungs­ beispiel dann etwa über Kopfhörer.

Bei der Entwicklung der Kunstkopftechnik, also dem bislang gebräuchlichsten Verfahren zur Gewinnung von kopfbezogenen stereophonen Signalen, ist aufgrund von Kompatibilitätsüber­ legungen die Definition einer geeigneten Schnittstellenent­ zerrung von Bedeutung und auch bekannt (siehe Aufsatz "Zur Theorie der optimalen Wiedergabe von stereophonen Signa­ len über Lautsprecher und Kopfhörer" von G. Theile in Rundfunktechnische Mitteilungen, Sonderdruck 1981, S. 32-47).

Dabei ist ferner bekannt, daß eine originalgetreue Übertra­ gung von Hörereignissen mit Hilfe der Kunstkopftechnik hin­ sichtlich der Merkmale Klangfarbe, Richtung und Entfernung nur möglich ist, wenn bei der abhörenden Person über Kopf­ hörer solche Schalldrucksignale am Trommelfell erzeugt wer­ den, die mit Schalldrucksignalen vergleichbar sind, die sich ergeben, wenn die Person sich im Originalschallfeld befin­ det (Buch von J. Blauert "Räumliches Hören", Hirzel-Verlag Stuttgart (1974)).

Die Frage einer geeigneten Schnittstellenentzerrung erübrigt sich natürlich, wenn man lediglich die Übertragungsstrecke - Kunstkopfmikrofon ./. menschliches Trommelfell der abhö­ renden Person - betrachtet; beim Abhören von kopfbezogenen stereophonen Signalen über Lautsprecher oder beim Abhören von nichtkopfbezogenen Signalen über Kopfhörer dürfen je­ doch keine störenden Klangverfärbungen auftreten, damit die Kompatibilität der Systeme gewahrt bleibt.

Es ist bisher bekannt, für die Schnittstelle zwischen Schall­ aufnahme und Schallwiedergabe zwei Bezugbeschallsituationen zu verwenden, nämlich den Freifeldbezug ("Optimierung eines Kunstkopfaufnahmesystems" von K. Genuit, 12. Tonmeisterta­ gung München 1981, Tagungsband (1982), S. 218-243) oder den Diffusfeldbezug (Aufsatz "Künstlicher Kopf" von Uwe Andresen, Funkschau Nr. 23/1982, S. 85-87). Durch die Zuord­ nung eines Entzerrers zum Kunstkopfmikrofon, speziell eines Freifeldentzerrers ergibt sich dann bei einem solchen frei­ feldentzerrten Kunstkopf bei Schalleinfall im Freifeld von vorne in Ohrkanalhöhe eine lineare, konstante Übertragungs­ funktion; mit anderen Worten es wird ein zu einem Meßmikro­ fon vergleichbares Übertragungsverhalten gemessen, nämlich ein linearer Frequenzgang.

Ein diffusfeldentzerrter Kunstkopf weist bei Beschallung im diffusen Schallfeld ein lineares, frequenzunabhängiges Übertragungsfeld auf. Dementsprechend war es bisher erforder­ lich, die Übertragungseigenschaften des verwendeten Wieder­ gabe-Kopfhörers entweder auf das Freifeld oder das diffuse Schallfeld zu beziehen.

Beide Bezugsbeschallungssituationen berücksichtigen u. a. die richtungsunabhängigen Übertragungseigenschaften des Außenohrs, jedoch beim Freifeldbezug werden zusätzlich die richtungsabhängigen Übertragungseigenschaften des Außen­ ohrs für Schalleinfall von vorne miterfaßt, beim Bezug auf das diffuse Schallfeld erfolgt eine zusätzliche Wichtung mit der komplexen Überlagerung von allen richtungsabhängi­ gen Übertragungseigenschaften für alle Schalleinfalls­ richtungen.

