DE2512287A1

DE2512287A1 - Tonwiedergabesystem

Info

Publication number: DE2512287A1
Application number: DE19752512287
Authority: DE
Inventors: Michael Anthony Gerzon
Original assignee: National Research Development Corp of India
Current assignee: National Research Development Corp of India
Priority date: 1974-03-26
Filing date: 1975-03-20
Publication date: 1975-10-09
Also published as: DK120075A; CH617303A5; CH625660A5; CA1020095A; FR2266411B1; JPS6022898A; JPH0137080B2; IT1034536B; US3997725A; FR2266411A1; DE2512287C2; GB1494751A; NL7503576A; JPS5943880B2; NL181068C; JPS50131501A

Description

Herne, 8000 München 23,

Dipl.-Ing. H. H. Bahr Dipl.-Phys. Eduard Betzier

_T. _m _m Dipl.-Ing. W. Herrmann-Trentepohl ³⁹⁸⁰¹³

Telegrammanschnit: r zi r Telegrammanschrift:

Bahrpatente Kerne PATENTANWÄLTE Babetzpat München

Telex 08229853 Telex 5215350

Bankkonten:

Bayrische Vereinsbank München 952 2S7 Dresdner Bank AG Herne 7-520 Postscheckkonto Dortmund 553

Ref.: MO 5114/Vo

in der Antwort bitte angeben

Zuschrift bitte nach:

Tonwiedergabesystem

Die Erfindung betrifft Tonwiedergabesysteme und insbesondere solche, die es dem Hörer ermöglichen, von sich über 360° Azimuth erstreckenden Quellen kommenden Schall zu unterscheiden. Bestimmte Aspekte der Erfindung betreffen die Schaffung eines Tonwiedergabesystems dieser Art, das es dem Hörer zusätzlich ermöglicht, Töne von Quellen in verschiedenen Höhen zu unterscheiden.

In der Deutschen Patentanmeldung P 22 04 66 8.0 ist ein Tonwiedergabesystem beschrieben, das es dem Hörer ermöglicht, von sich über 360° Azimuth erstreckenden Quellen kommenden Schall zu hören und das nur zwei- unabhängige Übertragungskanäle verwendet. In dem in dieser Beschreibung erläuterten System führt ein Kanal sogenannte Rundstrahlkomponenten, die Schall aus allen horizontalen Richtungen mit gleicher Verstärkung enthalten. Der andere Kanal führt sogenannte Azimuth- oder Phasensignalkomponenten, die Schall mit der

509841/0640

Verstärkung 1 aus allen horizontalen Richtungen enthalten, jedoch mit einer Phasenverschiebung relativ zu der dazu in Beziehung stehenden entsprechenden Rundstrahlsignalkomponente/ die vorzugsweise gleich dem Azimuth-Auftreffwinkel ist, gemessen von einer geeigneten Bezugsrichtung aus. Das Phasensignal kann in zwei Komponenten mit einer Phasendifferenz von 90° aufgelöst werden. Wenn diese Signalkomponenten auf vier Lautsprecher gegeben werden,die an den Ecken eines Quadrats liegen, bildet eine Signalkomponente ein Differenzsignal, das die Differenz der Signalstärke zwischen den Signalen für ein erstes benachbartes Paar von Lautsprechern und den Signalen für ein zweites benachbartes Paar angibt, das aus den anderen beiden Lautsprechern besteht. Die andere Komponente bildet ein zweites Differenzsignal, das die Differenz der Signalstärke zwischen den Signalen eines dritten benachbarten Paars von Ls.utsprechern, das aus dem einen Lautsprecher des ersten und zweiten benachbarten Paars besteht, und den Signalen für ein viertes benachbartes Paar angibt, das aus den anderen Lautsprechern des ersten und zweiten benachbarten Paars besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ergebnisse zu verbessern, die bei einer Anordnung mit vier Lautsprechern erhalten werden, wenn die vier Lautsprecher bezüglich der Mitte eines Hörfeldes nicht symmetrisch angeordnet sind.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Decoder für ein Tonwiedergabesystem mit vier Lautsprechern, die ein Hörfeld umgeben und an den Ecken eines nicht quadratischen Rechtecks liegen, bestehend aus einer Eingangseinrichtung zum Empfang wenigstens zweier Eingangssignale, die Rundstrahl- und Phasensignalkomponenten enthalten, und einer Ausgangseinrichtung zur Erzeugung eines jeweiligen Ausgangssignals für jeden Lautsprecher, wobei die Ausgangssignale erste Differenzsignalkomponenten enthalten, die die Differenz der Signalstärke zwischen der Summe der Signale für ein erstes benachbartes Paar der Lautsprecher und der Summe der Signale für

509841/0640

ein zweites benachbartes Paar angeben, das aus den beiden anderen Lautsprechern besteht, sowie zweite Differenzsignalkomponenten , die die Differenz der Signalstärke zwischen der Summe der Signale für ein drittes benachbartes Paar von Lautsprechern, das aus dem einen Lautsprecher des ersten und zweiten benachbarten Paars besteht, und der Summe der Signale für ein viertes benachbartes Paar von Lautsprechern angeben, das aus dem anderen Lautsprecher des ersten und zweiten benachbarten Paars von Lautsprechern besteht, gemäß der Erfindung durch eine Anordnungssteuereinrichtung, um die ersten und zweiten Differenzsignalkomponenten mit ersten und zweiten Verstärkungen zu beaufschlagen, wobei das Verhältnis zwischen den ersten und zweiten Verstärkungen im wesentlichen gleich dem Verhältnis zwischen dem Sinus des Halbwinkels ist, der in der Mitte des Hörfeldes von dem ersten Paar Lautsprecher^ und dem Sinus des Winkels, der von dem dritten Paar Lautsprecher gebildet wird.

Bei einigen Ausfuhrungsformen der Erfindung können die ersten und zweiten Signalkomponenten als gesonderte Signale auftreten und die Einrichtung zum Empfang der Eingangssignale kann so ausgebildet sein, daß sie ein Rundstrahlsignal und zwei Differenzsignale erzeugt, um sie der Einrichtung zur Erzeugung der jeweiligen Ausgangssignale für die Lautsprecher zuzuführen. Wenn die Erfindung auf das in der oben erwähnten Druckschrift beschriebene System angewandt wird, werden die Differenzsignalkomponenten in dem Phasensignal kombiniert und die relative Änderung der Verstärkungen zwischen diesen wird durch Änderung der relativen Phasenverschiebung zwischen den Rundstrahl- und Ph-asensignalkomponenten für jeden Lautsprecher erreicht, so daß sie die Größe der Phasendifferenz für einen entsprechenden Lautsprecher in einer quadratischen Anordnung um den gleichen Betrag überschreiten . wie die Winkellage dieses Lautsprechers relativ zu einer Bezugsrichtung geringer als die des entsprechenden Lautsprechers in einer quadratischen Anordnung ist, und umgekehrt.

509841/0640

Die Erfindung ist auch auf andere Decoder anwendbar, bei denen erste und zweite Differenzsignalkomponenten nicht als diskrete Signale vorhanden sind/ und außerdem auf Systeme, bei denen die AnordnungsSteuereinrichtung mit Signale arbeitet/ bei denen die Differenzsignalkomponenten nicht als diskrete Signale auftreten/ selbst wenn diese Signale anderswo in dem Decoder verfügbar sind.

Die Erfindung schafft weiterhin einen Decoder für ein Tonwiedergabesystem mit acht Lautsprechern/ die an den Ecken eines nicht würfelförmigen Quaders angeordnet sind, wobei die Eingangseinrichtung zum Empfang wenigstens dreier Eingangssignale und die Ausgangseinriehtung zur Erzeugung eines jeweiligen Ausgangssignals für jeden Lautsprecher ausgebildet sind, der sich dadurch auszeichnet, daß die ersten Differenzsignalkomponenten die Differenz der Signalstärke zwischen der Summe der Signale der vier Lautsprecher an den Ecken einer ersten Fläche des Quaders und der Summe der Signale für die vier Lautsprecher an der Fläche des Quaders gegenüber der ersten Fläche angeben, -und daß zweite Dif ferenzsignalkomponenten die Differenz der Signalstärke zwischen der Summe der Signale der vier Lautsprecher an den Ecken der zweiten Fläche des Quaders senkrecht zur ersten Fläche und der Summe der Signale der Vier Lautsprecher an den Ecken der Fläche des Quaders gegenüber der zweiten Fläche angeben, wobei die Ausgangssignale auch dritte Entfernungssignalkomponenten enthalten, die die Differenz der Signalstärke zwischen der Summe der Signale der Lautsprecher an den Ecken einer dritten Fläche des Quaders senkrecht zu der ersten und zweiten Fläche und der Summe der Signale für die vier Lautsprecher an der Fläche des Quaders gegenüber der dritten Fläche angeben, und daß die Anordnungssteuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die dritte Differenzsignalkomponente mit einer dritten Verstärkung beaufschlagt, wobei das Verhältnis zwischen den ersten, zweiten und dritten Verstärkungen dem Verhältnis zwischen den Abständen, die die erste, zweite und dritte Fläche des

509841/0640

Quaders von ihren jeweiligen gegenüberliegenden Flächen trennen, umgekehrt proportional sind.

