Die vorliegende Erfindung betrifft die Wiedergabe bzw. Rekonstruktion eines Schallfelds in einem begrenzten Bereich mithilfe mehrerer Lautsprecher.

Zur Erzeugung eines räumlichen Schalleindrucks können stereophonische Techniken eingesetzt werden. Bei diesen Techniken wird mithilfe von zwei oder mehr Lautsprechern durch Pegeldifferenzen und/oder Laufzeitdifferenzen ein räumlicher Schalleindruck beim natürlichen Hören erzeugt. Der gewünschte räumliche Höreindruck entsteht dabei jedoch nur innerhalb eines begrenzten Bereichs, dem sogenannten "Sweet Spot", innerhalb der Lautsprecheranordnung. Weiterhin gibt es verschiedene Ansätze zur Nachführung bzw. Vergrößerung des Sweet Spot bei stereophonischer Wiedergabe, wie sie beispielsweise in der DE-A-10 125 229, oder der DE-A-10 2005 052 904 beschrieben sind. Bei Stereoverfahren wird ein Schallfeld allerdings nicht physikalisch rekonstruiert, sondern es wird eine Illusion erzeugt, die sich dem natürlichen Vorbild sehr ähnlich anhört, jedoch ganz andere physikalische Eigenschaften hat. Auch kann mit der Stereophonie nur der Eindruck einer Schallquelle vermittelt werden, die mindestens den Abstand zu den nächstgelegenen Lautsprechern hat.

Zur authentischen physikalischen Rekonstruktion eines Schallfeldes über einen ausgedehnten Bereich kann die Technik der Wellenfeldsynthese verwendet werden. Diese Technik verwendet eine große Anzahl von Lautsprechern und vermeidet dadurch das Problem, dass in einem Sweet Spot innerhalb der Lautsprecheranordnung die Rekonstruktion des gewünschten Schallfeldes signifikant genauer ist als im Rest des Hörbereichs, wie es beispielsweise bei der Stereo-Technik auftritt Die Lautsprecheransteuerungssignale für die einzelnen Lautsprecher werden analytisch berechnet. In der praktischen Realisierung kommt es jedoch zu großen Abweichungen vom gewünschten Schallfeld über den gesamten potenziellen Hörbereich. Die Technik der Wellenfeldsynthese ist beispielsweise in der Veröffentlichung von S. Spors, R. Rabenstein und J. Ahrens, "The Theory of Wave Field Synthesis Revisited", in: Proceedings of the 124th Convention of the Audio Engineering Society, May 17-20, Amsterdam, The Netherlands, 2008 beschrieben. Mittels der Wellenfeldsynthese kann auch eine Erzeugung sogenannter virtueller fokussierter Schallquellen erreicht werden. Darunter versteht man die physikalische Re-Synthese einer Schallquelle, die sich zwischen dem Zuhörer und den Lautsprechern befindet. Fokussierte Schallquellen in der Wellenfeldsynthese und deren Eigenschaften sind beispielsweise in der Veröffentlichung von S. Spors, H. Wierstorf, N. Geier und J. Ahrens, "Physical and Perceptual Properties of Focused Sources in Wave Field Synthesis" beschrieben, die als Convention Paper der 127. Convention der Audio Engineering Society, New York, USA, 9.-12. Oktober 2009, veröffentlicht ist.

Eine andere bekannte Technik zur Rekonstruktion eines Schallfeldes wird mit Ambisonics bezeichnet und ist beispielsweise in der WO 2005/0195954 A2 beschrieben. Diese Technik erfordert kreisförmige bzw. kugelförmige Anordnungen von Lautsprechern, wobei die Lautsprechersignale typischerweise mithilfe von numerischen Algorithmen generiert werden. Die im Rechenweg notwendige Beschränkung der räumlichen Bandbreite der Ansteuerungssignale bewirkt, dass die Rekonstruktion des gewünschten Schallfeldes im Zentrum der Lautsprecheranordnung am genauesten ist. Im Zentrum der Lautsprecheranordnung befindet sich daher ein Sweet Spot. Mit zunehmendem Abstand vom Zentrum der Lautsprecheranordnung werden die Abweichungen im rekonstruierten Schallfeld größer. In der Veröffentlichung von J. Hannemann und K. D. Donohue, "Virtual Sound Source Rendering Using a Multipole-Expansion and Method-of-Moments Approach", J. Audio Eng. Soc., Bd. 56, Nr. 6, Juni 2008, wird ein dem Ambisonics-Verfahren verwandtes Verfahren beschrieben, das es ermöglicht, die Anordnung der Lautsprecher und den Ort des Sweet Spot relativ frei zu wählen. Auch hier werden die Lautsprechersignale mit numerischen und somit sehr rechenintensiven Algorithmen berechnet.