Beide Schnittstellen - Freifeld- und Diffusfeldbezug - bein­ halten in ihrer Definition demnach richtungsabhängige Para­ meter, das Freifeld für exakt eine Schalleinfallsrichtung, das Diffusfeld als Integral über alle möglichen Schallein­ fallsrichtungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Schall­ aufnahme- und Schallverarbeitungssystem eine richtungsneu­ trale und vom Schallfeld unabhängige Schnittstelle zu schaf­ fen, durch welche die erforderliche Entzerrung erheblich vereinfacht wird.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß durch die Aufteilung der meßbaren Übertragungseigenschaften, z. B. beim Kunstkopf oder bei einer Versuchsperson, in richtungs­ abhängige und richtungsunabhängige Einflüsse auf der Schall­ aufnahmeseite lediglich die richtungsunabhängigen Parameter entzerrt zu werden brauchen und auf der Schallwiedergabe- oder Schallverarbeitungsseite (wenn hier beispielsweise Meß­ geräte angeschlossen sind) lediglich die richtungsabhängigen Parameter zu berücksichtigen sind - dies bedeutet bei einer Kopfhörerwiedergabe, daß hier nur noch der Einfluß der Ohrmu­ schel berücksichtigt werden muß, so daß die Entzerrung auf beiden Seiten erheblich vereinfacht wird, bei einwandfrei originalgetreuer Übertragung der Hörereignisse und ohne daß sich Verfälschungen oder Verfärbungen bei solchen Merkmalen wie Klangfarbe, Richtung und Entfernung ergeben.

Die Erfindung beruht auf einer systemtheoretischen Betrach­ tungsweise und nimmt eine rechnerische Trennung der beiden Anteile (richtungsabhängige und richtungsunabhängige Para­ meter) vor.

Durch die Unterscheidung beispielsweise der Kopfhörerüber­ tragungsfunktion in Anteile, die von geometrischen Teilen des menschlichen Außenohres richtungsabhängig und richtungs­ unabhängig beeinflußt werden, wird auf der Wiedergabeseite eine sehr einfache Individualanpassung der Kopfhörerüber­ tragungsfunktionen in Abhängigkeit der äußeren Abmessungen der individuellen Ohrmuschel (Durchmesser Ohrmuschel und cavum conchae) möglich, und zwar durch Variation von ledig­ lich diesen beiden Parametern.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in Form eines Blockschaltbilds ein Außenohrmodell, welches zur Bestimmung der Außenohrübertragungsfunk­ tion eines Ohrsignals geeignet ist;

Fig. 2 in Form eines Diagramms die Beträge der Übertragungsfunktionsanteile der einzelnen Parameter des Außen­ ohrs;

Fig. 3 eine mögliche Ausführungsform einer Schaltung in Form eines Blockschaltbilds zur Realisierung der Übertragungsfunktion der cavum conchae-Grundresonanz mit Bandpaßsystemen;

Fig. 4 die detaillierte Schaltung zur technischen Realisation der Bandpaßsysteme entsprechend Fig. 3 unter Verwendung von RLC-Schwingkreisen;

Fig. 5 in Form eines Diagramms den Betrag der Übertragungs­ funktion über der Frequenz des Beugungseinflusses der Ohrmuschelumrandung bei Kopfhörerbeschallung und

Fig. 6 in Form eines Blockschaltbildes schematisiert ein systemtheoretisches Modell zur Approximation des von der Ohrmuschelumrandung verursachten Beugungseinflus­ ses.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Übertragungseigenschaften eines Schallaufnahme-Systems hängen ab von den geometrischen Abmessungen und Gestaltungen des Schallaufnahmekörpers. An Flächen entstehen Reflexionen, an Kanten entstehen Beugungen, und an Höhlungen entstehen Resonanzen. Die Resonanzen sind in der Regel richtungsunab­ hängig, während Reflexion und Beugungseigenschaften abhängig sind vom Schalleinfallswinkel. Betrachtet man als Schallauf­ nehmer z. B. ein Kunstkopf-Mikrofon, so hängen die Übertragungs­ eigenschaften der Kunstkopf-Mikrofonsignale einerseits rich­ tungsabhängig von den durch Oberkörper 1, Schulter 2, Kopf 3 und Ohrmuschelumrandung 4 erzeugten Beugungen und Reflexio­ nen ab und andererseits richtungsunabhängig durch die vom cavum conchae 5 und Ohrkanal 6 hervorgerufenen Resonanzen. Die Ohrmuschel besitzt demnach nicht nur einen richtungsabhän­ gigen Einfluß auf die Außenohrübertragungsfunktion aufgrund ihres Beugungsfeldes, sondern auch einen richtungsunabhängigen aufgrund der cavum conchae-Höhlung, die quasi als akustischer Resonanzverstärker wirkt, siehe Fig. 1.