Weiterhin schafft die Erfindung einen Decoder für ein Tonwiedergabesystem, bestehend aus einer Ausgangseinrichtung zur Erzeugung von Ausgangssignalen für wenigstens drei Lautsprecher, die einen Hörplatz umgeben, und einer Eingangseinrichtung zum Empfang wenigstens zweier Eingangssignale, die Drucksignalkomponenten enthalten, die für die Summe der gewünschten Ausgangssignale typisch sind, und Geschwindigkeitssignalkomponenten, die für die gewünschte Geschwindigkeit des Tonfeldes an dem Hörplatz typisch sind, der sich auszeichnet durch eine Verstärkungseinstelleinrichtung zwischen der Eingangseinrichtung und der Ausgangseinrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie die Druck- und Geschwindigkeitssignalkomponenten derart mit frequenzabhängigen relativen Verstärkungen beaufschlagt, daß die Verstärkung, mit der die Drucksignalkomponenten mit Frequenzen wesentlich über einer bestimmten Frequenz beaufschlagt werden, geteilt durch die Verstärkung, mit der die Geschwindigkeitssignalkomponenten mit Frequenzen wesentlich über der bestimmten Frequenz beaufschlagt werden, größer als die Verstärkung ist, mit der die Drucksignalkomponenten mit Frequenzen wesentlich unter der bestimmten Frequenz beaufschlagt werden, geteilt durch die Verstärkung, mit der die Geschwindigkeitssignalkomponenten mit Frequenzen wesentlich unter der bestimmten Frequenz, beaufschlagt werden.

Die Druck- und Geschwindigkeitssignale können Rundstrahlbzw. Phasensignale sein. ^*

Für rechteckige Anordnungen mit vier Lautsprechern hat das Geschwindigkeitssignal vorzugsweise eine Verstärkung, die etwa doppelt so groß wie diejenige des Drucksignals für Frequenzen wesentlich unter dem vorbestimmten Frequenzband,

509841/0640

Die Notwendigkeit für eine unterschiedliche Behandlung für Frequenzen über und unter einem bestimmten Frequenzband ist in der Veröffentlichung "Criteres Psychoacoustiques Relatifs ä la Realisation des Systemes Matriciels et Discrets en Tetraphonie", 1974 Paris International Festival du Son "Journees d'Etudes", Editions Radio, Paris von M.A. Gerzon und der Veröffentlichung "Surround-sound psychoacoustics" Wireless World, Dezember 1974, Seiten 483 bis 486 von M.A. Gerzon vollständig beschrieben. Zusammengefaßt gilt, daß für Frequenzen wesentlich unter der Frequenz, für die der Abstand zwischen dem menschlichen Ohr geringer als die halbe Wellenlänge des Luftschalls (etwa 700 Hz) ist, der Kopf kein wesentliches Hindernis für Schallwellen bildet, so daß die Amplitude des die Ohren erreichenden Schalls tatsächlich identisch ist. Folglich ist die einzige Information, die bei diesen niedrigen Frequenzen zur Tonlokalisierung verfügbar ist, die Phasendifferenz zwischen den an den beiden Ohren empfangenen Tönen. Bei höheren Frequenzen ist die Phasenbeziehung nicht länger von vorrangiger Bedeutung bei der Tonlokalisierung. Was wichtig ist, ist das Richtungsverhalten des Energiefeldes um den Hörer. Zwischen diesen beiden Zuständen ist ein Übergangsband vorhanden, des oben als das vorbestimmte Frequenzband bezeichnet wurde.

Die Übergangsfrequenz kann in dem Bereich von 100 Hz bis 1000 Hz liegen. Die Übergangsfrequenzen am unteren Ende des Bereichs ergeben ein vergrößertes Hörfeld. Ein bevorzugter Wert beträgt etwa 320 Hz.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig.l bis 13 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Tonwiedergabesystems, aus der die Anordnung der Lautsprecher um einen Hörplatz und ihre Verbindung mit einem Decoder hervorgehen,

509841/06AQ

Figur 2 ein Blockschaltbild eines bekannten Decoders, der zur Verwendung in dem System der Fig. 1 geeignet ist,

Figur 3 ein Blockschaltbild eines Decoders zur Verwendung in einem Tonwiedergabesystem, das eine Höheninformation liefert und acht Lautsprecher verwendet,

Figur 4 eine schematische Darstellung der Anordnung von Lautsprechern zur Verwendung bei dem Decoder der Fig. 3,

Figur 5 einen Decoder gemäß der Erfindung mit einer Anordnungssteuereinheit,

Figur 6 ein Schaltbild einer AnordnungsSteuereinheit für den Decoder der Fig. 5,

Figur 7 eine schematische Darstellung ähnlich der Fig. 4, aus der eine guaderförmige Anordnung von acht Lautsprechern hervorgeht,

Figur 8 ein Blockschaltbild eines Decoders gemäß der Erfindung für die Lautsprecheranordnung der Fig. 7,

Figur 9 ein Blockschaltbild eines frequenz abhang! gen Decoders gemäß der Erfindung,

Figur 10 ein Detailschaltbild eines Decoders der in Fig. 9 gezeigten Art,

Figur 11 ein Blockschaltbild, aus dem ein Decoder gemäß der Erfindung zur Verwendung für diskrete 4-Kanal-Signale hervorgeht, und

Figur 12 und 13

Blockschaltbilder von WXY-Kreisen für den Decoder der Fig. 11.

509841/0640

. ν* l

-S-

In der folgenden Beschreibung ist die Phasenverschiebung, wenn auf eine Gruppe von Phasenschieberkreisen Bezug genommen wird, die verschiedene parallele Kanäle mit verschiedenen Phasenverschiebungen beaufschlagen, die in jedem Falle angegeben wird, eine relative Phasenverschiebung, und alle Kanäle können gewünschtenfalls mit einer gleichmäßigen zusätzlichen Phasenverschiebung beaufschlagt werden. In ähnlicher Weise sind die Verstärkungen, wenn angegeben wird, daß parallele Kanäle mit bestimmten Verstärkungen beaufschlagt werden, relative Verstärkungen, und alle Kanäle können gewünschtenfalls mit einer gemeinsamen zusätzlichen Gesamtverstärkung beaufschlagt werden.

Bevor Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden, ist es zweckmäßig die Grundform einer Arti eines Decoders zu beschreiben, die für die Verwendung mit rechteckigen Lautsprecheranordnungen geeignet ist, sowie die entsprechende Art, die zur Verwendung mit quaderförmiger Lautsprecheranordnungen geeignet ist. Diese beiden Decoderarten werden im folgenden als WXY-Decoder bzw. als WXYZ-Decoder bezeichnet. Die Erfindung kann auf irgendeinen Decoder dieser Arten angewandt werden.

Wie Fig. 1 zeigt, ist an dem Punkt 10 ein Hörplatz mittig angeordnet und von vier Lautsprechern 11, 12, 13 und 14 in rechteckiger Anordnung umgeben. Die Lautsprecher 11 und bilden jeweils einen Winkel θ an dem Punkt 10 relativ zu einer durch einen Pfeil 15 angegebenen Bezugsrichtung. Der Lautsprecher 13 ist gegenüber dem Lautsprecher 11 und der Lautsprecher 14 ist gegenüber dem Lautsprecher 12 angeordnet. Nimmt somit an, daß die Bezugsrichtung die Vorwärtsrichtung ist, ist der Lautsprecher 11 links vorne, der Lautsprecher 12 rechts vorne, der Lautsprecher 13 rechts hinten und der Lautsprecher 14 links hinten angeordnet. Alle vier Lautsprecher 11 bis 14 sind zum Empfang der jeweiligen Ausgangssignale LF, RF, RB und LB des Decoders 16 geschaltet, der zwei Eingangsanschlüsse 17 und

509841/0640

hat. Das empfangene Rundstrahlsignal W wird auf den Anschluß 17 und das Phasensignal P₁ auf den Anschluß 18 gegeben .

