DE2512287C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Decoder für ein Tonwiedergabesystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Aus der deutschen Patentanmeldung P 22 04 668.0 ist ein Tonwiedergabesystem bekannt, das dem Hörer ermöglicht, von sich über 360 Grad Azimuth erstreckenden Schallquellen 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 Verstärkung I 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 Grad 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 Lautsprechern, 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. Eine derartige Anordnung leidet an dem Nachteil, daß die erhaltenen Ergebnisse weniger akzeptabel sind, wenn die Lautsprecher in einer anderen Anordnung als in einer "quadratischen" Anordnung vorliegen. Da in der Praxis vier Lautsprecher im allgemeinen nicht in einem quadratischen Muster innerhalb eines Raumes, z. B. wegen der Begrenzungen, die sich aus der Raumform, der Möblierung usw. ergeben, angeordnet werden können, besteht ein Bedarf an einem Decoder, der die Wirkungen der "nicht-quadratischen" Anordnung korrigiert.

Weiterhin ist aus der DE-OS 22 32 909 eine Schaltungsanordnung bekannt, welche eine Drehung der "quadratischen" zur "rhombischen" Lautsprecheranordnung ermöglicht sowie auch eine Streckung zur "rechteckförmigen" Lautsprecheranordnung. Hierzu dient ein Widerstandsnetzwerk mit Potentiometern, die jedes der vier Lautsprechersignale aus Anteilen zweier benachbarter Vierkanalsignale nach Art eines (Zweikanal-)Richtungsmischers zusammenmischen. Es handelt sich demnach um eine Anordnung, die nur eine sehr einfache und rohe paarweise Mischtechnik ermöglicht. Darüber hinaus läßt diese Druckschrift quantitative Regeln zur Ansteuerung der Lautsprecher weitgehend vermissen.

Die DE-OS 23 17 124 offenbart einen Decoder üblicher Bauart für das Codieren von Tonsignalen aus vier oder mehr Mikrophonen derart, daß die Schallinformation längs nur dreier Kanäle weitergeleitet werden kann. In diesem Fall sind die drei codierten Signale von der Form A, A cos R und A sin R , worin A die Summe der Tonsignale und R die Winkellage einer Schallquelle gegenüber einer Bezugsrichtung im Raum ist. Diese Signale werden dann einfach in üblicher Weise kombiniert, um Ausgangssignale für die Einspeisung in die Lautsprecher zu erzeugen. Die Anpassung dieser Ausgangssignale an eine "nicht-quadratische" Anordnung der Lautsprecher ist aber in dieser Druckschrift nicht behandelt.

Ferner ist aus der DE-OS 22 49 039 eine Anordnung bekannt, die der aus der DE-OS 22 04 668, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegt, bekannten ähnlich ist. Diese Schaltungsanordnung erlaubt im Prinzip eine beliebige Ausrichtung von Lautsprechern (vgl. S. 19, Abs. 2, bis S. 21, Abs. 2; auch Fig. 4). Die bekannte Schaltungsanordnung ist nicht auf die Verwendung von Lautsprechern mit gleichen Abständen voneinander beschränkt. Die Schaltungsanordnung ist jedoch sehr kompliziert ausgebildet, was sie entsprechend teuer und störanfällig macht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Tonwiedergabesystem der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Ergebnisse verbessert werden, 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 für einen Decoder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit Hilfe der Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 bzw. für einen Decoder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einigen Ausführungsformen 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 Zwischensignale erzeugt, um sie der Einrichtung zur Erzeugung der jeweiligen Ausgangssignale für die Lautsprecher zuzuführen. Wenn die Erfindung auf das in der oben erwähnten Druckschrift DE-OS 22 04 668 beschriebene System angewandt wird, werden die Zwischensignalkomponenten in dem Phasensignal kombiniert und die relative Änderung der Verstärkungen zwischen diesen wird durch Änderung der relativen Phasenverschiebung zwischen den Rundstrahl- und Phasensignalkomponenten für jeden Lautsprecher erreicht, so daß diese den Betrag der Phasendifferenz für einen entsprechenden Lautsprecher in einer "nicht-quadratischen" Anordnung um den gleichen Betrag überschreiten, um den der Winkel, in dem dieser Lautsprecher relativ zu einer Bezugsrichtung angeordnet ist, kleiner ist als der des entsprechenden Lautsprechers in einer quadratischen Anordnung und umgekehrt.

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

Eine Weiterbildung der Erfindung (Anspruch 9) schafft einen Decoder für ein Tonwiedergabesystem mit acht Lautsprechern, die an den Ecken eines nicht würfelförmigen Quaders angeordnet sind, wobei die Eingangsschaltung zum Empfang wenigstens dreier Eingangssignale und die Ausgangsschaltung zur Erzeugung eines jeweiligen Ausgangssignals für jeden Lautsprecher ausgebildet sind, der sich dadurch auszeichnet, daß die ersten Zwischensignalkomponenten 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 Zwischensignalkomponenten 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 Zwischensignalkomponenten 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 Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die dritte Zwischensignalkomponente 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 Quaders von ihren jeweiligen gegenüberliegenden Flächen trennen, umgekehrt proportional sind.

