Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Simulationsverfahren und einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs bzw. des ersten Vorrichtungsanspruchs. Allgemein ist der Versuch, Teilsysteme eines menschlichen Außenohrmodells durch elektroakustische Schaltungen zu substituieren, bekannt; so beispielsweise zur Simulierung von Ohrsignalen bei Kopfhörerwiedergabe, die bei Freifeldbeschallung aus beliebiger Schalleinfallsrichtung auftreten können.

Es ist auch schon versucht worden, etwa nach Art eines als Richtungsmischpult zu bezeichnenden Vorgehens elektronische Mittel vorzusehen, die für angenommene Schalleinfallsrichtungen eine geeignete mittlere Außenohrübertragungsfunktion repräsentieren. Ein solches Richtungsmischpult kann beispielsweise dadurch aufgebaut und hergestellt werden, daß man zwar auf die eigentlichen Entstehungsmechanismen von Außenohrübertragungseigenschaften nicht eingeht,beispielsweise weil diese unbekannt sind, daß man aber durch Messung an einer Anzahl von Versuchspersonen einfach empirisch für eine vorgegebene, also endliche Anzahl von diskreten Schalleinfallsrichtungen eine mittlere Außenohrübertragungsfunktion bestimmt. Eine solche, für die jeweilige Schalleinfallsrichtung dann zugrunde gelegte Außenohrübertragungsfunktion ermöglicht eine Umschaltung des "Richtungsmischpultes" für die diskreten Richtungen, hat aber die Nachteile, daß

• 1. bislang kein Mittelungsverfahren für Außenohrübertragungsfunktionen existiert, welches mit Sicherheit zu mittleren Ubertragungseigenschaften führt, die dem Nachrichtenempfänger "menschliches Gehör" tatsächlich adäquat sind;
• 2. daß eben nur die Einstellung einer endlichen Anzahl unterschiedlicher Schalleinfallsrichtungen möglich ist; und daß
• 3. der sich aus einer solchen Arbeit ergebende Aufwand proportional mit der Anzahl der einstellbaren Schalleinfallsrichtungen, die man wünscht, ansteigt.

Eine andere Möglichkeit zur elektronischen Nachbildung eines sogenannten Außenohrsimulators zur Simulation mittlerer Außenohrübertragungsfunktionen im Zeitbereich würde beispielsweise darin bestehen, daß an Versuchspersonen gemessene Stoßantworten für alle Schalleinfallsrichtungen geeignet gemittelt und abgespeichert werden, was zunächst einen, je nach gewünschter Rasterung unter Umständen extrem hohen Speicherplatzbedarf benötigt. Das Ausgangssignal wäre in einem solchen Fall die sogenannte Faltung des Eingangssignals mit den beiden für die jeweilige Schalleinfallsrichtung gültigen Stoßantworten (für das linke und das rechte Ohr). Eine derartige Signalverarbeitung in Echtzeit ist jedoch praktisch unmöglich, da zumindest die zur Zeit erhältlichen Signalprozessoren nur mit erheblichem Aufwand in der Lage sind, eine solche Verarbeitung durchzuführen. Aus dem gleichen Grund scheidet auch die Möglichkeit aus, die sogenannte Fouriertransformation des Eingangssignals vorzunehmen mit anschließender Multiplikation der entsprechenden Ubertragungsfunktionen und Rücktransformation.

Herkömmliche Mischpultsysteme können zwar mit Hilfe der sogenannten Panoramaregler einzelne Mikrofonsignale derart auf die beiden Kanäle einer stereofonen Ubertragung verteilen, daß bei Wiedergabe über zwei Lautsprecher in typischer Stereoaufstellung eine räumliche Verteilung von Hörereignissen zwischen den beiden Lautsprechern entsteht (Summenlokalisation). Dieses Verfahren hat aber die Nachteile, daß

• 1. die Hörereignisse nur innerhalb des von der Lautsprecheraufstellung vorgegebenen Raumwinkelbereiches liegen,
• 2. die Höhe des Hörereignisses häufig überhalb der Verbindungslinie zwischen den Lautsprechern wahrgenommen wird und abhängig von der Position des Zuhörers zu den Lautsprechern ist und daß
• 3. bei Kopfhörerwiedergabe in der Regel das Hörereignis im oder am Kopf des Zuhörers auftritt, da dem Gehör ungewohnte bzw. unnatürliche Ohrsignale angeboten werden.