Fig. 2 zeigt einen bekannten WXY-Decoder, der zur Verwendung als Decoder 16 geeignet ist, wenn der Winkel θ 45° beträgt. Der Decoder hat die Form eines WXY-Kreises 20 und einer Amplitudenmatrix 22. Der WXY-Kreis 20 erzeugt ein Rundstrahlausgangssignal W, ein Vorne-Hinten-Differenzausgangssignal χ und ein Links-Rechts-Differenzausgangssignal Y. Diese Signale werden dann auf die Amplitudenmatrix 22 gegeben, die die erforderlichen Ausgangssignale LB. LF, RF und RB erzeugt.

Die Art des WXY-Kreises hängt von der Form der Eingangssignale ab. Wenn, wie gezeigt ist, die Eingangssignale aus einem Rundstrahlsignal W und einem Phasensignal P der gleichen Größe wie das Rundstrahlsignal bestehen, jedoch mit einer Phasendifferenz gleich minus den Azimuth-Winkel, haben die Ausgangssignale des WXY-Kreises 20 zu ihren Eingangssignalen die folgende Beziehung:

W = W₁

X = ρ P₁

1
Y = ρ JP₁ '

Die Amplitudenmatrix 22 erfüllt die Funktion der folgenden Gruppe von Gleichungen: ^t

LB = -|(-X + W + Y)

LF = -i(X + W + Y)

RF = ~(X + W - Y) .

RB = ·|(~^χ + W-Y)

509841/0640

Tatsächlich ist dieser Decoder der gleiche wie der in Fig. der oben erwähnten Deutschen Patentanmeldung P 22 04 668.0, wobei die 90°-Phasenschieberkreise als der aktive Teil des WXY-Kreises 20 und die Addierer und Phaseninverter als die Amplitudenmatrix 22 dienen.

Jeder Decoder, der die vier Ausgangssignale LB, LF, RF und RB erzeugt, ist das Äquivalent eines WXY-Kreises und einer Amplitudenmatrix und bildet somit einen WXY-Decoder, vorausgesetzt, daß

~(-LB + LF - RF + RB) = 0
Der WXY-Kreis kann mehr als zwei Eingänge haben.

Ein WXYZ-Decoder kann in Systemen verwendet werden, die eine Höheninformation liefern und acht Lautsprecher verwenden, die an den jeweiligen Ecken eines Würfels angeordnet sind. Wie Fig. 3 zeigt, werden drei Eingangssign ale auf einen WXYZ-Kreis 24 gegeben, der Ausgangssignale W,. X und Y erzeugt, die die gleiche Bedeutung wie die entsprechenden Signale der Fig. 2 haben, sowie ein Oben-Unten-Differenzsignal Z. Die Signale W, X, Y und Z werden auf eine Typ II-Amplitudenmatrix 26 gegeben, die acht Lautsprechersignale LBU, LFü, RFU, RBU, LBD, LFD, RFD und RBD erzeugt. Die Signale werden Lautsprechern zugeführt, die an den entsprechend bezeichneten Stellen in Fig. 4 liegen. Der Aufbau des WXYZ-Kreises 24 hängt von der Art der Eingangssignale ab. Die Ausgangssignale der Typ II-Matrix 26 haben zu den Eingangssignalen die folgende Beziehung:

LBU = -|(-X + W.+ Y + Z)

LFU = -(X + W + Y + Z)

RFU = ·|(Χ + W - Y + Z)

RBU = ·*τ(-Χ + W - Y + Z)

LBD = ·|(-Χ + W + Y - Z)

509841/0640

LFD = -| (X + W +Y-Z)
RFD = ·|(Χ + W - Υ - Z)
RBD = ~(-X + W-Y-Z)

Wie in dem zweidimensionalen Fall ist jeder Decoder das Äquivalent eines WXYZ-Kreises und einer Amplitudenmatrix und bildet somit einen WXYZ-Decoder₇ wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

(LBU+LBD) - (LFU+LFD) + (RFU+RFD) - (RBU+RBD) = 0

(LBD+RBD) - (LFD+RFD) + (LFU+RFU) - (LBU+RBU) = O

(LBD+LFD) - (LBÜ+LFU) + (RBU+RFU) - (RBD+RFD) = 0

(LBU-LBD) - (LFU-LFD) + (RFU-RFD) - (RBU-RBD) = 0

Bezugnehmend auf die Lautsprecheranordnung und den WXY-Decoder, der in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist gemäß der Erfindung eine Anordnungssteuereinheit vorgesehen, um die Verstärkungen der X- und Y-Signale relativ zu dem W-Signal zu steueren und die nicht quadratische Anordnung zu kompensieren, die erhalten wird, wenn θ nicht gleich 45° ist. Wenn z.B. θ <, 45°, muß die Verstärkung für das Vorne-Minus-Hinten-Signal für die erhöhte Vorne-Hinten-Trennung der Lautsprecher verringert werden, und in gleicher Weise muß die Verstärkung des Links-Minus-Rechts-Signals Y zur Kompensation der verringerten Seite zu Seite-Lautsprechertrennung erhöht werden.

Wie Fig. 5 zeigt, ist eine Anordnungssteuereinheit 28 zwischen den WXY-Kreis 20 und die Typ I-Amplitudenmatrix geschaltet. Die Anordnungssteuereinheit 28 hat Verstärkungseinstellvorrichtungen 29 und 30, die so ausgebildet sind, daß sie mit der Verstärkung

{~2 sin θ

das X-Signal bzw. mit der Verstärkung

cos θ

509841/0640

das Y-Signal beaufschlagen/ um der Amplitudenmatrix 22 Eingangssignale W, X¹ und Y¹ zuzuführen.

Eine Form der Anordnungssteuereinheit 2 8 ist in Fig. 6 gezeigt. Die VerstärkungsSteuereinheiten 29 und 30 umfassen Inverterverstärker 32 und 34, von denen jeder einen Rückkopplungswiderstand R, einen Eingangswiderstand S und einen Ausgangswiderstand T hat. Die Ausgangssignale X¹ und Y¹ der Verstärkungssteuereinheiten 29 und 30 sind auch durch ein Potentiometer U verbunden. Der Widerstand R kann irgendeinen geeigneten Viert haben.und der Widerstand U kann irgendeinen geeigneten Wert der Art haben, daß

U< J2L

wobei L die Eingangsimpedanz der Amplitudenmatrix 22 für alle Eingangssignale ist. Wenn daher

UL

y 2 L-U

\J 2 L-U

^{S =} (2+f2)L

sind die Verstärkungen für die X- und Y-Signale in guter Annäherung

sin θ bzw.

\] 2 cos θ

wenn θ in dem Bereich von O^ bis 90° liegt. In der Praxis ist vorzuziehen, θ in dem Bereich von etwa 25° bis 65° zu halten, da außerhalb dieses Bereiches der Winkel, der an dem Hörplatz von zweien der Paare benachbarter Lautsprecher gebildet wird, unzweckmäßig groß wird. Dieser Bereich kann durch Reihenschaltung fester Widerstände zu dem Potentiometer U und Verringerung des Widerstandswertes des Potentiometers, so daß der Gesamtwiderstand gleich bleibt, begrenzt v/erden.

509841/0640

Das W-Eingangssignal der Anordnungssteuereinheit 25 wird auch auf dessen W-Ausgangssignal durch einen Inverterverstärker 35 gegeben, der Rückkopplungs- und Eingangswiderstände mit gleichem Wert R hat, so daß die Phaseninversion, die in den X- und Y-Signalen hervorgerufen wird, durch die Kreise mit veränderbarer Verstärkung angepaßt v/ird.

Die Änderung der relativen Amplituden der X- und Y-Signale hat exakt die gleiche Wirkung wie die Änderung der Phase des Phasensignals P₁ relativ zu dem Rundstrahlsignal W..

Die obigen Verstärkungen

\|2 sin θ
in dem X-Signalweg und

cos θ

in dem Y-Signalweg sind Näherungen erster Ordnung der idealen Verstärkungen. Bessere Näherungen werden erhalten, wenn die Verstärkungen die Form

\j 2 k sin θ bzw. J2 k cos θ

haben. Bei Frequenzen unter etwa 500 Hz ist die bevorzugte Form von k gegeben durch

k =

sin 2Θ 2 sin θ cos θ

die nahezu gleich 1 ist, wenn θ gleich 45° ist. Bei höheren Frequenzen ist der bevorzugte Wert von k gleich 1. Wenn, wie oben beschrieben wurde, diese Verstärkungen nicht frequenzabhängig sind,, ist die Wahl von k = 1, wie oben beschrieben wurde, für alle Frequenzen zufriedenstellend.