Weiterhin schafft die Erfindung einen Decoder für ein Tonwiedergabesystem, bestehend aus einer Ausgangsschaltung zur Erzeugung von Ausgangssignalen für wenigstens drei Lautsprecher, die einen Hörplatz umgeben (Anspruch 11), und einer Eingangsschaltung 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 Eingangsschaltung und der Ausgangsschaltung, 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 Rundstrahl- bzw. 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.

Die Notwendigkeit für eine unterschiedliche Behandlung für Frequenzen über und unter einem bestimmten Frequenzband ist in der Veröffentlichung "Critères Psychoacoustiques Relatifs à la R´alisation des Systèmes Matriciels et Discrets en Tetraphonie", 1974 Paris International Festival du Son "Journ´es 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 den menschlichen Ohren 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, das 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. 1 bis 13 beispielsweise erläutert. Es zeigt

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

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

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

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

Fig. 5 einen Decoder gemäß der Erfindung mit einer Steuereinheit zur Anpassung der Tonsignale an die räumliche Anordnung der Lautsprecher,

Fig. 6 ein Schaltbild einer solchen Steuereinheit für den Decoder der Fig. 5,

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

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

Fig. 9 ein Blockschaltbild eines frequenzabhängigen Decoders gemäß der Erfindung,

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

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

Fig. 12 und 13 Blockschaltbilder von WXY-Schaltungen für den Decoder der Fig. 11.

In der folgenden Beschreibung ist die Phasenverschiebung, wenn auf eine Gruppe von Phasenschiebern 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 Art eines Decoders zu beschreiben, die für Lautsprecheranordnungen geeignet sind, bei denen sich die Lautsprecher an den vier Ecken eines Rechtecks befinden, sowie die entsprechende Art, bei der die Lautsprecher an den acht Ecken eines quaderförmigen Raums angeordnet sind. Diese beiden Decoderarten werden im folgenden als WXY-Decoder bzw. als WXZY-Decoder bezeichnet. Die Erfindung kann auf irgendeinen Decoder dieser Arten angewendet 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 12 bilden jeweils einen Winkel R 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 man an, daß die Bezugsrichtung die Vorwärtsrichtung ist, so 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 18 hat. Das empfangene Rundstrahlsignal W₁ 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 R 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-Zwischenausgangssignal X und ein Links-Rechts-Zwischenausgangssignal Y. Diese Signale werden dann auf die Amplitudenmatrix 22 gegeben, die die erforderlichen Ausgangssignale LB, LF, RF und RB erzeugt.

Die Art der WXY-Schaltung hängt von der Form der Eingangssignale ab. Wenn, wie gezeigt ist, die Eingangssignale aus einem Rundstrahlsignal W₁ und einem Phasensignal P₁ der gleichen Größe wie das Rundstrahlsignal bestehen, jedoch mit einer Phasendifferenz gleich minus den Azimuth-Winkel, haben die Ausgangssignale der WXY-Schaltung 20 zu ihren Eingangssignalen die folgende Beziehung:

W = W₁

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

LB = 1/2 (-X + W + Y) LF = 1/2 (X + W + Y) RF = 1/2 (X + W - Y) RB = 1/2 (-X + W - Y)

Tatsächlich ist dieser Decoder der gleiche wie der in Fig. 5 der oben erwähnten deutschen Patentanmeldung P 22 04 668.0, wobei die 90°-Phasenschieberkreise als der aktive Teil der WXY-Schaltung 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 einer WXY-Schaltung und einer Amplitudenmatrix und bildet somit einen WXY-Decoder, vorausgesetzt, daß

1/2 (-LB + LF - RF + RB) = 0

Die WXY-Schaltung 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 Eingangssignale auf eine WXYZ-Schaltung 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, LFU, 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 der WXYZ-Schaltung 24 hängt von der Art der Eingangssignale ab. Die Ausgangssignale der Typ-II-Matrix 26 haben zu den Eingangssignalen die folgende Beziehung:

LBU = 1/2 (-X + W + Y + Z) LFU = 1/2 (X + W + Y + Z) RFU = 1/2 (X + W - Y + Z) RBU = 1/2 (-X + W - Y + Z) LBD = 1/2 (-X + W + Y - Z) LFD = 1/2 (X + W + Y - Z) RFD = 1/2 (X + W - Y - Z) RBD = 1/2 (-X + W - Y - Z)