Aufgrund dieser erheblichen Probleme und des großen Aufwandes dann, wenn die Ohrsignale für viele Schalleinfallsrichtungen reproduziert werden sollen, existiert bisher keine praktisch brauchbare Realisierungsform eines sogenannten elektronischen Kunstkopfes oder Außenohrsimulators.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, hier Neuland zu betreten und einen Außenohrsimulator als sogenannten elektronischen Kunstkopf zu schaffen, der in der Lage ist, ohne größeren Aufwand eine stufenlose Richtungseinstellung unter Berücksichtigung der menschlichen Außenohrübertragungseigenschaften, und zwar nach Betrag und Phase für alle Frequenzen zu liefern, und der dabei trotz des vereinfachten Aufbaus mit besonders hoher Genauigkeit arbeitet, also die Simulation so durchführt, daß die Ubertragungseigenschaften der elektroakustischen Ersatzschaltung des Außenohrs denen des menschlichen Außenohrs bei Freifeldbeschallung praktisch identisch entsprechen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs sowie den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Vorrichtungsanspruchs und hat den Vorteil, daß mit geringem Aufwand einer beliebigen Schalleinfallsrichtung im Freifeld entsprechende Ohrsignale erzeugt werden können, die etwa einer Kopfhörerwiedergabe dienen können. Hierdurch ist die Realisierung eines natürlichen Klangbildes möglich. Vorteilhaft ist ferner, daß, obwohl, wie dem Fachmann bekannt, gerade Außenohrübertragungsfunktionen besonders komplizierte Strukturen aufweisen, die für die praktische Realisierung des erfindungsgemäßen Außenohrsimulators notwendige Schaltungsteile auf Laufzeiten, einfache Filter, Hoch- und Tiefpässe gegebenenfalls Resonanzsysteme beschränkt sind. Dabei lassen sich die für die Einstellung der Schaltungen beim Betrieb erforderlichen Parameter wie Größe einer Laufzeit oder Grenzfrequenz eines Tiefpasses direkt mit Hilfe eines Modells zur analytischen Beschreibung der Außenohrübertragungseigenschaften aus physikalisch vorgegebenen geometrischen Abmessungen bestimmen. Es ändern sich für die verschiedenen Schalleinfallsrichtungen außer den Laufzeiten nur wenige Filterparameter des durch eine elektronische Schaltung dargestellten Modells des elektronischen Kunstkopfs. Es ist daher möglich, durch Bestimmung nur weniger Parameter die Ubertragungsfunktion für eine Schalleinfallsrichtung zu-simulieren, wobei es ferner möglich ist, zur Nachbildung mittlerer Außenohrübertragungsfunktionen die Werte der gemittelten geometrischen Kenngrößen fest zu programmieren, so daß man in weiterer, praxisgeeigneter Vereinfachung die entsprechenden Steuerparameter von einer elektronischen Logikschaltung, Mikrorechner oder Mikroprozessor direkt berechnet und an die steuerbaren Schaltungsblöcke jeweils übergeben werden, die Einzelelemente des elektronischen Kunstkopfes simulieren. Dadurch ist es möglich, ohne großen Speicherplatzbedarf beliebig feine Unterteilungen des Winkelbereichs sowohl in der Horizontal- als auch in der Medianebene zu realisieren, so daß für effektiv jede Schalleinfallsrichtung, auch und insbesondere in der Vertikalen im Freifeld die entsprechenden Ohrsignale erzeugt werden können.

Der elektronische Kunstkopf entsprechend der Erfindung erzeugt dem Gehör vertraute Ohrsignale, so daß einerseits die Im-Kopf-Lokalisation vermieden und andererseits die Einstellung von beliebigen Hörereignisrichtungen möglich wird. Dies eröffnet völlig neue Perspektiven nicht nur für die Kunstkopftechnik, sondern auch für die Mehrspuraufnahmetechnik. In der Kunstkopftechnik ist es mit dem elektronischen Kunstkopf möglich, Signale von Stützmikrofonen räumlich korrekt der kopfbezogenen Aufnahme zuzumischen. In der Mehrspuraufnahmetechnik können durch Einsatz des elektronischen Kunstkopfes die Signale von Einzelschallquellen so umcodiert werden, daß bei kopfbezogener Wiedergabe der gesamte, dem menschlichen Gehör zur Verfügung stehende Bereich zur Erzeugung von Hörer- _eignissen ausgenutzt werden kann. Dabei kann die Hörereignisrichtung auch während einer Aufnahme verändert werden, so daß Bewegungen einer Schallquelle simuliert werden können. Die Lautsprecherkompatibilität des elektronischen Kunstkopfes ist vergleichbar mit Kunstkopf-Aufnahmesystemen, da beide Systeme zueinander äquivalente Freifeldübertragungseigenschaften aufweisen bzw. approximieren.

Weitere Verbesserungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt. Hierbei ist besonders vorteilhaft, daß es möglich ist, die fest gespeicherten geometrischen Kenngrößen auch abzuändern, wodurch sich dann andere Außenohrübertragungsfunktionen nachbilden lassen. Über eine Schnittstelle kann der erfindungsgemäße Außenohrsimulator ferner an einen externen Rechner angekoppelt werden, so daß die individuellen Ubertragungsfunktionen von Versuchspersonen oder aber auch die Auswirkung von Hörgeräten (HDO-Geräte, Im-Ohr-Geräte) , Anomalie der Ohrmuschel oder Änderung der Trommelfellimpedanz elektrisch nachgebildet werden können.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