Ähnliche Techniken können in Verbindung mit einem WXYZ-Decoder für eine Quaderanordnung mit acht Lautsprechern angewandt werden. Um einen Decoder für die in Fig. 7 gezeigte Anordnung zu schaffen, wird der in Fig. 3 gezeigte Decoder, wie in Fig. 8 gezeigt ist, durch Einfügen einer

509841 /0640

Anordnungssteuereinheit 36 abgewandelt, die Verstärkungseinstellvorrichtungen 38, 40 und 42 für die X-, Y- und Z-Kanale zwischen dem WXYZ-Kreis 2 4 und der Typ II-Amplitudenmatrix 26 aufweist. Die angenäherten optimalen Verstärkungen für Frequenzen über und unter 500 Hz sind in der Tabelle I gezeigt:

Tabelle I

Kanal. . .	. HF-Verstärkung	₊ b²	ac	+	2 2 c a	NF-Vers tärkung	+ b² +	2 C
y		-ß	2 C			ΓΣ /a	/Jb
		_{+ ΐ} ²	be	+	2 2 c a		+ b² +	2" C
γ		/J	2 C			J?	/Ja
	ΛΚ	+ b²	ab	+	2 2 c a		+ b +
		2 C		/2 /a	/Jc

Wie für den rechteckigen Decoder können, wenn die Verstärkungen frequenzunabhängig sind, die Werte verwendet werden, die für die hohen Frequenzen gezeigt wurden. Diese Werte entsprechen den in Tabelle II gezeigten.

Tabelle· II

Kanal	Verstärkung
X	/3 sin θ
Y	/— cos Θ . /2 ein φ ν/2
Z	/~ cos θ . /2 cos φ s/2

50984.1/0640

- 15 wobei

sin θ ^: cos θ sin φ ^: cos θ cos φ

Die Verstärkungseinstellvorrichtungen 38, 40 und 42 können im Aufbau ähnlich den Verstärkungseinstellvorrichtungen 29 und 30 der Fig. 6 sein, wobei jede Verstärkungseinstellvorrichtung 40 und 42 in Kaskade zwei Stufen haben kann, eine mit der Verstärkung

β ν²

•j COS θ

und die andere mit der Verstärkung

-JT sin φ

für die Verstärkung 40 und

J 2 cos φ
für die Verstärkung 42.

Die drei Eingangssignale des WXYZ-Kreises 24 der Fig. 8 können aus linearen Kombinationen der Signale W., Y_& und V₄ bestehen, wobei W. ein Rundstrahlsignal ist, das alle Tonrichtungen mit gleicher Verstärkung aufnimmt, Y- ein Signal ist, das sich aus der Aufnahme eines Tonsignals mit der verstärkung \| 3 y ergibt, und V. ein Signal ist, das sich aus der Aufnahme eines Tons mit der Richtungsverstärkung \J3 (x - qjz) ist, wobei g eine reelle Konstante ist und x, y, ζ die Tonrichtungen sind. Die Ausgangssignale des WXYZ-Kreises 24 haben dann zu ihren Eingangssignalen die folgende Beziehung:

w = W₄
χ = fv₄

Y = fY₄

Z = fjq~¹V₄

wobei f eine reelle Konstante ist. Idealerweise ist bei niedrigen Frequenzen f = 1 und bei mittelhohen Frequenzen

509841/0640

- 16 1

f —

3(l+q"²)

Es ist klar, daß durch Austausch der Achsen andere Codiersysteme erhalten werden können. Z.B. könnte man die Signale mit den Richtungsverstärkungen 1/ χ - jqy# ζ oder 1/ x, y - jgz in Betracht ziehen. Die entsprechenden Decoder werden durch entsprechenden Austausch der Signalwege erhalten.

Die oben beschriebenen Decoder treffen keine besonderen Vorkehrungen für die verschiedenen Mechanismen/ durch die das menschliche Ohr Töne über und unter etwa 700 Hz lokalisiert. Decoder/ die diese Unterschiede nicht berücksichtigen/ verwenden frequenzabhängige Matrizen, die einem "idealen" Niederfrequenzaufbau bei niedrigen Frequenzen und einem "idealen" Hochfrequenzaufbau bei hohen Frequenzen gleichkommen. Es ist auch ein Übergangsbereich von Frequenzen vorhanden, bei dem die Decodermatrix eine Zwischenform hat. Theoretisch sollte die Mitte dieses Übergangsbereichs etwa 700 Hz betragen. Es wurde festgestellt, daß in der Praxis zufriedenstellende Ergebnisse erhalten werden können, wenn die Mitte dieses Übergangsbereichs in dem Bereich von 100 bis 1000 Hz liegt, daß jedoch gute Hörbedingungen außerhalb dieser Mitte das Hörbereichs am besten erhalten werden können, wenn die Mitte dieses Bereichs unter 700 Hz liegt, und ein Wert von 320 Hz wurde als besonders geeignet gefunden.

Es wurde festgestellt, daß vier Lokalisationskriterien bestehen. Zwei dieser Kriterien beziehen sich auf die Spannungsverstärkung und sind bei niedrigen Frequenzen vorherrschend. Die anderen beiden Kriterien beziehen sich auf die Energieverstärkung, der die Signale unterliegen, und sind bei hohen Frequenzen vorherrschend. Die Symbole LB , LF , RF und RB_V stellen die komplexen Spannungsverstärkungen dar, denen ein monophoner Ton in irgendeiner Richtung unterliegt, wenn er das gesamte System durchlaufen hat, d..h. den ursprünglichen Coder und den Decoder, um die vier Laut-

509841/0640

Sprecher zu speisen, die in Fig. 1 gezeigt sind. Denn für einen Ton, für den der gewünschte scheinbare Azimuthwinkel φ ist, besteht die wichtigere Niederfrequenzbedingung, die als die Makita-Bedingung bekannt ist, darin, daß die Größen χ und y, die gegeben sind durch

X = Re

y = Re

/LF_V + LB_V ~

ausdrückbar sein müssen in der Form χ cos θ = r cos φ
y sin θ = r sin φ

wobei r eine positive Zahl ist. Das Symbol "Re" bedeutet "Realteil von". Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird die richtige scheinbare Richtung des Tons bei niedrigen Frequenzen erhalten. Wenn jedoch nicht auch eine zweite Bedingung, die als die Geschwindigkeitsbedingung bekannt ist, erfüllt wird, neigt die scheinbare Richtung des Tons dazu, unstabil zu sein, wenn der Hörer seinen Kopf bewegt. Die Geschwindigkeitsbedingung ist:

(x cos Θ)² + (y sin Θ)² =-1

Bei höheren Frequenzen über -der Übergangs frequenz ist die wichtigste Bedingung die sogenannte Energievektorbedingung, die darin besteht, daß die Größen x_ß und y , die gegeben sind durch

509841 /06A0

ausdrückbar sein müssen in der Form cos θ = r„ cos φ

y_E sin θ =

E
r_E sin

wobei r_E eine positive Zahl ist. Dies bestimmt die richtige Lokalisierung, wenn jedoch die scheinbare Richtung des Tons bei höheren Frequenzen stabil sein soll, wenn der Hörer seinen Kopf bewegt, ist es zusätzlich notwendig, entsprechend der Energiegrößenbedingung, daß die Größe (Kg cos Θ)² + (y_E sind Θ)²

für alle Richtungen so groß wie möglich ist. In der Praxis kann es notwendig sein, auf die Größe dieses Ausdruckes für bestimmte Richtungen zu verzichten, um sie in anderen Richtungen zu verbessern. Der Ausdruck kann selbstverständlich 1 nie überschreiten.

Die Makita-Bedingung und die Energievektorbedingung, die die Grundtonrichtungen bei niedrigen bzw. hohen Frequenzen bestimmen, sind die wichtigsten. Da es nicht klar genug ist, welche dieser Theorien im Bereich der Frequenzen um die übergangsfrequenzen wichtiger ist, ist es wichtig, daß beide Bedingungen in diesem Bereich erfüllt werden. Es kann mathematisch gezeigt werden, daß jeder WXY-Decoder oder WXYZ-Decoder, der entweder die Makita-Bedingung oder die Energievektorbedingung erfüllt, automatisch beide Bedingungen erfüllt. Somit ergeben ein WXY-Decoder oder ein

509841/06A0

WXYZ-Decoder, die so konstruiert sind, daß sie z.B. die Makita-Bedingung bei allen Frequenzen erfüllen, eine richtige Tonlokalisierung bei allen Frequenzen. Dies gilt für die oben beschriebenen Decoder. Um die Stabilität der scheinbaren Tonrichtung zu verbessern, wenn ein Hörer den Kopf bewegt, ist es notwendig, die Geschwindigkeitsbedingung bei niedrigeren Frequenzen und die Energiegrößenbedingung bei höheren Frequenzen zu erfüllen. Dies erfordert die Verwendung von frequenzabhängigen Decodern.