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

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

Gemäß der Erfindung ist bei einer Lautsprecheranordnung und einem WXY-Decoder, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, eine Steuereinheit vorgesehen, um die Verstärkungen der X- und Y-Signale relativ zu dem W-Signal zu steuern und die "nicht-quadratische" Anordnung der Lautsprecher zu kompensieren, die sich ergibt, wenn R nicht gleich 45° ist. Wenn z. B. R<45° ist, 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 Steuereinheit 28 zwischen die WXY-Schaltung 20 und die Typ-I-Amplitudenmatrix 22 geschaltet. Die Anordnungssteuereinheit 28 hat Verstärkungseinstellvorrichtungen 29 und 30, die so ausgebildet sind, daß sie mit der Verstärkung

das X-Signal bzw. mit der Verstärkung

das Y-Signal beaufschlagen, um der Amplitudenmatrix 22 Eingangssignale W′, X′ und Y′ zuzuführen.

Eine Form der Steuereinheit 28 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 X′ und Y′ der Verstärkungssteuereinheiten 29 und 30 sind auch durch ein Potentiometer U verbunden. Der Widerstand R kann irgendeinen geeigneten Wert haben und der Widerstand U kann irgendeinen geeigneten Wert der Art haben, daß

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

und

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

bzw.

wenn R in dem Bereich von 0° bis 90° liegt. In der Praxis ist vorzuziehen, daß R 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 werden.

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 Schaltung mit veränderbarer Verstärkung angepaßt wird.

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 W₁.

Die obigen Verstärkungen

in dem X-Signalweg und

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

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

die gleich 1 ist, wenn R 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 Steuereinheit (36) abgewandelt, die Verstärkungseinstellvorrichtungen (38, 40 und 42) für die X-, Y- und Z-Kanäle zwischen der WXYZ-Schaltung (24) 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

wobei

sind.

Wie für den Decoder bei rechteckiger Anordnung der Lautsprecher 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

wobei Φ der Azimuthwinkel der Richtung des ankommenden Schalls ist,
wobei

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

und die andere mit der Verstärkung

für die Verstärkung 40 und

für die Verstärkung 42.

Die drei Eingangssignale der WXYZ-Schaltung 24 der Fig. 8 können aus linearen Kombinationen der Signale W₄, Y₄ und V₄ bestehen, wobei W₄ ein Rundstrahlsignal ist, das alle Tonrichtungen mit gleicher Verstärkung aufnimmt, Y₄ ein Signal ist, das sich aus der Aufnahme eines Tonsignals mit der Verstärkung ergibt, und V₄ ein Signal ist, das sich aus der Aufnahme eines Tons mit der Richtungsverstärkung ist, wobei q eine reelle Konstante ist und x, y, z die Tonrichtungen sind. Die Ausgangssignale der WXYZ-Schaltung 24 haben dann zu ihren Eingangssignalen die folgende Beziehung:

W = W₄ X = fV₄ Y = fY₄ Z = fjq ^-1 V₄

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

Es ist klar, daß durch Austausch der Achsen andere Codiersysteme erhalten werden können. Zum Beispiel könnte man die Signale mit den Richtungsverstärkungen 1, x-jqz, z oder 1, x, y-jqu 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 Übergangsbereiches in dem Bereich von 100 bis 100 Hz liegt, daß jedoch gute Hörbedingungen außerhalb dieser Mitte des 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 _V , LF _V , RF _V und RB _V stellen die komplexen Spannungsverstärkungen dar, jdenen 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 Lautsprecher zu speisen, die in Fig. 1 gezeigt sind. Denn für einen Ton, für den der gewünschte scheinbare Azimuthwinkel Φ ist, besteht die wichtigere Niederfrequenzbedingungen, die als die "Makita-Bedingung" bekannt ist, darin, daß die Größen x und y, die gegeben sind durch

ausdrückbar sein müssen in der Form

x cos R= r cos Φ y sin R= 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 R)² + (y sind R)² = 1

Bei höheren Frequenzen über der Übergangsfrequenz ist die wichtigste Bedingung die sogenannte "Energievektorbedingung", die darin besteht, daß die Größen x _E und y _E , die gegeben sind durch

ausdrückbar sein müssen in der Form

x _E cos R= r _E cos Φ y _E sin R= r _E sin Φ

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

(x _E cos R)² + (y _E sin R)²

für alle Richtungen so groß wie möglich ist. In der Praxis kann es notwendig sein, auf die Optimierung dieses Ausdrucks für eine oder mehrere Richtungen zu verzichten, um die Größe des Ausdrucks in den anderen Richtungen zu verbessern. Die Größe des Ausdrucks kann selbstverständlich nie größer als Eins sein.

