Aufnahme- und Wiedergabesysteme akustischer Signale und Entzerrungsmechanismen bei Kopfhörern

Inhaltsverzeichnis

1 Aufnahme- und Wiedergabesysteme akustischer Signale
1.1 Raumbezogene Systeme
1.2 Kopfbezogene Systeme
1.3 Kompatibilität raum- und kopfbezogener Systeme

2 Entzerrungungsmechanismen
2.1 Physikalische Messmethoden
2.2 Freifeldentzerrung
2.3 Diffusfeldentzerrung

3 Lautheitsausgleichsbasierende Kalibrierung am Beispiel von Audiometriekopfhörern
3.1 Normbegriffe
3.2 Freifeldkalibrierung

Symbole und Abkürzungen

Literatur- und Quellenverzeichnis

1 Aufnahme- und Wiedergabesysteme akustischer Signale

1.1 Raumbezogene Systeme

Bei raumbezogenen Aufnahme- und Wiedergabesystemen handelt es sich um Stereoaufnahmen mit mehreren Mikrofonen und deren Wiedergabe über Lautsprecher. Die Anordnung der Mikrofone ori- entiert sich an den menschlichen Lokalisationsmechanismen der Auswertung von Laufzeit (ITD)- und Pegeldifferenzen (IID) zwischen den Ohren. Bei der Pegeldifferenzstereofonie bestimmt die Richtwir- kung der verwendeten Mikrofone bzw. die Schalldruckunterschiede an den Lautsprechern die Hörer- eignisrichtung bei der Wiedergabe. Liegt an allen Lautsprechern ein identisches Signal an, lokalisiert der Hörer eine zentrierte Phantomschallquelle, eine Erhöhung der Schallleistung eines Lautsprechers hingegen führt zur Lokalisation der Quelle in Richtung dieses. Bei der Laufzeitstereofonie werden die Mikrofone von der Quelle unterschiedlich räumlich separiert, um die Lokalisation des Hörers auf Grund der positionsabhängigen Schallaufnahme zu unterschiedlichen Zeitpunkten hervorzurufen. Äquivalent zur Pegeldifferenzstereofonie erzeugt ein an an allen Lautsprechern identisches Schall- signal eine Lokalisation auf die Mitte, eine Verzögerung des Signals an einem Lautsprecher jedoch eine Bewegung der Schallquelle zum anderen Lautsprecher hin. In Abb. 1 ist die Lokalisation der Phantomschallquelle auf Grund der vektoriellen Superposition bei Pegeldifferenz- und Laufzeitste- reofonie dargestellt. Bei den beschriebenen Mikrofonanordnungen bzw. Mischformen dieser mit an-

(a) Pegeldifferenzstereofonie. (b) Laufzeitdifferenzstereofonie.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Vektorielle Superposition der Lautsprecherbeiträge für Intensitäts- und Laufzeitstereofonie. Quel- le: Poldy (2001)

schließender Wiedergabe der Schallsignale über Lautsprecher bleiben alle natürlichen Veränderungen des Schallfeldes auf Grund der menschlichen Geometrie der Ohrmuscheln, des Kopfes und Oberkörpers sowie der entstehenden Resonanzen im Gehörgang vollständig erhalten. Bei der Wiedergabe der Signale muss der Einfluss des Abhörraums beachtet werden. (Dickreither, 1987)

1.2 Kopfbezogene Systeme

Kopfbezogene Aufnahme- und Wiedergabesysteme erzeugen binaurale Aufnahmen mit dem Ziel der naturgetreuen Wiedergabe über Kopfhörer. Anstelle einer herkömmlichen Mikrofonierung wird ein Kunstkopf verwendet, welcher eine durchschnittliche Kopf- und teilweise Torsonachbildung inklu- sive der menschlichen Ohrmuscheln mit je einem Mikrofon mit Kugelcharakteristik an der Position der Trommelfelle ist. Durch die Verwendung während der Aufnahmen enthalten die Signale die IID’s und ITD’s sowie die spektralen Verfärbungen auf Grund von Resonanzen, d. h. die kopfbezogene Übertragungsfunktion (HRTF) bleibt komplett erhalten. Die HRTF berechnet sich in Abhängigkeit des Azimuthwinkels φ und des Elevationswinkels θ nach Gleichung (1) und enthält neben den Lo- kalisationscues auch die frequenzabhängigen Amplituden, die Phasen des Signals, den Zeitversatz zwischen den Ohren und so weiter.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schalldruck am Trommelfell des Hörers Schalldruck an der Position in Abwesenheit des Hörers(φ,θ) (¹ )