Fig. 9 zeigt einen Decoder ähnlich dem in Fig. 5 gezeigten, der jedoch abgewandelt ist, um die erforderliche Frequenzabhängigkeit zu verbessern. Zwei identische aktive Filter kh, 46, sogenannte "sheIf-Filter", der Art I sind in die X- bzw. y-Signal geschaltet. Ein aktives Filter 48, ebenfalls ein sogenanntes "shelf-Filter", der Art II, ist in den W-Signalweg geschaltet. Die Filter 44, 46 und 48 sind Filter mit im wesentlichen gleichen PhäsenCharakteristiken und jedes hat eine Verstärkung bei niedrigen Frequenzen, unter einer Übergangsfrequenz, eine weitere Verstärkung bei hohen Frequenzen über dieser Übergangsfrequenz, und glättet den übergang von der NF-Verstärkung zu der HF-Verstärkung über ein Frequenzband um die Übergangsfrequenz. Wenn, wie gezeigt ist, das Eingangssignal des Decoders die Form eines Rundstrahlsignals W₁ und eines Phasensignals P₁ hat, sind die relativen Verstärkungen aller Filter 44, 46 und 48 bei Frequenzen über dem Übergangsfrequenzband 1, um eine optimale Hochfrequenzreproduktion entsprechend der Energiegrößenbedingung zu ergeben. Bei Frequenzen unter dem Übergangsfrequenzband sind die Verstärkungen der Filter I relativ zu derjenigen des Filters II

sin 2Θ

was etwa gleich 2 ist, wenn θ in dem Bereich von 30° bis 60 liegt. Es ist daher zufriedenstellend, wenn die Filter des Typs I die doppelte Verstärkung des Filters des Typs II

5098A1/06A0

bei Frequenzen unter dem Übergangsfrequenzband haben.

Ein besonderer Decoderkreis dieser Art ist in Fig. 10 gezeigt. Um die Anzahl der erforderlichen Bauelemente zu verringern/ liegen die aktiven Filter und die Anordnungssteurung vor einem abgewandelten WXY-Kreis 50. Dies bedeutet, daß ein einziges aktivesFilter 52 des Typs I in den Phasensignalwegabstelle der beiden aktiven Filter 44 und 46 des Typs I in den X- bzw. Y-Signalv/egen geschaltet ist. Die AnordnungsSteuereinheit 20 führt zwei Phaseneingangssignale dem WXY-Kreis 50 zu, der zwei O°-Phasenschieberkreise 54 und 56 und einen 90°-Phasenschieberkreis 58 aufweist.

Das aktive Filter 48 ist notwendig, um eine komplexe Frequenzcharakteristik zu haben, die gegeben ist durch:

1 - Su¹Z₂

wobei a. die NF-Verstärkung und b, die HF-Verstärkung ist. Dieses Filter besteht aus einem Verstärker 60, der mit einem Kapazitätsnetzwerk, bestehend aus Widerständen R₁, R₂ und R₃ und einem Kondensator C₁, verbunden ist. Dieses wiederum ist mit einem Paral^lelkreis verbunden, der einen Verstärker 62 und einen Kondensator C in dem einen Zweig und einen Verstärker 6 4 und einen Widerstand R. in dem anderen Zweig hat. Für eine Übergangsfrequenz von 200 Hz haben die Veränderbaren in dem Ausdruck für die Frequenzcharakteristik und die Schaltungsbauelemente "die in der Tabelle III angegebenen Werte.

509 8 41/0640

	von	- 21 -	60	0,6	325
	von	Tabelle III	62	1
^ai	von		64	946	,3 usec
^bi				838	,8. usec
^Ti				1,	2649
^T2				-1
Verstärklang	^Cl		1
Verstärkung	^C2		ο,	1325 R_o
Verstärkung		ο,	3675 R_o
^Rl		ο,	^{5 R}o
^R2	3237	usec
^R3	T ^λ2
^Ro
^R4

Die Werte von R und R. v/erden entsprechend der KonstruktionsZweckmäßigkeit beliebig gewählt.

Das aktive Filter 52 für das Phasensignal hat die folgende komplexe Frequenzcharakteristik:

wobei a die NF-Verstärkung und b~ die HF-Verstärkung ist. Dieses Filter besteht aus zwei parallelen Wegen, einer besteht aus dem Verstärker 66 und einem Widerstand R_r und der andere aus einem Verstärker 68 und einem Kondensator C.,.

509841/0640

Die Werte der verschiedenen Schaltungsbauelemente sind in der Tabelle IV angegeben.

Tabelle IV

a₃ 2 a_x

b₃ D₁

T₃ 669,2 usec Verstärkung von 54 1,2649

Verstärkung von 56 -1

R₁- C-, 752,6 usec

Der Wert des Widerstandes R₁. wird entsprechend der KonstruktionsZweckmäßigkeit beliebig gewählt.

Die Anordnungs Steuereinheit 28 besteht aus einen verstärker 70 mit der Verstärkung 1,707, zwei Festwiderständen 72 und in Reihe mit dem Ausgang der beiden Phasenschieberkreise und 58 in dem WXY-Kreis 50 und einer Kette, die aus zwei Festwiderständen 76 und 78 und einem Potentiometer 80 gebildet ist und die parallel zu den beiden Ausgängen des Netzwerkes geschaltet ist. Der Schiebekontakt des Potentiometers 80 ist geerdet. Die beiden Widerstände 76 und 78 in Reihe mit dem Potentiometer haben jeweils Widerstandswerte, die gleich dem halben Widerstandswert des Potentiometers 80 sind. Die beiden Serienwiderstände 72 und 74 haben jeweils einen Widerstahdswert gleich dem 1,414-fachen Widerstandswert des Potentiometers 80. Der Verstärker 6O stellt sicher, daß die Summe der Energien an den beiden Ausgängen der Anordnungssteuereinheit 2 8 effektiv gleich der Energie an deren Eingang ist.

Die in Fig. 10 gezeigte Schaltung hat auch ein Hochpaßfilter 82 in dem Eingangsweg für die Signale P . Das Hochpaßfilter 82 besteht aus einem Kondensator 84 und einem

50 9.8 41/0640

Potentiometer 86. Der Zweck dieses Filters ist es, die Wirkung an der Hörstelle infolge des Abstandes zwischen den Lautsprechern und einem zentralen Hörer zu kompensieren. Die Wirkung eines endlichen Lautspreeherabstandes besteht darin, eine Baßanhebung und eine Phasenverschiebung in den NF-Komponenten der Geschwindigkeit des Tonfeldes beim Hörer zu erzeugen, und dies kann wiederum die Tonbildqualität verschlechtern und in bestimmten Fällen zu Fehlern bei der Lokalisierung von Tonbildern auf beiden Frequenzen führen.

Bei der Benutzung wird das Potentiometer 86 derart eingestellt, daß die Zeitkonstante des Filters gleich der Zeit ist, die der Ton benötigt, um von irgendeinem Lautsprecher 11 bis 14 zum Mittelpunkt 10 des Hörbereichs (Fig. 1) zu gelangen. Dem Potentiometer 86 ist vorzugsweise eine im Abstand geeichte Skala zugeordnet/ um diese Einstellung zu erleichtern.

Es sollte noch erwähnt werden, daß, wie in Fig. 1 gezeigt ist. die Lautsprecher 11 bis 14 vorzugsweise gleichen Abstand von dem Mittelpunkt 10 haben. Wenn die Abstände der verschiedenen Lautsprecher von dem Mittelpunkt 10 verschieden sein müssen, werden die Amplitudenverstärkungen der Signale für die entfernteren Lautsprecher erhöht, bis ein subjektiv zufriedenstellendes Ergebnis erhalten wird.