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 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 (44, 46) sind in die X- bzw. Y-Signalstrecke geschaltet. Ein aktives Filter (48) ist in den W-Signalweg geschaltet. Die Filter (44, 46 und 48) sind Filter mit im wesentlichen gleichen Phasencharakteristiken 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 Verstärkung bei niedrigen Frequenzen zu der Verstärkung bei hohen Frequenzen über ein Frequenzband um die Übergangsfrequenz. Wenn, wie gezeigt ist, das Eingangssignal des Decoders die Form eines Rundstrahlsignals (W₁) und eines Fadensignals (P₁) hat, sind die relativen Verstärkungen aller Filter (44, 46 und 48) bei Frequenzen über dem Übergangsfrequenzband, um eine optimale Reproduktion der höheren Frequenzen entsprechend der Energiegrößenbedingung zu ergeben. Bei Frequenzen unter dem Übergangsfrequenzband sind die Verstärkungen der Filter (44, 46) relativ zu derjenigen des Filters (48)

was etwa gleich (2) ist, wenn R in dem Bereich von 30 Grad bis 60 Grad liegt. Es ist daher zufriedenstellend, wenn die Filter (44, 46) die doppelte Verstärkung des Filters (48) bei Frequenzen unter dem Übergangsfrequenzband haben.

Ein besonderer Decoder dieser Art ist in Fig. 10 gezeigt. Um die Anzahl der erforderlichen Bauelemente zu verringern, liegen die aktiven Filter und die Anordnungssteuerung vor einer abgewandelten WXY-Schaltung 50. Dies bedeutet, daß ein einziges aktives Filter 52 des Typs 44 bzw. 46 in den Phasensignalweg anstelle der beiden aktiven Filter 44 und 46 in den X- bzw. Y-Signalwegen geschaltet ist. Die Steuereinheit 20 führt zwei Phaseneingangssignale der WXY-Schaltung 50 zu, der zwei 0°-Phasenschieber 54 und 56 und einen 90°-Phasenschieber 58 aufweist.

Das aktive Filter 48 ist notwendig, um eine Frequenzcharakteristik zu erzeugen, die in komplexer Schreibweise gegeben ist durch:

wobei a₁ die Verstärkung bei niedrigen Frequenzen und b₁ die Verstärkung bei hohen Frequenzen 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 einer Parallelschaltung verbunden, die einen Verstärker 62 und einen Kondensator C₂ in dem einen Zweig und einen Verstärker 64 und einen Widerstand R₄ in dem anderen Zweig hat. Für eine Übergangsfrequenz von 200 Hz haben die Parameter in dem Ausdruck für die Frequenzcharakteristik und die Schaltungsbauelemente die in der Tabelle III angegebenen Werte.

Tabelle III

a₁0,6325 b₁1 T₁946,3 µsec T₂838,8 µsec Verstärkung von 601,2649 Verstärkung von 62-1 Verstärkung von 641 R₁0,1325 R₀ R₂0,3675 R₀ R₃0,5 R₀ R₀ C₁3237 µsec R₄ C₂T₂

Die Werte von R₀ und R₄ werden entsprechend der Konstruktionszweckmäßigkeit beliebig gewählt.

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

wobei a₃ die Verstärkung bei niedrigen Tonfrequenzen und b₃ die Verstärkung bei hohen Frequenzen ist. Dieses Filter besteht aus zwei parallelen Wegen, einer besteht aus dem Verstärker 66 und einem Widerstand R₅ und der andere aus einem Verstärker 68 und einem Kondensator C₃.

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

Tabelle IV

a₃2 a₁ b₃b₁ T₃669,2 µsec Verstärkung von 541,2649 Verstärkung von 56-1 R₅ C₃752,6 µsec

Der Wert des Widerstandes R₅ wird entsprechend der Konstruktionszweckmäßigkeit beliebig gewählt.

Die Steuereinheit 28 besteht aus einem Verstärker 70 mit der Verstärkung 1,707, zwei Festwiderständen 72 und 74 in Reihe mit dem Ausgang der beiden Phasenschieber 56 und 58 in der WXY-Schaltung 50 und einer Reihenschaltung, 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 Widerstandswert gleich dem 1,414fachen Widerstandswert des Potentiometers 80. Der Verstärker 60 stellt sicher, daß die Summe der Leistungen an den beiden Ausgängen der Anordnungssteuereinheit 28 effektiv gleich der Leistung an deren Eingang ist.