• Fig. 1 ein stark schematisiertes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Außenohrsimulators, aus dem auch die Unterteilung in richtungsabhängige Schaltungselemente und richtungsunabhängige Schaltungselemente hervorgeht, die Fig. 2a und 2b den Verlauf einer entsprechend vorliegender Erfindung simulierten Freifeld-Außenohrübertragungsfunktion (I) im Vergleich zu einer gemessenen (II) über der Frequenz und die Kurvenverläufe (1), (2), ( 3 ) die Simulation einzelner akustisch wirksamer Parameter, nämlich des Ohrkanals (Kurve 1), der Schulter- und des Ohrmuschelrandes (Kurve 2) und des cavum conchae (Kurve 3);
• Fig.3 ein detaillierteres Ausführungsbeispiel, noch immer in vereinfachter Form und lediglich der richtungsabhängigen Elemente für einen Kanal (einkanaliges Blockschaltbild des Außenohrsimulators - richtungsbestimmender Teil),
• Fig.4 das Prinzipschaltbild einer praxisgerechten Ausführungsform unter Steuerung der Parameter der jeweiligen Schaltungselemente durch ein Mikroprozessorsystem und unter Beachtung gespeicherter gemittelter geometrischer Kenngrößen,
• Fig.5 in größerem Detail eine mögliche Ausführungsform eines spannungsgesteuerten Tiefpaß-/Hochpaß-Filters, wie er zur Realisierung des erfindungsgemäßen elektronischen Kunstkopfs Verwendung finden kann,
• Fig.6 das Blockschaltbild einer Interface-Schaltung zur Erzeugung von Steuerspannungen für die einzelnen Schaltungsblöcke zur Veränderung von deren Parameter, unter der Führung eines Mikroprozessors und
• die Fig. 7 und 8 jeweils für zwei verschiedene Schalleinfallswinkel in Form von Diagrammen den Verlauf von Freifeld-Außenohrübertragungsfunktionen (hier des linken Ohres) einer individuellen Versuchsperson im Freifeld (Horizontalebene), wobei der dick durchgezogene Kurvenverlauf die Rechnung anhand des durch die Erfindung realisierten Modells und die gestrichelten Funktionen die Standardabweichung einer vorgegebenen Anzahl,von Messungen an derselben Versuchsperson darstellen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, die physikalischen Ursachen der Außenohrübertragungseigenschaften durch Unterscheidung und Rückführung auf vorgegebene, anschließend vereinfachte akustische Elemente aufzuteilen, also beispielsweise Oberkörper, Schulter, Kopf, Ohrmuschel mit cavum conchae-Höhlung, Ohrkanal und Trommelfell; alle diese Körper üben entsprechend ihren geometrischen Abmessungen in Abhängigkeit der Frequenz unterschiedliche Einflüsse auf die Außenohrübertragungseigenschaften aus, wobei sich dann die resultierende Ubertragungsfunktion des Außenohrs aus den komplexen Überlagerungen der von allen Teilkörpern verursachten Resonanzen, Reflektionen und Beugungswellen zusammensetzt.

Richtungsabhängige Merkmale werden im wesentlichen von den Elementen, Oberkörper, Schulter und Ohrmuschelrand bestimmt. Die prinzipielle Berechnung solcher Abhängigkeiten ist zwar möglich (und zwar mit dem KIRCHHOFF'schen Beugungsintegrals, abgeleitet aus dem GREEN'schen Satz), jedoch ungeeignet für eine anschauliche Darstellung, die aber zur Beschreibung der mittleren Außenohrübertragungsfunktion und deren Simulation in einem Modell, wie durch die Erfindung angestrebt, benötigt wird.

Es ist daher von Bedeutung, daß die Erfindung sich aus der Berechnung komplizierter und aufwendiger Beugungsintregrale löst und Beugung und Reflektionan einem Körper mit Mitteln der Systemtheorie beschreibt, was erst die technische Realisierung eines elektronischen Außenohrsimulators ermöglicht, dann allerdings mit vergleichsweise einfachen Mitteln.

Die Erfindung geht daher an die Lösung des Problems nicht empirisch heran, sondern beginnt mit der Betrachtung und Zugrundelegung der mathematisch effektiv bestimmten, komplexen Beugungs- und Reflexionsverhältnisse und der sich hierdurch ergebenden Ubertragungsfunktionen, die durch analytische Betrachtung in ein (vereinfachtes) Modell überführt werden, welches durch elektrische Schaltungen darstellbar ist, wobei beispielsweise Ohrmuschel oder Kopf dann durch die zunächst mathematische Betrachtung der Überlagerung mehrerer Beugungskörper in Form bestimmter Schaltungen dargestellt werden, wobei für die Gesamt-Außenohrübertragungsfunktion eine komplexe Addition der jeweiligen reflektierten und gebeugten, durch die elektrischen Schaltungsblöcke simulierten Schallanteile der entsprechenden Körperteile oder -bereiche vorgenommen werden. Eine lagenunterschiedliche Ebene wird durch eine zusätzliche Laufzeit berücksichtigt (Superpositionsprinzip).

Ohne daß die Beschreibung durch komplizierte mathematische Zusammenhänge überlastet werden soll, was zum Verständnis der Erfindung auch nicht erforderlich ist, wird an einem nachfolgenden Beispiel gezeigt, was hierunter zu verstehen ist. Um beispielsweise die Ubertragungsfunktion des cavum conchae anzugeben - diese umfaßt Grundresonanzen und ist, ebenso wie der Einfluß des Ohrkanals und der Trommelfellimpedanz in diesem Fall richtungsunabhängig - kann das cavum conchae als ein System,bestehend aus mehreren ineinander geschachtelten öffnungen aufgefaßt werden mit der folgenden Ubertragungsfunktion:

Diese Funktion umfaßt mit K₁ sogenannte Rayleigh-Struve-Funktionen und mitJ sogenannte Bessel'sche Funktionen, wobei mit 1_n noch der Länge entsprechende Angaben und mit r_n dem Radius entsprechende Angaben von n-öffnungen zu verstehen sind, mit k = Wellenzahl (Ω/c).

Eine solche Ubertragungsfunktion erfährt mit guter Näherung eine Approximierung durch eine Laufzeit in Verbindung mit einem Resonanzsystem, wie folgt:

wobei V_n der Verstärkung, Q_n der Güte und f_on der Resonanzfrequenz der öffnung n entspricht und die Parameter des Resonanzsystems - Resonanzfrequenz, Güte, Verstärkung - in einem funktionalen Zusammenhang zu den geometrischen Abmessungen - Radius und Tiefe - der Ohrmuschelöffnungen stehen.