Eine ähnliche Kompensation für die verschiedenen Lokalisierungsmechanismen, die vom menschlichen Ohr bei niedrigen und hohen Frequenzen benutzt^ werden, kann auf die WXYZ-Decoder angewandt werden, wobei ein aktives Filter des Typs I in die X, Y und Z-Kanäle und ein aktives Filter des Typs II in den W-Kanal geschaltet werden. Wenn das Eingangssignal ein 4-Kanal-Signal ist, das aus vier linearen Kombinationen eines Rundstrahlsignals und drei Signalen besteht, die sich aus der Aufnahme eines Tons aus einer Ankunftsrichtung, gegeben durch RichtungsCosinusse (x, y, z) mit den jeweiligen

509841/0640

-zk-

Richtungsverstärkungen ^ 3 χ, | 3 y und \j 3 z, sind die HF-Verstärkungen dieser aktiven Filter wiefolgt:

NF- und

Filter
I

NF-Verstärkung 1

HF-Verstärkung

IT

Fig. 11 zeigt einen Decoder gemäß der Erfindung zur Verwendung für sog. "diskrete" oder "paarweise gemischte" 4-Kanal-Signale. Solche 4-Kanalsignale ordnen Töne einer horizontalen Richtung zwischen den Azimuthen zweier benachbarter Lautsprecher einer quadratischen Anordnung dadurch zu/ daß sie diese beiden Kanäle entsprechend benachbarten Lautsprechern mit der gleichen Phase, jedoch verschiedenen Intensitäten zuführen. Es sind damit vier Eingangssignale LB., LFw RF₁ und RB vorhanden. Für einen Azimuth-Winkel φ ausgehend von der Frontrichtung sind die Verstärkungen der Signale in den vier Eingangskanälen in Tabelle V gezeigt.

Tabelle V

	-U5°<	U5°^	ςφ^135°	135^C	(225	^225°	-135'	^ φ ^5°
LB₁		COB	(135°-φ)	sin	O	°~4)		O
LF₁	COB I	sin	(135°-φ)		O			O
RP₁	sin <		O		(225		COS	*(-ί5°-φ)**
RB₁			O	cos	°"Φ)	ein	(^5°-φ)
ζ φ ^5°
0
;ΐι5°-φ)
[*4-5°-φ)
0

Solch'eine Codierangabe wird allgemein benutzt. Sie kann unter Verwendung eines WXY-Decoders decodiert werden, wie in Fig. 13 gezeigt ist. Der WXY-Kreis 88 davon besteht aus einer Typ III-Amplitudenmatrix 90 in der Form

509841/0640

= i (LB ^LF _X+RF

Die Differenzausgänge X₂ und Y₂ der Amplitudenmatrix 90 sind über jeweilige O°-Phasenschieberkreise 92 und 9 4 verbunden, um die X- und Y-Ausgangssignale zu liefern. Das Rundstrahlausgangssignal W₂ wird über einen O°-Phasenschie-berkreis 96 und das Diagonaldifferenz-Ausgangssignal F über einen 90°-Phasenschieberkreis 9 8 zu einem Proportionaladdierer geleitet, der das W₂-Eingangssignal mit einer Verstärkung von 0,707, das jF-Eingangssignal mit einer Verstärkung von 0,455 beaufschlagt und dann diese beiden Signale addiert', UiTi das W-Ausgangssignal zu erzeugen. Die X- und Y-Signale werden auf aktive Filter. 102 und 104 ähnlich dem aktivenFilter 52 in Fig. 12 gegeben, die jedoch die Verstärkung 1 bei niedrigen Frequenzen und die Verstärkung J3/4 bei hohen Frequenzen haben. Das W-Signal wird auf ein aktives Filter 106 vom Typ II ähnlich dem aktiven Filter 48 der Fig. 10 gegeben, das jedoch bei niedrigen Frequenzen die Verstärkung 1 und bei hohen Frequenzen die Verstärkung J 3/2 hat. Die Ausgänge der Filter 102 und 104 sind mit veränderbaren Hochpaßfiltern 108 und 110 verbunden, die gleich dem Hochpaßfilter 82 der Fig. 10 sind und deren Steuerung ihrer Potentiometer gekuppelt ist. Diese Filter 108 und 110 kompensieren die Lautsprechernähe, wie anhand der Fig. 10 beschrieben wurde. Die Ausgangssignale der Filter 108 und 110 werden dann auf eine Anordnungssteuereinheit 112 gegeben. Die Anordnungssteuereinheit 112 hat zwei Eingangsverstärker 114 und 116, von denen jeder die Verstärkung 2,414 hat und deren Ausgänge mit den Ausgängen der Anordnungssteuereinheit durch gleiche Widerstände 118 und 120 verbunden sind. Eine Widerstandskette, bestehend aus einem Widerstand 122, einem Potentiometer 124 und einem Widerstand 126 ist zwisehen die Ausgänge der Abstandssteuereinheit geschaltet. Die Beziehung zwischen

509841/0640

den Widerstandswerten des Potentiometers 124 und den verschiedenen Widerständen ist in der Tabelle VI aufgeführt, wobei S irgendeinen geeigneten Wert hat.

Tabelle VI

	Widerstandswert
Bauelement	0,707 S
118	0,707 S
120	0,25 S
122	0,50 S
124	0,25 S
126

Die Verwendung der Widerstände 122 und 126 in Reihe mit dem Potentiometer 112 begrenzt den Einstellbereich der Anordnungssteuerung auf denjenigen, in dem zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden können, wie oben anhand der Fig. beschrieben wurde.

Der in Fig. Il gezeigte Decoder kann auch als 4-Lautsprecher-Decoder für übliche Stereoaufzeichnungen verwendet werden, indem die beiden Stereokanäle L und R mit den Eingängen LF

verbunden und die beiden anderen Eingänge LB und

RB₁ geerdet werden. Derartige Stereosignale werden dann als paarweise gemischte 4-Kanal-Signale behandelt, für die alle

Töne in dem Quadranten -45 bis +45 ausgehen.

Der Decoder gemäß der Erfindung kann zum Decodieren von Signalen des TMX-3-Kanalsystems verwendet werden, bei dem das Eingangssystem zu den Decodern aus drei Kanälen wie folgt besteht.

509841/0640

L = -|(W₃ +

R = A

wobei P₃X ein Signal ist/ dessen Azimuth-Verstärkung die komplex konjugierte Verstärkung von P₃ ist, die D.H. Cooper, T. Shiga und T. Takagi in "QMX Carrier Channel Disc", Journal of the Audio Engineering Society, Band 21, Seiten 614 bis 624, Oktober 1973, beschrieben haben. Der WXY-Kreis 88 der Fig. 11 ist durch einen WXY-Kreis ersetzt, der in Fig. 12 gezeigt ist. Die L- und R-Eingangssignale sind mit einer Typ IV-Matrix 110 der Form:

W₃ = L + R
JP₃ = L - R

verbunden.

Der W₃-Ausgang der Matrix 130 ist über einen O°-Phasenschieberkreis 132 mit dem W-Ausgang des WXY-Kreises verbunden. Der JP₃-AuSgang der Matrix 130 ist mit einem 0°- Phasenschieberkreis 134 und eimen -90°-Phasenschieberkreis 136 verbunden. In gleicher Weise wird das !"„,-Eingangssignal der TMX-Quelle auf einen -90°-Phasenschieberkreis 138 und einen -l80°-Phasenschieberkreis 140 gegeben. Die Ausgangssignale der beiden -90°-Phasenschieberkreise 136 und 138 werden jeweils mit einer Verstärkung von 0,707 in einem Proportionaladdierer 142 addiert, dessen Ausgang den X-Ausgang des WXY-Kreises bildet. In gleicher Weise werden die Ausgangssignale des O°-Phasenschieberkreises 134 und des -l80°-Phasenschieberkreises 140 beide mit einer Verstärkung von 0,707 in einem Proportionaladdierer 144 addiert, dessen Ausgang den Y-Ausgang des WXY-Kreises bildet.

Der Decoder gemäß der Erfindung kann auch für das QMX-System beschrieben werden, das von D.H. Cooper, T.Shiga

509841 /0640

und T. Takagi in "QMX Carrier Channel Disc" beschrieben ist. Das QMX-Disc-System hat TMX-Signale, in denen das T -Signal eine beschränkte Bandbreite hat und daher über etwa 6 KHz nicht vorhanden ist. In einem Decoder für dieses System ist der WXY-Kreis, der in Fig. 12 gezeigt ist, durch einen WXY-Kreis ersetzt, der in Fig. 13 gezeigt ist. Dieser Kreis unterscheidet sich von dem Kreis der Fig. 12 darin, daß die W- und jP-Ausgangssignale der Typ IV-Matrix 130 über ein Allpaßfilter 146 und ein Typ III aktives Filter 148 und das T -Eingangssignal über ein Tiefpaßfilter 150 mit einer Abschneidfrequenz von etwa 2 KHz geleitet werden. Das Allpaßfilter 146, das aktive Filter 148 und das Tiefpaßfilter 150 haben alle im wesentlichen die gleiche Phasencharakteristik und haben alle bei gut unter 2 KHz die Verstärkung 1.Das aktive Filter 148 hat die Verstärkung J2 bei hohen Frequenzen und eine Übergangsfrequenz die gleich der -6 dB-Frequenz des Tiefpaßfilters 150.