Die in Fig. 10 gezeigte Schaltung hat auch ein Hochpaßfilter 82 in dem Eingangsweg für die Signale P₁. Das Hochpaßfilter 82 besteht aus einem Kondensator 84 und einem 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 Lautsprecherabstandes 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 44 bzw. 46 in die X, Y und Z-Kanäle und ein aktives Filter des Typs 48 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 Richtungsverstärkungen

ergeben sind die Verstärkungen bei niedriger Tonfrequenz und die Verstärkungen bei hoher Tonfrequenz dieser aktiven Filter wie folgt:

Fig. 11 zeigt einen Decoder gemäß der Erfindung zur Verwendung für sog. "diskrete" oder "paarweise gemischte" 4-Kanal- Signale. Solche 4-Kanal-Signale 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 LB₁, LF₁, RF₁ und RB₁ 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

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

X₂= 1/2 (-LB₁ + LF₁ + RF₁ - RB₁) Y₂= 1/2 (LB₁ + LF₁ - RF₁ - RB₁) W₂= 1/2 (LB₁ + LF₁ + RF₁ + RB₁) F= 1/2 (-LB₁ + LF₁ - RF₁ + RB₁)

Die Ausgänge X₂ und Y₂ der Amplitudenmatrix 90 sind über jeweilige 0°-Phasenschieber 92 und 94 verbunden, um die X- und Y-Ausgangssignale zu liefern. Das Rundstrahlausgangssignal W₂ wird über einen 0°-Phasenschieber 96 und das Diagonaldifferenz-Ausgangssignal F über einen 90°-Phasenschieber 98 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, um das W-Ausgangssignal zu erzeugen. Die X- und Y-Signale werden auf aktive Filter 102 und 104 ähnlich dem aktiven Filter 52 in Fig. 12 gegeben, die jedoch die Verstärkung 1 bei niedrigen Frequenzen und die Verstärkung bei hohen Frequenzen haben. Das W-Signal wird auf ein aktives Filter 106 ähnlich dem aktiven Filter 48 der Fig. 10 gegeben, das jedoch bei niedrigen Frequenzen die Verstärkung 1 und bei hohen Frequenzen die Verstärkung 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 Steuereinheit 112 gegeben. Die Steuereinheit 112 hat zwei Eingangsverstärker 114 und 116, von denen jeder die Verstärkung 2,414 hat und deren Ausgänge mit den Ausgängen der Steuereinheit durch gleiche Widerstände 118 und 120 verbunden sind. Eine Widerstandskette, bestehend aus einem Widerstand 122, einem Potentiometer 124 und einem Widerstand 126 ist zwischen die Ausgänge der Abstandssteuereinheit geschaltet. Die Beziehung zwischen den Widerstandswerten des Potentiometers 124 und den verschiedenen Widerständen ist in der Tabelle VI aufgeführt, wobei S irgendeinen geeigneten Wert hat.

Tabelle VI

BauelementWiderstandswert

1180,707 S 1200,707 S 1220,25 S 1240,50 S 1260,25 A

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. 6 beschrieben wurde.

Der in Fig. 11 gezeigte Decoder kann auch als 4-Lautsprecher- Decoder für übliche Stereoaufzeichnungen verwendet werden, indem die beiden Stereokanäle L und R mit den Eingängen LF₁ und RF₁ verbunden und die beiden anderen Eingänge LB₁ 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.

L = 1/2 (W₃ + jP₃) R = 1/2 (W₃ - jP₃) T _T = jP₃x

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 "OMX Carrier Channel Disc", Journal of the Autio Engineering Society, Band 21, Seiten 614 bis 624, Oktober 1973, beschrieben haben. Die WXY-Schaltung 88 der Fig. 11 ist durch eine WXY-Schaltung ersetzt, die 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 0°-Phasenschieber 132 mit dem W-Ausgang der WXY-Schaltung verbunden. Der jP₃-Ausgang der Matrix 130 ist mit einem 0°- Phasenschieber 134 und einem -90°-Phasenschieber 136 verbunden. In gleicher Weise wird das T _T -Eingangssignal der TMX-Quelle auf einen -90°-Phasenschieber 138 und einen -180°-Phasenschieber 140 gegeben. Die Ausgangssignale der beiden -90°-Phasenschieber 136 und 138 werden jeweils mit einer Verstärkung von 0,707 in einem Proportionaladdierer 142 addiert, dessen Ausgang den X-Ausgang der WXY-Schaltung bildet. In gleicher Weise werden die Ausgangssignale des 0°-Phasenschiebers 134 und des -180°-Phasenschiebers 140 beide mit einer Verstärkung von 0,707 in einem Proportionaladdierer 144 addiert, dessen Ausgang den Y-Ausgang der WXY-Schaltung bildet.