Die Erfindung basiert daher auf der Erkenntnis, daß die äußere, akustisch wirksame Geometrie eines Menschen in einem mathematisch zumindest in guter Näherung beschreibbaren Zusammenhang zur gemessenen Außenohrübertragungsfunktion steht. Ausgehend von mittleren geometrischen Abmessungen kann daher auf diese Weise für jede Schalleinfallsrichtung ohne zusätzlichen Aufwand eine mittlere Außenohrübertragungsfunktion bestimmt werden, die in geeigneter Weise die für das menschliche Gehör erforderlichen Ubertragungseigenschaften, da alle für die Signalanalyse-und Mustererkennungsprozesse im Gehör erforderlichen Merkmale aufgrund des physikalischen Zusammenhangs von Außenohr und dessen Ubertragungseigenschaften berücksichtigt werden, repräsentiert. Die Realisierung wird dann durch die Annahme möglich, daß diese mathematisch beschreibbaren physikalischen Ursachen der Außenohrübertraqungseigenschaften mit einem Modell, das auf aus der Nachrichtentechnik bekannten Systemen (Hoch- und Tiefpässe, Laufzeitglieder, Resonanzelemente und dgl.) basiert, approximiert werden können. Dieses Modell erlaubt, die Außenohrübertragungsfunktion für alle Schalleinfallsrichtungen direkt anhand physikalischer Kenngrößen durch Variation weniger Parameter zu approximieren.

Das System Außenohr mit seinen richtungsabhängigen Ubertragungseigenschaften beschreibt im nachrichtentechnischen Sinne die frequenzabhängigen Verzerrungen, die die Schallsignale in Abhängigkeit der Schalleinfallsrichtung bei der Umcodierung in Ohrsignale für den Nachrichtenempfänger "menschliches Gehör" erfahren.

Im folgenden soll anhand eines Beispiels, nämlich des Kopfes, der angenähert durch einen Ellipsoid beschrieben werden kann, dargetan werden, wie Beugung und Reflexion mit Hilfe eines Modells approximiert werden können.

Es wird hier zunächst verwiesen auf das in Fig. 3 gezeigte Blockschaltbild des richtungsbestimmenden Teils eines Außenohrsimulators 10 - nur ein Kanal -, wobei unterteilt durch strichpunktierte Linien die Approximation durch Schaltungsblöcke für den Bereich Kopf bei 10a, für den Bereich Ohrmuschel bei 10b und für den Be--reich Schulter und Oberkörper bei 10c dargestellt ist.

Basierend auf der Annahme, daß sich Beugung und Reflexion an einer kreisrunden Scheibe beispielsweise sehr gut mit einem einfachen Modell approximieren lassen, welches aus zwei Laufzeitgliedern und einem Tiefpaß besteht, (wenn man zunächst von einfachen geometrischen Grundfiguren ausgeht) wird bei der Approximation des Kopfmodells davon ausgegangen, daß der SchaDdruckverlauf in einem Punkt auf einen Ellipsoid als _Kopfnäherung in Abhängigkeit der Schalleinfallsrichtung durch die bei 10a angegebenen Schaltungsblöcke eines Teilmodells approximiert werden kann, wobei die Parameter dieses Modells in einem funktionalen Zusammenhang zu den geometrischen Abmessungen des betrachteten Körpers stehen; sie berücksichtigen auch Spezialfälle wie Kugelkopf, Ellipse und kreisförmige Scheiben. Dabei ist bei sämtlichen beispielsweise in Fig. 3 gezeigten Schaltungsblöcken unter K ein Koeffizientenglied, mit T und beliebigem Index ein Laufzeitglied, mit TP ein Tiefpaß und mit HP ein Hochpaß besteht. Der physikalische Bezug des bei 10a für den Kopf repräsentativen Modells ist folgendermaßen. Zur direkt einfallenden Schallwelle wird, abhängig vom Schalleinfallswinkel, das vom Ellipsoid (Kopf) reflektierte Schallfeld zuaddiert, durch die Blöcke K und HP₁. Das von der Umrandung ausgehende Beugungsfeld wird in zwei Anteile aufgeteilt. Der Zweig mit den Elementen K3, HP₃ und T₂ repräsentiert den dem Schallquellenort zugewandten Anteil der Beugungswelle, der Zweig mit den Elementen K₂, HP₂, T₁ und TP den dem Schallquellenort abgewandten Teil. Die Grenzfrequenzen der Hoch- und Tiefpässe, die Beträge der Laufzeit und die Koeffizienten bestimmen sich direkt aus den Parametern Kopfgröße, Schalleinfallsrichtung und Position des Ohrkanaleingangs. Wie für den Kopf läßt sich auch der Einfluß der Beugungskörper Schulter (mit den Elementen K_S, HP_S, P_s und TP_S), Oberkörper (K_O' HP_O, T_O und TP_O) und -

Ohrmuschel (mit den Elementen K_a, T und TP_a sowie K_z, T_z) mit dem in Fig. 3 insoweit dann für die richtungsabhängigenElemente gezeigten Modell hinreichend genau beschreiben.

Die auf der vorhergehendensei_te angegebene Tabelle betrifft durch Messung ermittelte geometrische Daten von sechs Versuchspersonen, diese Daten können als geometrische Mittelwerte bei Bezugnahme der Parameter der einzelnen Approximations-Elemente wie in Fig. 3 gezeigt, und der Berechnung der Schaltungselemente zugrunde gelegt werden. Dabei können zur Nachbildung mittlerer Außenohrübertragungsfunktionen die Werte der gemittelten geometrischen Kenngrößen, wie weiter unten noch erläutert wird, fest programmiert werden.