Das Tiefpaßfilter 150 hat zwei identische Widerstands-Kondensator-Tiefpaßfilter in Kaskade, das Allpaßfilter 146 ist ein Widerstandskondensator-Allpaßfilter der gleichen Zeitkonstante wie das Tiefpaßfilter 150 und das aktive Filter i48 ist ein aktives RC -, Filter, dem ein phasenkompensierendes Allpaßfilter ähnlicher Konstruktion wie diejenigen, die für das aktive Typ II Filter 48 der Fig. 10 wendet wurden.

Im Falle von WXY-Kreisen mit zwei Eingängen müssen die Eingangssignale nicht das tatsächliche Runds tr ah !eingangssignal W₁ und das Phaseneingangssignal P, sein. Irgendeine nicht singuläre lineare Kombination hiervon kann mit einem in geeigneter Weise abgewandelten WXY-Kreis verwendet werden. Die Signale Q und R, die zu den Signalen W und P wie folgt in Beziehung stehen:

Q 3 0(W₁
R =

509841 /0640

wobei o( und ρ komplexe Zahlen und ο(*· und J^ ^- ihre jeweiligen komplexen Konjugationen sind, können anstelle der Signale W₁ und P, verwendet werden. Dies ist deshalb/ weil diese Signale gleiche Amplitude/ jedoch verschiedene Phase haben.

Ein Decoder gemäß der Erfindung kann auch dazu verwendet werden, Eingangssignale zu decodieren, die als aus zwei Signalen W₄ und P₄ bestehend betrachtet werden können. W₄ ist ein Rundstrahlsignal mit der Verstärkung l in allen Richtungen und P₄ ist ein Signal mit der Verstärkung

m cos φ - j sin φ

wobei φ der Azimuth-Winkel von der Frontrichtung aus und m reell ist. Wenn m = 1, ist das Signal P₄ selbstverständlich ein übliches Phasensignal. Eingangssignale in Form von Signalen W₄ und P₄ können durch einen WXY-Kreis entsprechend den folgenden Gleichungen decodiert werden:

m/2

Y = /2

Die Codiersysteme, die als "BBC Matrix G" und "BBC Matrix H" bekannt und in British Broadcasting Corporation Research Department, Engineering Division Report BBD RD 1974 - 29, "The subjective Performance of Various Quadraphonic Matrix Systems" November, 19 74, beschrieben sind, erzeugen Signale L und R entsprechend den linken und rechten Stereosignalen. Es kann gezeigt werden, daß die Signale L und R wie folgt als lineare Kombinationen der Signale W₄ und P₄ angesehen werden können:

₄ = _VL· ₄ = <£ L

c η ο α λ 1 /ηκ/,π

wobei yund £ komplexe Zahlen des Betrags 1 ungleich Null

C
und I/* und d-x· ihre komplexen Konjugationen sind. Die Signale W₄ und P₄ können dann von dem oben beschriebenen WXY-Kreis mit m etwa gleich 0,6 8 decodiert werden.

Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wurden die Signale W¹, X¹ und Y¹ oder W¹, X¹/ Y¹ und Z¹ als diskrete Signale erzeugt und entweder auf eine Typ I- oder Typ II-Amplitudenmatrix gegeben. Die Erfindung ist jedoch auch auf Systeme anwendbar, in denen diese Signale nicht in selbständiger diskreter Form auftreten, sondern in Form von linearen Kombinationen voneinander, wobei die Ausgangssignale der Lautsprecher direkt aus solchen linearen Kombinationen erzeugt werden.

Wenn es möglich ist, die Positionen der Kreise auszutauschen oder Kreise zu kombinieren, ohne die Gesamtfunktion zu ändern, liegen diese Abwandlungen innerhalb des Rahmens der Erfindung. Wenn z.B. zwei aufeinanderfolgende Kreise mathematisch als jeweilige Matrizen ausgedrückt werden können, können sie durch einen einzigen Kreis ersetzt werden, der mathematisch durch das Produkt der beiden Matritzen dargestellt werden kann.

Auch können an jeder Stelle in den beschriebenen Systemen zusätzliche Verstärker eingefügt werden, um eine solche Gesamtverstärkung zu bewirken, wie sie von dem Fachmann für notwendig oder wünschenswert gehalten wird. Insbesondere werden die Ausgangssignale zu den verschiedenen Lautsprechern üblicherweise über Leistungsverstärker zu ihren jeweiligen Lautsprechern geleitet.

Bei allen Ausführungsformen der Erfindung können zusätzliche direkte Signalwege zwischen dem WXY-Kreis oder dem WXYZ-Kreis und der Amplitudenmatrix, die Lautsprechersignale erzeugt, vorhanden sein. Z.B. kann bei der Aus führungs form der Fig. ein vierter Signalweg F zugeführt werden, der den WXY-Kreis

509841/0640

direkt mit der Amplitudenmatrix 2 8 verbindet, die dann so ausgebildet ist/ daß sie wie folgt Ausgangssignale erzeugt:

LB = -|(-X' + W + Y^f - F)

LF = ·|(Χ· + W + Y¹ + F)

RF = -|(X' + W - Y¹ - F)

RB = ·|(-Χ' +W¹ - Y¹ +F)

Dies ist wie vorher, wenn das Signal F 0 ist. Die Zufügung des F-Gignalwegs beeinflußt die Gesamtrichtungswirkung des Decoders nicht, vorausgesetzt, daß F gegenüber X¹ und Y¹ für alle Richtungen um + 90° phasenverschoben ist.

509841 /06A0

Claims

- 32 -

Ansprüche

Decoder für ein Tonwiedergabesystem mit vier Lautsprechern/ die ein Hörfeld umgeben und an den Ecken eines nicht quadratischen Rechtecks liegen, bestehend aus einer Eingangseinrichtung zum Empfang wenigstens zweier Eingangssignale, die Rundstrahl- und Phasensignalkomponenten enthalten, und einer Ausgangseinrichtung zur Erzeugung eines jeweiligen Ausgangssignals für jeden Lautsprecher, wobei die Ausgangssignale erste Differenzsignalkomponenten enthalten, die die Differenz der Signalstärke zwischen der Summe der Signale für ein erstes benachbartes Paar der Lautsprecher und der Summe der Signale für ein zweites benachbartes Paar angeben, das aus den beiden anderen Lautsprechern besteht, sowie zweite Differenzsignalkomponenten, die die Differenz der Signalstärke zwischen der Summe der Signale für ein drittes benachbartes Paar von Lautsprechern, das aus dem einen Lautsprecher des ersten und zweiten benachbarten Paars besteht, und der Summe der Signale für ein viertes benachbartes Paar von Lautsprechern angeben, das aus dem anderen Lautsprecher des ersten und zweiten benachbarten Paars von Lautsprechern besteht, gekennzeichnet durch eine Anordnungssteuereinrichtung (28), um die ersten und zweiten Differenzsignalkomponenten (X, Y) mit ersten und zweiten Verstärkungen zu beaufschlagen, wobei das Verhältnis zwischen den ersten und zweiten Verstärkungen im wesentlichen gleich dem Verhältnis zwischen dem Sinus des Halbwinkels ist, der in der Mitte (10) des Hörfeldes von dem ersten Paar Lautsprecher (11, 14), und dem Sinus des Winkels, der von dem dritten Paar Lautsprecher (11, 12) gebildet wird.

2. Decoder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinrichtung eine Amplitudenmatrix (22) aufweist.

3. Decoder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungssteuereinrichtung (28) eine Einrich-

509841/0640

tung (29) zur Erzeugung eines Signals an einem ersten Ausgang aufweist, das aus den ersten Differenzsiqnalkomponenten besteht, eine Einrichtung (30) zur Erzeugung eines Signals an einem zweiten Ausgang, das aus den zweiten Differenzsignalkomponenten besteht, und einen Widerstand (U) mit einem geerdeten Mittelabgriff der zwischen den ersten und zweiten Ausgang geschaltet ist, wobei das Verhältnis des Widerstandes zwischen dem Mittelabgriff und dem ersten Ausgang zu dem Widerstand zwischen dem Mit te !.abgriff und dem zweiten Ausgang dem Verhältnis zwischen den ersten und zweiten Verstärkungen proportional ist.