Der Decoder gemäß der Erfindung kann auch für das QMX- System beschrieben werden, das von D. H. Cooper, T. Shiga und T. Takagi in "OMX Carrier Channel Disc" beschrieben ist. Das QMX-Disc-System hat TMX-Signale, in denen das T _T -Signal eine beschränkte Bandbreite hat und daher über etwa 6 KHz nicht vorhanden ist. In einem Decoder für dieses System ist die WXY-Schaltung, die in Fig. 12 gezeigt ist, durch eine WXY-Schaltung ersetzt, die in Fig. 13 gezeigt ist. Diese Schaltung unterscheidet sich von der Schaltung der Fig. 12 darin, daß die W- und jP-Ausgangssignale der Matrix 130 über ein Allpaßfilter 146 und ein aktives Filter 148 und das T _T -Eingangssignal über ein Tiefpaßfilter 150 mit einer Grenzfrequenz 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 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 148 ist ein aktives RC-Filter, dem ein phasenkompensierendes Allpaßfilter ähnlicher Konstruktion wie diejenigen, die für das aktive Filter 48 der Fig. 10 verwendet wurden.

Im Falle von WXY-Schaltungen mit zwei Eingängen müssen die Eingangssignale nicht das tatsächliche Rundstrahleingangssignal W₁ und das Phaseneingangssignal P₁ sein. Irgendeine nicht singuläre lineare Kombination hiervon kann mit einer in geeigenter Weise abgewandelten WXY-Schaltung verwendet werden. Die Signale Q und R, die zu den Signalen W und P wie folgt in Beziehung stehen:

Q = α W₁ + β P₁
R = β*W₁ + α*P₁

wobei α und β komplexe Zahlen und α* und β* ihre jeweiligen komplexen Konjugationen sind, können anstelle der Signale W₁ und P₁ verwendet werden. Dies ist deshalb, weil diese Signale gleiche Amplutude, 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 1 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 eine WXY-Schaltung entsprechend den folgenden Gleichungen decodiert werden:

W = W₄

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, 1974, 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:

W₄= γ L + γ* R P₄= δ L + δ* R

wobei γ und δ komplexe Zahlen des Betrags 1 ungleich Null und γ* und δ* ihre komplexen Konjugationen sind. Die Signale W₄ und P₄ können dann von der oben beschriebenen WXY-Schaltung mit m etwa gleich 0,68 decodiert werden.

Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wurden die Signale W′, X′ und Y′ oder W′, X′, Y′ und Z′ als diskrete Signale erzeugt und auf eine Amplitudenmatrix der oben beschriebenen Arten 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 Schaltungen auszutauschen oder Schaltungen zu kombinieren, ohne die Gesamtfunktion zu ändern, liegen diese Abwandlungen innerhalb des Rahmens der Erfindung. Wenn z. B. zwei aufeinanderfolgende Schaltungen mathematisch als jeweilige Matrizen ausgedrückt werden können, können sie durch eine einzige Schaltung ersetzt werden, die mathematisch durch das Produkt der beiden Matrizen 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 der WXY-Schaltung oder der WXYZ-Schaltung und der Amplitudenmatrix, die Lautsprechersignale erzeugt, vorhanden sein. Zum Beispiel kann bei der Ausführungsform der Fig. 9 ein vierter Signalweg F zugeführt werden, der die WXY-Schaltung 20 direkt mit der Amplitudenmatrix 28 verbindet, die dann so ausgebildet ist, daß sie wie folgt Ausgangssignale erzeugt:

LB = 1/2 (-X′ + W′ + Y′ - F) LF = 1/2 (X′ + W′ + Y′ + F) RF = 1/2 (X′ + W′ - Y′ - F) RB = 1/2 (-X′ + W′ - Y′ + F)

Dies ist wie vorher, wenn das Signal F 0 ist. Die Zufügung des F-Signalwegs beeinflußt die Gesamtrichtungswirkung des Decoders nicht, vorausgesetzt, daß F gegenüber X′ und Y′ für alle Richtungen um ±90° phasenverschoben ist.

Claims (13)

1. Decoder für ein Tonwiedergabesystem mit vier ein Hörfeld umgebenden Lautsprechern, die je auf einer der Diagonalen eines nicht quadratischen Rechtecks zwischen dem Schnittpunkt der Diagonalen und einer entsprechenden Ecke des Rechtecks liegen, bestehend aus einer Eingangsschaltung zum Empfang wenigstens zweier Eingangssignale, die entweder ein Drucksignal (W) und ein Geschwindigkeitssignal (P) für den Schalldruck und die Schallschnelle an einer Hörposition oder komplexe lineare Kombinationen des Druck- und Geschwindigkeitssignals sind, und einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Erzeugung erster und zweiter Zwischensignale (X, Y) des Geschwindigkeitssignals (P), wobei das erste Zwischensignal (X) proportional ist zu der erforderlichen 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 der Lautsprecher, welches durch die anderen beiden Lautsprecher gebildet ist, und wobei das zweite Zwischensignal (Y) proportional ist zu der erforderlichen Differenz der Signalstärke zwischen der Summe der Signale für ein drittes benachbartes Paar (11, 14) von Lautsprechern, welches einen Lautsprecher von jeweils dem ersten und zweiten benachbarten Paar besitzt, und der Summe der Signale für ein viertes benachbartes Paar (12, 13) von Lautsprechern, welches die anderen Lautsprecher von jeweils dem ersten und zweiten benachbarten Paar umfaßt, wobei "erforderliche Differenz der Signalstärke" den Unterschied in den Signalstärken bedeutet, der erforderlich ist, um die in den Eingangssignalen verschlüsselten Schallsignale mit der richtigen Schallortung zu erzeugen, wenn die Lautsprecher in gleichem Abstand um die Mitte des Hörbereichs angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (28) zur von der Anordnung der Lautsprecher abhängigen Beaufschlagung der ersten und zweiten Zwischensignale (X, Y) mit ersten und zweiten Verstärkungsfaktoren, deren Verhältnis im wesentlichen gleich dem Verhältnis zwischen dem Sinus des Halbwinkels zwischen den Diagonalen, auf denen das erste benachbarte Paar (11, 12) von Lautsprechern angeordnet ist, und dem Sinus des Halbwinkels zwischen den Diagonalen ist, auf denen das dritte benachbarte Paar (11, 14) von Lautsprechern angeordnet ist, und durch eine Ausgangsschaltung (22), die aus den von der Steuereinheit (28) modifizierten Zwischensignalen und dem Drucksignal (W) entsprechende Ausgangssignale für jeden Lautsprecher erzeugt.