Lediglich als Beispiel und nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen sind im folgenden noch mathematische Zusammenhänge aufgeführt, die erkennen lassen, wie die im Modell hier der Fig. 3 verwendeten Parameter (Koeffizient, Laufzeit, Hochpaß, Tiefpaß) in einem insoweit jetzt vereinfachten, mathematischen Zusammenhang zu den geometrischen Abmessungen (Parameter^*) der Tabelle auf Seite 12 stehen.

Ohrmuschel:mit θ: Schalleinfallswinkel

• r Hälfte des Parameters Nr. 24^* a
• r_b: Hälfte des Parameters Nr. 25^*

Weiteres Beispiel Kopf:mit

Zur vollständigen Beschreibung der strukturbestimmenden Merkmale muß noch der Einfluß der richtungsunabhängigen Elemente Ohrkanal und carvum conchae Höhlung bestimmt werden. Die Resonanzeigenschaft dieser Höhlung läßt sich sehr gut durch Bandpaßsysteme in Form von Serienschwingkreisen approximieren. Die Parameter (Resonanzfrequenz, Güte und Verstärkung) stehen ebenfalls in einem funktionalen Zusammenhang zu den geometrischen Abmessungen der Höhlung. Der Ohrkanal kann als Rohr mit einer komplexen Abschußimpedenz, der Trommelfellimpedanz, aufgefaßt werden. In guter Näherung wird dieses System durch ein Modell, bestehend aus Laufzeit, Hochpaß und Koeffizient beschrieben.

Man gelangt dann mit diesen Überlegungen zu dem in der Fig. 1 dargestellten, stark vereinfachten Blockschaltbild eines Außenohrmodells, wobei nur der linke Kanal angegeben ist; die einzelnen Blöcke dieses Modells stehen, entsprechend der weiter vorn schon erläuterten Verfeinerung nach Fig. 3, für die entsprechenden akustischen Elemente, die in Fig. 1 auch angegeben sind und die grundsätzlich bei allen Menschen zu finden sind,und die damit die überindividuellen Strukturen der Außenohrübertragungsfunktionen festlegen. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das in Fig. 1 gezeigte Modell, wie weiter vorn schon kurz erwähnt, in einen richtungsabhängigen Teil 12, der zur Simulation der Richtcharakteristik des Außenohrs dient, und in einen richtungsunabhängigen Teil 13 zu unterteilen, der die Freifeld-Außenohrübertragungsfunktion simuliert. Über die Ausgänge zur Freifeldsimulation können bei Wiedergabe über einen freifeldentzerrten Kopfhörer Ohrsignale erzeugt werden, die den Ohrsignalen einer "mittleren" Versuchsperson für die eingestellten Schalleinfallsrichtungen entsprechen. Der zweite Ausgang, in Fig. 1 mit 14b bezeichnet,-14a ist der freifeldentzerrte Ausgang - dient zur Nachbildung der Freifeld-Außenohrübertragungsfunktionen. Das vollständige, schematisch vereinfachte Modell der Fig. 1 ist in den notwendigen Schaltungsteilen auf Laufzeiten, einfache Filter, Allpässe und Addierer beschränkt - obwohl die Außenohrübertragungsfunktionen, wie weiter vorn erläutert, zum Teil extrem komplizierte Strukturen aufweisen -, wobei die Parameter der Schaltungsteile und -blöcke,wie Größe einer Laufzeit oder Grenzfrequenz eines Tiefpasses oder dgl. sich direkt mit Hilfe eines Modells zur analytischen Beschreibung der Außenohrübertragungseigenschaften aus physikalisch vorgegebenen geometrischen Abmessungen, nämlich aus der weiter vorn angegebenen Tabelle bestimmen lassen, mit der weiteren, ganz wesentlichen Folgerung, daß durch Variation oder Änderung solcher oder jedenfalls vorgegebener Parameter der Schaltungsblöcke hier, und wie sofort zu verstehen ist, vollständig kontinuierlich die Möglichkeit eröffnet wird, für jede Schalleinfallsrichtung in Horizontal- und Medianebene die entsprechenden Ohrsignalc zu erzeugen, so daß mit einem solchen elektronischen Kunstkopf ein System zur Verfügung steht, das für beliebige Schalleinfallsrichtungen einer Freifeldbeschallung entsprechende Ohrsignale bei