Die Erfindung sieht also vor, die Übertragungseigenschaften, die sich beispielsweise bei einem Kunstkopf ergeben, zu un­ terteilen in:
einen richtungsabhängigen Satz, also hervorgerufen durch richtungsabhängige Parameter entsprechend den Schaltungs­ blöcken 1, 2, 3, 4 in Fig. 1 mit der sich hinter dem Sum­ mationsglied 8 ergebenden, die Richtcharakteristik des Außenohrs darstellenden Funktion A _{R-l, r} (f, r) (1) und einen richtungsunabhängigen Satz, also vereinfacht aus­ gedrückt von solchen Parametern, die beispielsweise auf Resonanzen im cavum conchae und im Ohrkanal zurückgehen, so daß sich dann insgesamt in der Darstellung des Außen­ ohrmodells der Fig. 1 am Ausgang des Ohrmodells die Frei­ feld-Außenohrübertragungsfunktion A _{FF-l, r} (f, r) ergibt.

In den einzelnen Schaltungsblöcken der Fig. 1 sind die jeweili­ gen Teilübertragungsfunktionen angegeben, die daher hier nicht mehr wiederholt zu werden brauchen.

Die auf die Einflüsse Oberkörper, Schulter, Kopf und Ohrmuschel zurückgehenden Parameter bestimmen also die Richtcharakteri­ stik und ändern sich in Abhängigkeit zur Schalleinfalls­ richtung, während die richtungsunabhängigen Parameter stets vorhanden und unveränderlich sind.

Entsprechend einem wesentlichen Merkmal vorliegender Erfindung wird an der Trennstelle zwischen den richtungsabhängigen Parametern entsprechend den Blöcken 1, 2, 3, 4 in Fig. 1 und den richtungsunabhängigen Parametern, sinnvollerweise also hinter der Summiereinrichtung 8, eine Schnittstelle gelegt, die nur die richtungsunabhängigen Parameter entzerrt. Dies bedeutet, daß man bei einem sich ergebenden Schalleinfall von vorn kein lineares Übertragungsverhalten mehr hat, sondern ein Übertragungsverhalten, welches von dieser Entzerrungs­ funktion bestimmt ist.

Bei der Wiedergabe, die dann in dem angenommenen Beispielsfall über Kopfhörer erfolgt, werden dann nur noch die richtungsab­ hängigen Parameter berücksichtigt, was bei der Kopfhörerwie­ dergabe dann lediglich noch der Ohrmuscheleinfluß ist.

Eine solche Trennung bildet eine systemtheoretisch sinnvolle Schnittstelle, deren Vorteil man sich durch die folgende Überlegung verdeutlichen kann. So erzeugt beispielsweise bei einem angenommenen Schalleinfall von vorn die Ohrmuschel eine scharfe Reflexion bei etwa 8 kHz, das bedeutet, daß sich in diesem Frequenzbereich ein scharfer Absenker ergibt und Schall im Bereich dieser 8 kHz nicht oder nur gering übertragen wird. Bei einer bekannten Freifeldentzerrung wird daher so vorgegangen, daß für diese 8 kHz eine entsprechend kräftige Anhebung vorgesehen ist; problematisch wird dies aber dann, wenn man sich vergegenwärtigt, daß dieser 8 kHz- Absenker aufgrund der Ohrmuschelreflexion bei auch nur geringer Änderung der Schalleinfallsrichtung ganz oder vollständig verschwindet, was bedeutet, daß man unter Umständen für alle anderen Einfallsrichtungen im Bereich von 8 kHz bei Frei­ feldentzerrung wesentlich zu stark angehoben hat.

Diese ganze Problematik entfällt bei vor liegender Erfindung völlig, da auf der Schallaufnahmeseite nur die durch die richtungsunabhängigen Komponenten des Aufnahmesystems er­ zeugten Spektralanteile herausgefiltert - d. h. im Frequenzgang kompensiert - zu werden brauchen.

Eine systemtheoretische Approximation der Resonanzeigenschaf­ ten einer Höhlung (cavum conchae), wie sie Fig. 1 darstellt, ist z. B. möglich durch die Parallelschaltung von Bandpässen entsprechend Fig. 3. Den funktionalen Zusammenhang von Verstär­ kung, Resonanzfrequenz und Güte der Bandpässe in Abhängigkeit der geometrischen Abmessungen, zeigen die folgenden Glei­ chungen:

Die technische Realisation der in Fig. 3 gezeigten Bandpaß- Schaltung kann dann so ausgeführt sein, wie in Fig. 4 gezeigt, d. h. durch die Parallelschaltung von in ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz aufeinander abgestimmten Reihenschaltungen der Elemente Spule L, Widerstand R und Kondensator C.