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

3. Decoder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (28) aufweist
eine Einrichtung (29) zur Erzeugung eines Signals an einem ersten Ausgang, das aus den ersten Zwischensignalkomponenten besteht,
eine Einrichtung (30) zur Erzeugung eines Signals an einem zweiten Ausgang, das aus den zweiten Zwischensignalkomponenten besteht, und
ein Potentiometer (U), das zwischen den ersten und zweiten Ausgang geschaltet ist und dessen Abgriff geerdet ist, wobei das Verhältnis des Widerstandswertes zwischen dem Abgriff und dem ersten Ausgang zu dem Widerstandswert zwischen dem 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 Eingangsschaltung (20) eine Einrichtung zur Erzeugung eines Rundstrahlsignals (W), eines ersten Zwischensignals (X) und eines zweiten Zwischensignals (Y) aus den Eingangssignalen aufweist.

5. Decoder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung (88) eine Amplitudenmatrix (99) aufweist, die auf paarweise gemischte 4-Kanal-Eingangssignale anspricht, und daraus ein Rundstrahlsignal (W₂), die ersten und zweiten Zwischensignale (X und Y) und ein Diagonaldifferenzsignal (F) erzeugt, und eine Einrichtung, die das Diagonaldifferenzsignal mit einer 90-Grad- Phasenverschiebung beaufschlagt und das in der Phase verschobene Diagonaldifferenzsignal (F) zu dem Rundstrahlsignal (W₂) addiert.

6. Decoder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung 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 (P₃) erzeugt, daß die Eingangsschaltung auch einen dritten Eingang zum Empfang eines Signals (T _T ) aufweist, das die komplexe Konjugation der Phasensignalkomponente enthält, eine Subtrahiereinrichtung (144), die das dritte Eingangssignal von dem Phasenausgangssignal der Matrix subtrahiert und das zweite Zwischensignal (Y) bildet, sowie eine Phasenschieberanordnung (136, 138), die das Phasenausgangssignal der Matrix und das dritte Eingangssignal mit einer 90-Grad-Phasenverschiebung beaufschlagt, und eine Addiereinrichtung (142), welche die in der Phase verschobenen Signale zur Bildung des ersten Zwischensignals (X) addiert (Fig. 12).

7. Decoder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Eingang (T _T ) über ein Tiefpaßfilter (150) mit seiner Phasenschieberanordnung und der Ausgang des Phasenausgangssignals (P₃) der Matrix (130) über ein aktives Filter (148) mit seiner Phasenschieberanordnung (136, 134) verbunden ist, das eine Übergangsfrequenz im wesentlichen gleich der Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters und oberhalb der Übergangsfrequenz eine höhere Verstärkung aufweist als unterhalb (Fig. 13).

8. Decoder nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung (17, 18) ein Phasensignal (P₁) zu der Steuereinrichtung (28) leitet, daß die Steuereinrichtung (28) das Phasensignal mit einer ersten Verstärkung beaufschlagt, um ein erstes Ausgangssignal zu erzeugen, das die erste Zwischensignalkomponente enthält, und daß die Steuereinrichtung (28) das Phasensignal mit einer zweiten Verstärkung beaufschlagt, um ein zweites Ausgangssignal zu erzeugen, das die zweite Zwischensignalkomponente enthält, und daß ein Phasenschieber (58) das zweite Ausgangssignal mit einer 90-Grad-Phasenverschiebung beaufschlagt.