Kopfhörerwiedergabe erzeugt und die Realisierung eines besonders natürlichen, eindrucksvollen Klangbilds ermöglicht. Dabei ist auch bei Lautsprecherwiedergabe analog zur Kunstkopftechnik eine Verbesserung der Transparenz gewährleistet. Es ergeben sich daher nicht nur spezielle Anwendungsbereiche in der Psychoakustik, auf die noch eingegangen wird, sondern es eröffnen sich hierdurch speziell in der Tonstudiotechnik neue Möglichkeiten zur künstlerischen Gestaltung einer Aufnahme.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Modell, welches lediglich für einen Kanal durch Schaltungsblöcke zusammengefaßte Koeffizienten-, Tiefpaß-, Hochpaß-, Allpaß-, Bandpaß-, Addier-, Resonanzglieder und ähnliches umfaßt, ändern sich außer den Laufzeiten für die verschiedenen Schalleinfallsrichtungen nur wenige Filterparameter. Es ist daher auch möglich, durch die Bestimmung dieser nur wenigen Parameter die übertragungsfunktion für eine Schalleinfallsrichtung zu simulieren. Die einzelnen Schaltungsblöcke sind in Fig. 1 für den Kopfbereich mit 10a', für Ohrmuschel und -umrandung mit 10b' und für Schulter und Oberkörper mit 10c' bezeichnet; ein die additive Überlagerung der jeweiligen komplexen Teilübertragungsfunktionen bewirkendes Additionsglied trägt'das Bezugszeichen 15. Der Schaltungsblock des richtungsunabhängigen Teils umfaßt die Bereiche Ohrkanal und cavum conchae und ist mit 16 bezeichnet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung bei vorliegender Erfindung besteht darin, daß alle im Außenohrmodell auftretenden Laufzeiten in einen den Schaltungsblöcken 10a', 10b' und 10c' vorgeschalteten Grundlaufzeit-Schaltungsblock 17 zusammengefaßt sind, der die erforderlichen Signalverzögerungen und Laufzeiten repräsentiert und realisiert.

Da in diesem Zusammenhang die technische Realisation der Laufzeiten unter Verwendung analoger Verzögerungsleitungen beispielsweise deshalb zu Problemen führen kann, weil neben einem unzureichenden Nutz-/Störleistungsverhältnis Mischprodukte der Frequenzen im hörbaren Frequenzbereich auftreten könnten, zieht die vorliegende Erfindung für einen qualitativ hochwertigen Aufbau eine digitale Realisation der Laufzeiten in Betracht, die im Grundsatz so erfolgt, daß alle den jeweiligen Teilmodellen oder Schaltungselementen-Ketten zugeordneten Laufzeitglieder so wie in Fig. 1 dargestellt angeordnet werden, also vor die einzelnen anderen Schaltungen gezogen werden, wodurch es möglich ist, mit nur einer Analog/Digital-Umsetzung auszukommen. Im einzelnen wird für den Grundlaufzeit-Block 17 ein 16-bit A-D/Umsetzerverwendet, der mit einer Abtastrate von hier beispielsweise 44KHz, was hinreichend hoch ist, arbeitet. Die quantisierten Abtastwerte werden nach der Umsetzung in ein Schieberegister eingelesen. Die Verzögerungszeit bestimmt sich dann durch die von einem nachfolgend noch zu erläuterndem,eine zentrale Steuerung der einzelnen Elemente bewirkendem Mikroprozessor gesteuerte Zeitdifferenz zwischen Einschreiben und Auslesen verschiedener Speicherstellen. Aufgrund der kurzen Speicherzugriffszeiten ist es während einer Abtastperiode möglich, alle Speicherstellen, die zur Laufzeitsimulation benötigt werden (pro Kanal 8 Laufzeiten - es sind linker und rechter Kanal vorhanden) auszulesen. Mit einem schnellen D-A/Umsetzer können die so verzögerten Abtastwerte im Zeitmultiplexbetrieb wieder ausgegeben werden. Unter Zugrundelegung dieser Konzeption sind dann nur ein oder zwei D-A/Umsetzer (für jeden Kanal ein Umsetzer) notwendig. Die zur Simulation notwendigen Filter und Koeffizienten werden dann vorzugsweise mit Hilfe von steuerbaren Operationsverstärkern realisiert, was weiter unten noch erläutert wird. Eine digitale Filterrealisierung - beispielsweise mit schnellen Signalprozessoren - liegt ebenfalls innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens, es empfiehlt sich jedoch, jedenfalls derzeit insbesondere aus Kosten- und Aufwandsgründen hiervon noch Abstand zu nehmen.

Es ist weiter vorn schon erwähnt worden, daß, wie die Darstellung der Fig. 1 zeigt, der die Erfindung bildende elektronische Kunstkopf (Außenohrsimulator) vorzugsweise unter einer zentralen Steuerung steht, was die praktische Handhabung entscheidend vereinfacht; zu diesem Zweck ist ein Mikroprozessor 18 vorgesehen, in welchem beispielsweise auch die Werte der gemittelten geometrischen Kenngrößen fest programmiert sein können, die zur Nachbildung mittlerer Außenohrübertragungsfunktionen erforderlich sind. In entsprechender Weise können dann vom Prozessor 18 die entsprechenden Steuerparameter berechnet und direkt an die steuerbaren Schaltungsblöcke übergeben werden. Mit dieser Methode lassen sich ohne großen Speicherplatzbedarf beliebig feine Unterteilungen des Winkelbereichs in der Horizontal- und Medianebene realisieren, so daß für jede Schalleinfallsrichtung im Freifeld die entsprechenden Ohrsignale erzeugt werden können. Es ist dann zusätzlich möglich, die fest gespeicherten geometrischen Kenngrößen abzuändern, wodruch sich auch andere Außenohrübertragungsfunktionen nachbilden lassen. Ferner ist es möglich, über eine Schnittstelle den erfindungsgemäßen Außenohrsimulator an einen externen Rechner zu koppeln; diese Möglichkeit ist in der detaillierteren Darstellung der Fig. 4 mit 19 bezeichnet, wo, dem Mikroprozessor 18' zugeordnet,das Tastenfeld eines externen Rechners, beispielsweise Personalcomputers, dargestellt ist.