Bei der Schallwiedergabe über Kopfhörer wird lediglich die Ohrmuschel beschallt. Im Sinne der erfindungsgemäßen Reali­ sation muß der von dem richtungsabhängigen Teil der Ohrmuschel erzeugte Einfluß auf die Übertragungsfunktion des Kopfhörers an der Ohrmuschel korrigiert werden. Zur Berechnung des Beu­ gungseinflusses, verursacht durch die äußere und innere Ohr­ muschelumrandung, wird dann vom bekannten Kirchhoff′schen Beugungsintegral ausgegangen.

Die technische Realisation einer solchen Entzerrungsschaltung ist prinzipiell mit einer Schaltung entsprechend Fig. 3 bzw. in ein Ausführungsbeispiel Fig. 4 möglich. Für die erfindungsge­ mäße Realisation einer Individualentzerrung von Kopfhörerübertragungseigenschaften durch Approximation im Modell ist es sinnvoll, die in Fig. 5 bei 7 dargestellte Übertragungsfunktion mit Hilfe der Systemtheorie zu beschreiben, wobei der Entzerrer einen inversen Frequenzgang haben muß.

Fig. 6 stellt das systemtheoretische Modell zur Beschreibung der von der Ohrmuschelumrandung hervorgerufenen Schallfeld­ störung dar. Die mit "w" indizierten Elemente hängen funktio­ nal von dem Durchmesser w der cavum conchae-Öffnung ab, die mit "r" indizierten Parameter hängen ab von dem Längsdurchmes­ ser 2 r der Ohrmuschel. "K" bedeuten einfache Koeffizien­ tenglieder, "T" sind Laufzeiten, "Tp" sind Tiefpaßsysteme. Für den einfachen Beschallungsfall durch Kopfhörer können alle K-Koeffizienten näherungsweise den Wert 0,5 haben.

Für die Laufzeiten T gilt:

Damit hängt die Laufzeit T lediglich von den geometrischen Abmessungen der individuellen Ohrmuschel ab. Bei dem einfachen Beschallungsfall durch Kopfhörer liegt die Grenzfrequenz der im Modell gezeigten Tiefpaßsysteme außerhalb des Audio­ frequenzbereiches oberhalb von 20 kHz. Demnach ist für den erfindungsgemäßen Fall der richtungsneutralen, vom Schallfeld unabhängigen Filterung von Schallsignalen die einfach Indivi­ dualanpassung von Kopfhörerübertragungsfunktionen an die individuellen Ohrmuschelabmessungen durch Variation von Lauf­ zeitgliedern in Abhängigkeit von den hier vorgestellten zwei geometrischen Parametern der Ohrmuschel möglich.

Claims (5)

1. Verfahren zur Filterung von Schallsignalen zwischen der Schallaufnahmeseite und der Schallwiedergabe- bzw. Verarbeitungsseite bei einem elektroakustischen System, dadurch gekennzeichnet, daß vor einer aufnahmeseitig gebildeten Schnittstelle das Spektrum der aufgenom­ menen Schallsignale mit Hilfe von Filtern so ent­ zerrt wird, daß nur die durch die richtungsunab­ hängigen Komponenten des Aufnahmesystems erzeugten Spektralanteile im Frequenzgang kompensiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wiedergabe das Spektrum der wiedergegebenen Signale mit Hilfe von Filtern so entzerrt wird, daß nur die durch die richtungsabhängigen Komponenten erzeugten Spektralanteile im Frequenzgang kompensiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei der Wiedergabe von Signalen über Kopfhörer die Entzerrung des Spektrums der wiedergegebenen Signale mit Hilfe von Filtern so erfolgt, daß nur die durch die richtungs­ abhängigen Komponenten des menschlichen Außenohrs erzeugten Spektralanteile kompensiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Individualanpassung der Wiedergabe von Signalen über Kopfhörer die Über­ tragungsfunktion des dem Kopfhörer zugeordneten Filters individuell in Abhängigkeit der jeweiligen Abmessungen der Ohrmuschel und des cavum conchae der abhörenden Person einstellbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel zur Individualanpassung an den Kopfhörern angeordnete Betätigungsschalter sind, die Markierungen mit Maßangaben für Ohrmuschel und cavum conchae aufweisen.