4. Decoder nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangseinrichtung (20) eine Einrichtung zur Erzeugung eines Rundstrahlsignals (W), eines ersten Differenzsignals (X) und eines zweiten Differenzsignals (Y) aus den Eingangssignalenaufweist.

5. Decoder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangseinrichtung (88) eine Amplitudenmatrix (99) aufweist, die auf paarweise gemischte 4-Kanal~Eingangssignale anspricht, um ein Rundstrahlsignal (W„), die ersten und zweiten Differenzsignale (X und Y) und ein Diagonaldifferenzsignal (F) zu erzeugen, und eine Einrichtung, um das Diagonaldifferenzsignal mit einer 90°-Phasenverschiebung zu beaufschlagen und das in der Phase verschobene Diagonaldifferenzsignal (F) zu dem Rundstrahlsignal (W₂) zu addieren.

6. Decoder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangseinrichtung eine Amplitudenmatrix (130) aufweist, die auf die ersten und zweiten Eingangssignale (L, R) anspricht, von denen jedes eine Rundstrahlsignalkomponente und eine Phasensignalkomponente enthält, wobei die Amplitudenmatrix so ausgebildet ist, daß sie ein Rundstrahlausgangssignal W₃ und ein Phasenausgangssignal

509841/0640

- 3k -

(P_) erzeugt, daß die Eingangseinrichtung auch einendritten Eingang zum Empfang eines Signals (T ) aufweist, das die komplexe Konjugation der Phasensignalkomponente enthält, eine Einrichtung (144), um das dritte Eingangssignal von dem Phasenausgangssignal der Matrix zu subtrahieren und das zweite Differenzsignal (Y) zu bilden, sowie eine Phasenschiebereinrichtung (136, 138), um das Phasenausgangssignal der Matrix und das dritte Eingangssignal mit einer 90°-Phasenverschiebung zu beaufschlagen, und eine Einrichtung, um die in der Phase verschobenen Signale zur Bildung des ersten Differenzsignals (X) zu addieren.

7. Decoder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Eingang (T„) mit seiner Phasenschiebereinrichtung über ein Tiefpaßfilter (150) und der Ausgang des Phasenausgangssignals (P₃) der Matrix (130) mit seiner Phasenschiebereinrichtung und der Subtrahiereinrichtung über ein aktivesFilter (148) verbunden ist, das eine Übergangsfrequenz im wesentlichen gleich der Abschneidfrequenz des Tiefpaßfilters und eine höhere Verstärkung über der Übergangsfrequenz als unter der Übergangsfrequenz hat.

8. Decoder nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangseinrichtung (17, 18) derart.ausgebildet ist, daß sie ein Phasensignal (P₁) zu der Anordnungssteuereinrichtung (2 8) leitet, daß die Anordnungssteuereinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie das Phasensignal mit einer ersten Verstärkung beaufschlagt, um ein erstes Ausgangssignal zu erzeugen, das die erste Differenzsignalkomponente enthält, und um das Phasensignal mit einer zweiten Verstärkung zu beaufschlagen„und ein zweites Ausgangssignal zu erzeugen, und daß eine Einrichtung (5 8) vorhanden ist, um das zweite Ausgangssignal mit einer 90°-Phasenverschiebung zu beaufschlagen und ein Signal zu erzeugen, das die zweiten Differenzsignalkomponenten enthält.

509841/0640

Decoder nach Anspruch 1 oder 2 für ein Tonwiedergabesystem mit acht Lautsprechern, die an den Ecken eines nicht würfelförmigen Quaders angeordnet sind, wobei die Eingangsein— richtung zum Empfang wenigstens dreier Eingangssignale und die Ausgangseinrichtung zur Erzeugung eines jeweiligen Ausgangssignals für jeden Lautsprecher ausgebildet sind, .dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Differenzsignalkomponenten (X) die Differenz der Signalstärke zwischen der Summe der Signale der vier Lautsprecher (LBU, LFU, LBD, LFD) an den Ecken einer ersten Fläche des Quaders und der Summe der Signale für die vier Lausprecher (RBU, RFU, RBD, RFD) an der Fläche des Quaders gegenüber der ersten Fläche angeben, und daß zweite Differenzsignalkomponenten (Y) die Differenz der Signalstärke zwischen der Summe der Signale der vier Lautsprecher (LFU, RFU, LFD, RFD) an den Ecken der zweiten Fläche des Quaders senkrecht zur ersten Flächer und der Summe der Signale der vier Lautsprecher (LBU, RBU, LBD, RBD) an den Ecken der Fläche des Quaders gegenüber der zweiten Fläche angeben, wobei die Ausgangssignale auch dritte Entfernungssignalkomponenten (Z) enthalten, die die Differenz der Signalstärke zwischen der Summe der Signale der Lautsprecher (LBU, LFU, RFU, RBU) an den Ecken einer dritten Fläche des Quaders senkrecht zu der ersten und der zweiten Fläche und der Summe der Signale für die vier Lautsprecher (LBD, LFD, RFD, RBD) an der Fläche des Quaders gegenüber der dritten Fläche angeben, und daß die Anordnungssteuereinrichtung (36) so ausgebildet ist, daß sie die dritte Differenzsignalkomponente mit einer dritten Verstärkung beaufschlagt, wobei das Verhältnis zwischen den ersten, zweiten und dritten Verstärkungen dem Verhältnis zwischen den Abständen' (a, b, c), die die erste, zweite und dritte Fläche des Quaders von ihren jeweiligen gegenüberliegenden Flächen trennen, umgekehrt proportional sind.

509841 /0640

10. Decoder nach einem der .vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasensignalkomponenten über eine Hochpaßfiltereinrichtung (82) geleitet werden, die eine Einrichtung zur Änderung deren Zeitkonstante hat, so daß die Zeitkonstante gleich der Schallaufzeit von den Lautsprechern zu der Mitte des Hörfeldes eingestellt wird.

11. Decoder für ein Tonwiedergabesystem, bestehend aus einer Ausgangseinrichtung zur Erzeugung von Ausgangssignalen für wenigstens drei Lautsprecher, die einen Hörplatz umgeben, und einer Eingangseinrichtung zum Empfang wenigstens zweier Eingangssignale, die Drucksignalkomponenten enthalten, die für die Summe der gewünschten Ausgangssignale typisch sind, und Geschwindigkeitssignalkomponenten, die für die gewünschte Geschwindigkeit des Tonfeldes an dem Hörplatz typisch sind, gekennzeichnet durch eine Verstärkungseinstelleinrichtung (44, 46, 48) zwischen der Eingangseinrichtung (20) und der Ausgangseinrichtung (22), die so ausgebildet ist, daß sie die Druck- und Geschwindigkeitssignalkomponenten derart mit frequenzabhängigen relativen Verstärkungen beaufschlagt, daß die Verstärkung, mit der die Drucksignalkomponenten mit Frequenzen . wesentlich über einer bestimmten Frequenz beaufschlagt werden, geteilt durch die Verstärkung, mit der die Geschwindigkeitssignalkomponenten mit Frequenzen wesentlich über der bestimmten Frequenz beaufschlagt werden, größer als die Verstärkung ist, mit der die Drucksignalkomponenten mit Frequenzen wesentlich unter der bestimmten Frequenz beaufschlagt werden, geteilt durch die Verstärkung, mit der die Geschwindigkeitssignalkomponenten mit Frequenzen wesentlich unter der bestimmten Frequenz beaufschlagt werden.

12. Decoder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangseinrichtung (20) derart ausgebildet ist, daß sie ein diskretes Signal erzeugt, das nur Drucksignalkomponenten enthält, und wenigstens ein diskretes Signal,

509841/0640

das nur Geschwindigkeitssignalkomponenten enthält, und daß die Verstärkungseinstelleinrichtung ein aktives Filter (44, 46) hat, das" eine erste Charakteristik für das bzw. jedes Geschwindigkeitssignal hat, sowie ein aktives Filter (48), das eine zweite Charakteristik für das Drucksignal hat.

13. Decoder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung des aktivenFilters vom ersten Typ bei Frequenzen wesentlich unter der Übergangsfrequenz zweimal so große wie die des Filters des zweiten Typs ist.

0 9 841 /0640