Die geradezu verblüffende Sinulationsfähigkeit des erfindungsgemäßen Außenohrsimulators läßt sich den beiden Diagrammdarstellungen der Fig. 2a und 2b entnehmen, wobei die Fig. 2a eine entsprechend der Erfindung simulierte Freifeld-Außenohrübertragungsfunktion (I) - hier ohne Oberkörper-Simulation - zeigt, im Vergleich zu einer effektiv gemessenen, also empirisch ermittelten Ubertragungsfunktion, wie bei (II) gezeigt. Ergänzend hierzu zeigt die Fig. 2b die Simulation einzelner, beispielsweise als Freifeld-Teilaußenohrübertragungsfunktionen zu bezeichnender akustisch wirksamer Parameter, nämlich für den Bereich Ohrkanal bei (1), den Bereich Schulter und Ohrmuschelrand bei (2) und das cavum conchae bei (3); aus diesen beiden Teilverläufen setzt sich dann die Außenohrübertragungsfunktion (I) der Abbildung 2a zusammen.

Wie weiter vorn schon erwähnt, stellen die einzelnen Schaltungselemente der Fig. 3 die Kopf-, Ohrmuschelumrandung- und Schulter/Oberkörper-Bereiche der Schaltungsblöcke der Fig. 1 detaillierter dar, sie schließen sich an den mit digitalen Elementen realisierten Grundlaufzeit-Block 17 an und enthalten jeweils einzelne, noch nicht erwähnte Additionsglieder 15a, 15b, 15c, 15d mit dem Endaddierglied 15' mit dem zu den richtungsunabhängigen Elementen weiterführenden Ausgangsanschluß 20. Die Schaltungselemente der Fig. 3 stellen den analogen Teil des mikroprozessorgesteuerten Außenohrsimulators dar, zur Realisation der Koeffizienten, der Hoch- und Tiefpässe und der deren Ausgangssignale zusammenfassenden Addierglieder.

Das detaillierte Ausführungsbeispiel der Fig. 4 stellt das Prinzipschaltbild einer möglichen Realisierungsform eines Außenohrsimulators nach vorliegender Erfindung dar, mit einem Bedienungs- und Eingabeelemente sowie Anzeigeelemente enthaltendem Block 21, zugeordnet dem Mikroprozessorsystem 18', dem ferner eine zentrale Zeitablaufsteuerung 22 zugeordnet oder in ihm enthalten ist. Der Mikroprozessor beeinflußt über die Vielfach-Verbindungsleitungen 23a, 23b die Parameter von hier beispielsweise vorhandenen acht analogen Schaltungskanälen 24, die mit ihren Ausgängen auf das Summationsglied 15'' arbeiten. Je nach Art und Aufbau des Modells enthalten die analogen Schaltungskanäle 24 Tief- und Hochpaßfilter 24a, 24b erster bzw.dritter Ordnung, Bandpässe 24c und sogenannte Koeffizientenglieder 24d mit einer Verstärkung von - 1... + 1. Die Laufzeitglieder für die jeweiligen Kanäle werden als digitale Verzögerungsleitungen realisiert und zu diesem Zweck so angeordnet, daß nur eine A-D/Umsetzung an einem einen Eingangs-Tiefpaßfilter 25 nachgeschaltetem Digitalisierungsblock 26 erforderlich ist. Nach der Umsetzung werden die quantisierten Abtastwerte in einen frei adressierbaren Speicher 27 (Verzögerungsspeicher RAM) eingelesen. Die sich zwischen Einlesen und Auslesen der Abtastwerte an verschiedenen Speicherstellen ergebenden Verzögerungszeiten bestimmen die Zeitdifferenz, wobei die Länge des Registers sich durch die maximal notwendige Verzögerungszeit bestimmt. Da ein Speicherzugriff im Vergleich zu der schon erwähnten Abtastrate von vorzugsweise 44KHz sehr kurz ist, können während einer Abtastperiode alle für die Simulation der verschiedenen Laufzeiten notwendigen Abtastwerte hintereinander ausgelesen werden. Es ist daher mit Hilfe eines entsprechend schnellen D-A/Umsetzers 26 möglich, die so erhaltenen Abtastwerte für die unterschiedlichen Laufzeiten im Zeitmultiplexbetrieb wieder umzusetzen, wozu nach einem Signalrückgewinnungsblock 28 schematisch ein von der zentralen Zeitablaufsteuerung gesteuerter Zeitmultiplex-Umschalter 29 angedeutet ist, dessen Ausgänge mit den Eingängen der verschiedenen Kanäle 24 verbunden sind. Durch die Kombination von analogen und digitalen Schaltungsteilen ist einerseits eine problemlose Realisierbarkeit und andererseits ein äußerst vielseitiges, qualitativ hochwertiges Simulationssystem für die Darstellung von Außenohrübertragungsfunktionen erzielt. In Fig. 4 ist der beispielsweise rechte Kanalbereich noch mit 30a, ein zugehöriger linker Kanalbereich mit 30b bezeichnet; den Addiergliedern 15' ist noch ein Tiefpaß 31a, 31b jeweils nachgeschaltet, wobei sich am Ausgang 32a des Tiefpasses 31a das rechte Ohrsignal und am Ausgang 32b des Tiefpasses 31b das linke Ohrsignal abnehmen läßt.