9. Decoder nach Anspruch 1 oder 2 für ein Tonwiedergabesystem mit acht ein Hörfeld umgebenden Lautsprechern, die jeweils an einer der Diagonalen eines nicht kubischen Quaders zwischen dem Schnittpunkt der Diagonalen und einer entsprechenden Quaderecke angeordnet sind, bei welchem die Eingangsschaltung zum Empfang von wenigstens drei Eingangssignalen und die Ausgangsschaltung zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals für jeden Lautsprecher ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Zwischensignal (X) proportional ist zu der erforderlichen Differenz in der Signalstärke zwischen der Summe der Signale für die vier Lautsprecher (LBU, LFU, LBD, LFD) benachbart den Ecken einer ersten Quaderfläche und der Summe der Signale für die vier Lautsprecher (RBU, RFU, RBD, RFD) benachbart den Ecken der ersten Fläche gegenüberliegenden zweiten Quaderfläche, und daß das zweite Zwischensignal (Y) proportional ist zu der geforderten Differenz der Signalstärke zwischen der Summe der Signale für die vier Lautsprecher (LFU, RFU, LFD, RFD) benachbart den Ecken einer zur ersten Fläche senkrechten dritten Quaderfläche und der Summe der Signale für die vier Lautsprecher (LBU, RBU, LBD, RBD) benachbart den Ecken der der dritten Fläche gegenüberliegenden vierten Quaderfläche, daß die Eingangsschaltung ein drittes Zwischensignal (Z) erzeugt, welches abhängig ist von der geforderten Differenz in der Signalstärke zwischen der Summe der Signale für die Lautsprecher (LBU, LFU, RFU, RBU) benachbart den Ecken einer fünften Quaderfläche, welche sowohl zur ersten wie auch zur dritten Quaderfläche senkrecht ist, und der Summe der Signale für die vier Lautsprecher (LBD, LFD, RFD, RBD) benachbart den Ecken der der fünften Fläche gegenüberliegenden sechsten Quaderfläche, daß die Steuereinheit (36) das dritte Zwischensignal mit einem dritten Verstärkungsfaktor beaufschlagt, und daß das Verhältnis zwischen dem ersten, dem zweiten und dem dritten Verstärkungsfaktor umgekehrt proportional zum Verhältnis zwischen den Abständen (a, b, c) ist, welche die erste, dritte und fünfte Quaderfläche von ihren entsprechenden gegenüberliegenden Flächen trennen.

10. Decoder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschwindigkeitssignal über einen RC-Hochpaß (82) zugeleitet wird, dessen Zeitkonstante so einstellbar ist, daß sie gleich der Schallaufzeit von den Lautsprechern zu der Mitte des Hörfeldes ist.

11. Decoder für ein Tonwiedergabesystem, bestehend aus einer Ausgangsschaltung zur Erzeugung von Ausgangssignalen für wenigstens drei Lautsprecher, die einen Hörplatz umgeben, und einer Eingangsschaltung zum Empfang wenigstens zweier Eingangssignale, die Drucksignalkomponenten enthalten, die für die Summe der gewünschten Ausgangssignale typisch sind, und Geschwindigkeitssignalkomponenten, die für die gewünschte Schallschnelle an dem Hörplatz typisch sind, gekennzeichnet durch eine Verstärkungseinstelleinrichtung (44, 46, 48, 28) zwischen der Eingangsschaltung (20) und der Ausgangsschaltung (22), die 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 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung (20) ein diskretes Signal erzeugt, das nur Drucksignalkomponenten enthält, und wenigstens ein diskretes Signal, das nur Geschwindigkeitssignalkomponenten enthält, und daß die Verstärkungseinstelleinrichtung für das bzw. für jedes Geschwindigkeitssignal ein aktives Filter (44, 46) mit einer ersten Charakteristik sowie für das Drucksignal ein aktives Filter (48) mit einer zweiten Charakteristik enthält.

13. Decoder nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinstelleinrichtung (44, 46, 48) für die Drucksignalkomponenten ein Filter enthält mit folgender Frequenzcharakteristik: wobei (a₁) der Verstärkungsfaktor für niedrige Tonfrequenzen, (b₁) der Verstärkungsfaktor für hohe Tonfrequenzen und (T₁ und T₂) Zeitkonstanten sind, sowie für die Geschwindigkeitssignalkomponenten eine Filter mit folgender Frequenzcharakteristik enthält: wobei (a₃) der Verstärkungsfaktor für niedrige Tonfrequenzen und (b₃) der Verstärkungsfaktor für hohe Tonfrequenzen sowie (T₃) eine Zeitkonstante ist, welche ebenso wie (T₁ und T₂) in Übereinstimmung mit der geforderten Übergangsfrequenz von der niederen zur hohen Tonfrequenz und derart gewählt sind, daß die Phasengänge von den Filtern bei allen Frequenzen im wesentlichen identisch sind.