Aufnahmen, welche die HRTF beinhalten werden auch als binaurale Aufnahme bezeichnet und sind eine häufig angewendete Methode zur Reproduktion eines realitätsnahen räumlichen Höreindrucks. (Hammerhoi,¹⁹⁹⁵ )

1.3 Kompatibilität raum- und kopfbezogener Systeme

Eine Einschätzung der Kompatibilität von raum- und kopfbezogenen Systemen ist mit Hilfe des Assoziationsmodells von Theile (1980) möglich, welches von assoziativen Aspekten als wesent- lichen Bestandteil der sensorischen Wahrnehmung ausgeht. Die räumliche Lokalisation erfolgt nach diesem Modell in den zwei separaten Verarbeitungsprozessen der Ortsbestimmung und der Gestaltbestimmung. In Abb. 2 ist das Blockdiagramm des Assoziationsmodells dargestellt. Die spek-tralen Veränderungen des Signals auf Grund des Ortes der Schallquelle und des Raumes in den die Schallabstrahlung erfolgt, sowie des Ortes und die Geometrie des Hörers, ist im Filter M kodiert. Die ortsbestimmende Stufe dekodiert diese Ortinformationen durch adaptive inverse Filterung mit M−¹. Die Parameter der inversen Filterung beruhen auf assoziativer Mustererkennung, d. h. das aktuelle Ohrsignal wird mit gespeicherten Signalen verglichen und miteinander verknüpft, wenn Teile des gespeicherten Musters im aktuellen Muster enthalten sind. Die Gestaltsinformation wird mit Hilfe des adaptiven Filters diskriminiert und der Gestaltsassoziationsstufe zugeführt, d. h. die Bewertung des Schallsignals durch die HRTF wird aufgehoben und das Sendesignal sowie die gewonnene Richtungs- und Entfernungsinformation werden getrennt weitergeleitet. In der höher geschalteten Gestaltsassoziationsstufe erfolgt die Bestimmung der ortsunabhängigen Schallparameter (z. B. die Klangfarbe) ebenfalls auf Basis assoziativer Musterselektion. (Theile, 1980)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Blockdiagramm des Assoziationsmodells. Basierend auf: Theile (1986)

Mittels des Assoziationsmodells lässt sich die Kompatibilität der Aufnahme und Wiedergabe innerhalb der raum- bzw. kopfbezogenen Systeme und die Inkompatibilität zwischen den Systemen erklären. Das Blockdiagramm des Assoziationsmodells der Wiedergabe von Schallsignalen raum- bezogener Aufnahmen über Kopfhörer ist in Abb. 3 dargestellt. Durch die Ineffektivität des Torso,

Abb. 3: Blockdiagramm des Assoziationsmodells bei Kopfhörerwidergabe von Stereo-Signalen. Basierend auf: Theile (1986) des Kopfes und der Aussenohren, bezgl. der spektralen Verzerrung des Signals, gelangen an die ortsbestimmende Stufe Schallsignale mit denen inkorrekte gespeicherte Muster verknüpft werden. Das Fehlen der HRTF führt zu einer inkorrekten inversen Filterung. Diese Fehler in der Filterung führen zu unnatürlichen Höreindrücken, d.h. Im-Kopf-Lokalisation und Klangfarbenfehler. Eine kopfbezogene Schallaufnahme führt bei Wiedergabe über Lautsprecher ebenfalls zu unnatürli- chen Höreindrücken und Klangfarbenfehler, da die bei der Aufnahme entstandenen ortsbestimmenden Merkmale in der Ortsassoziationsstufe nicht erkannt werden. In Abb. 4 ist das Blockdiagramm des Assoziationsmodells bei Lautsprecherwiedergabe einer kopfbezogener Aufnahme dargestellt. Die Lautsprecherposition wird durch die Wirkung der Aussenohren, Schultern und Torso erkannt und invers gefiltert. Diese zusätzliche Filterung führt zu Kammfiltereffekten und unscharfer Lokalisation.

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