Eine mögliche Realisierungsform eines beliebig als Tiefpaßfilter oder Hochpaßfilter 1. Ordnung auslegbaren Schaltungselements ist in Fig. 5 dargestellt; das Filter ist mit Hilfe eines als steuerbarer Widerstand geschalteten sogenannten "Operational Transconductance Amplifier - OTA" 33 aufgebaut, bei dem die Vorwärtssteilheit (Transconductance) der Kehrwert der Verstärkung ist und mit Hilfe eines extern eingespeisten Gleichstroms Ist einstellbar ist. Dabei ergibt sich je nach Einspeisungspunkt dieses Gleichstrom-Eingangssignals für die Gesamtanordnung die Ubertragungsfunktion entweder eines Tiefpasses oder auch eines Hochpasses. Dem OTA 33 ist ein normaler Operationsverstärker 34 noch nachgeschaltet; der Steuerstrom ergibt sich durch den unteren Schaltungsteil, wobei die Steuerspannung USt einem Operationsverstärker 35 zugeführt und über einen FET-Transistor 36 am Ausgang zum OTA 33 gelangt; wesentlich sind lediglich noch ein am Rückführungszweig liegender Kondensator C und die in der Eingangsbeschaltung zum invertierenden Anschluß liegenden Widerstände R3 und R4, an eine Rückführleitung 37 angeschlossen. Eine zum Steuerstrom Ist proportionale Grenzfrequenz ergibt sich dann bei einer solchen Schaltung beispielsweise aus folgender Formel

Insgesamt ergibt sich durch eine solche Schaltung der Fig. 5 ein spannungsgesteuertes Tiefpaß/Hochpaß-Filterelement.

Bei der Schaltung der Fig. 6 handelt es sich um ein Blockschaltbild einer Interface-Schaltung zur Erzeugung der Steuerspannungen U_St. die sich am Ausgang 38 der Schaltung abnehmen lassen und für die Parametereinstellung der Filter und Koeffizientenglieder benötigt werden. Der Mikroprozessor 18' (Fig. 4) schreibt das Parameter-Datenwort über eine Daten-Bus-Leitung 39 in ein Datenregister 40. An dessen Ausgängen wird das Datenwort von einem Digital-/ Analog-Umsetzer 41 mit nachgeschaltetem Stromspannungswandler 42 in eine Spannung von beispielsweise 0 ... -10 V umgesetzt. Über ein von der gleichen Daten-Bus-Leitung 39 angesteuertes Adressregister 43 wird ein Kanal eines dem Strom/Spannungswandler 42 nachgeschalteten Analog-Multiplexers 44 adressiert und somit die erzeugte Spannung zu einer entsprechenden Ausgangs-Speicherschaltung (Sample + Hold) durchgeschaltet, wobei für jedes jeweils zu steuernde Filterelement eine solche S + H-Schaltung 45 vorgesehen ist. Die Sample + Hold-Schaltung 45 besteht lediglich aus einem Speicherkondensator C und einem sehr hochohmigen Spannungsfolger 46 als Operationsverstärker. Ist der Kondensator C aufgeladen, so wird der Kanal mit einem Inhibit-Signal, das vom Adressregister 43 ausgegeben wird, wieder abgeschaltet. Der gesamte Vorgang läuft in der gleichen Weise zyklisch bei allen anderen Kanälen ab. Auf diese Weise werden die Spannungen an den Halte-Kondensatoren C jeweils wieder aufgefrischt. Eine noch vorhandene Dekodierlogik 47 erzeugt mit Hilfe von Adress-Bus-Eingangsleitungen 48 und Steuer-Bus-Eingangsleitungen 49 vom Mikroprozessorsystem 18' die Ladeimpulse für die beiden Register 43 und 40.

Die Fig. 7 und 8 zeigen schließlich in Form von Diagrammen für zwei verschiedene Richtungen (0° bzw. 270°) die Freifeld-Außenohrübertragungsfunktionen des linken Ohrs einer individuellen Versuchsperson im Freifeld (Horizontalebene) , wobei die durchgezogene Linie durch Rechnung entsprechend dem Gegenstand vorliegender Erfindung (Modell) und die beiden, diese durchgezogene Linie gestrichelt oben und unten umgebenden Kurvenverläufe die Standardabweichung bei sechs Messungen an derselben Versuchsperson darstellen; man erkennt, wie hochgenau durch die vorliegende Erfindung das gesteckte Ziel eines elektronischen Kunstkopfes realisiert werden konnte.

Besonders geeignete Anwendungsbereiche für den erfindungsgemäßen elektronischen Kunstkopf, der anstelle des natürlichen Außenohrs die Transformation von Schallsignalen und Ohrsignalen durchführt,liegen, unter anderem auf den folgenden drei Gebieten:

• 1. in der psychoakustischen Forschung zur leichten Realisation von speziellen Außenohrübertragungseigenschaften, z.B. zur Simulation einer Hörgeräteversorgung. Da die Möglichkeit besteht, einzelne Parameter in kürzester Zeit einfach zu ändern, kann beispielsweise der Einfluß von Hörgeräten oder die Auswirkungen von ein- und beidohriger Hörgeräteversorgung einfach simuliert werden;
• 2. im medizinisch-diagnostischen Bereich zur Überprüfung des Richtungshörvermögens oder der Sprachverständlichkeit in störschallerfüllter Umgebung. So sind Hörtests, insbesondere Richtungshörtests mit dem erfindungsgemäßen Gerät unter Freifeldbedingungen möglich ohne die Notwendigkeit, einen reflexionsarmen Raum vorzusehen, und ohne großen apparativen Aufwand;
• 3. im tontechnischen Bereich zur synthetischen Erzeugung einer kopfbezogenen Aufnahme, wobei es möglich ist, Signale für beliebige Schalleinfallsrichtungen etwa Kunstkopfaufnahmen oder dgl. zuzumischen.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.