Mit Erweiterungen von Ambisonics, beispielsweise der als Higher Order Ambisonics bezeichneten Technik, kann in Verbindung mit einer analytischen Berechnung der Lautsprecheransteuerungssignale ein effizienteres Verfahren bereitgestellt werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der Veröffentlichung von J. Ahrens und S. Spors, "Analytical driving functions for higher order Ambisonics", in: IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Las Vegas, Nevada, 30. März bis 4. April 2008 beschrieben. Auch gemäß dem dort beschriebenen Verfahren stimmt jedoch das resultierende wiedergegebene Schallfeld umso schlechter mit dem gewünschten Schallfeld überein, je höher die Frequenz ist und je weiter man sich vom Zentrum der Anordnung entfernt. Es existiert also wiederum ein Sweet Spot im Zentrum der Lautsprecheranordnung.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten physikalischen Rekonstruktion eines Schallfelds in einem begrenzten Bereich mithilfe von mehreren Lautsprechern bereitzustellen, wobei der begrenzte Wiedergabebereich dynamisch und frei platziert bzw. dynamisch verschoben werden kann. Die Lautsprecheranordnung zur Rekonstruktion des Schallfelds soll frei wählbar sein und der gewünschte Wiedergabebereich soll frei innerhalb bzw. vor der Lautsprecheranordnung ausgewählt werden können.

Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.

Mit der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wiedergabe eines Schallfelds in einem Zielbeschallungsbereich mittels mehrerer elektroakustischer Wandler bereitgestellt. Es ist eine Grundidee der vorliegenden Erfindung, fokussierte Quellen als virtuelle Schallquellen für die Wiedergabe in dem räumlich begrenzten Zielbeschallungsbereich zu nutzen. Die fokussierten Quellen werden hierbei durch die elektroakustischen Wandler erzeugt. Die Ansteuerung der virtuellen Schallquellen erfolgt entsprechend realer Lautsprecher an der entsprechenden Position, um ein gewünschtes Schallfeld innerhalb des Zielbeschallungsbereichs zu erzeugen. So werden zum Einen Ansteuerungssignale für die virtuellen fokussierten Schallquellen bestimmt, die auf einer Kontur um den Zielbeschallungsbereich angeordnet sind. Weiterhin werden Ansteuerungssignale für die tatsächlich angeordneten elektroakustischen Wandler bestimmt, durch die die virtuellen Quellen und die von diesen erwünschten Ausgangssignale erzeugt werden. Diese Ansteuerungssignale werden den elektroakustischen Wandlern zugeführt.

Zur Resynthese des Schallfelds innerhalb des Zielbeschallungsbereichs und zur Erzeugung der virtuellen Schallquellen durch die elektroakustischen Wandler mittels akustischer Fokussierung können bekannte Verfahren eingesetzt werden. Insbesondere können die Verfahren der Wellenfeldsynthese oder Ambisonics unabhängig voneinander entsprechend den Anforderungen gewählt werden. Die Verwendung der Wellenfeldsynthese ist jedoch bevorzugt.

Es ist weiterhin bevorzugt, die virtuellen Schallquellen näher am Zielbeschallungsbereich und/oder räumlich dichter anzuordnen als die elektroakustischen Wandler. Dadurch kann die Genauigkeit der Wiedergabe innerhalb des Zielbeschallungsbereichs erhöht werden. So entsteht ein Sweet Spot, also ein begrenzter Zielbeschallungsbereich mit verbesserten Wiedergabeeigenschaften. Durch zeitliches Verschieben der virtuellen Schallquellen kann dieser Sweet Spot, also der begrenzte Zielbeschallungsbereich, dynamisch nachgeführt werden, z.B. einem Zuhörer folgend, der sich bewegt.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine physikalische Rekonstruktion eines Schallfelds in einem begrenzten Bereich mithilfe mehrerer Lautsprecher bzw. elektroakustischer Wandler erreicht. Dies kann mittels einer geschlossenen, vorzugsweise konvexen Anordnung der elektroakustischen Wandler geschehen. Es ist jedoch auch eine nicht geschlossene, beispielsweise lineare Anordnung der elektroakustischen Wandler möglich. Weiterhin kann der gewünschte Wiedergabebereich dynamisch und frei innerhalb bzw. vor der Lautsprecheranordnung platziert werden und so beispielsweise dynamisch an eine Hörerposition angepasst werden. Die Berechnung der Ansteuerung der virtuellen Schallquellen und der tatsächlich vorhandenen elektroakustischen Wandler kann durch verschiedene Verfahren geschehen, in besonders effizienter Weise beispielsweise mit der Wellenfeldsynthese.

Die Erfindung kann vorteilhaft zur Beschallung eines sich bewegenden Zuhörers oder zur Beschallung eines Zuhörers an einer festen Position mit elektroakustischen Wandlern, die an den Wänden eines Raums angeordnet sind, angewendet werden. Auch ist eine Beschallung mehrerer Zuhörer möglich, indem fokussierte Schallquellen erzeugt werden, die auf mehreren Zielbeschallungsbereichen umgebenen Konturen angeordnet sind. Dazu ist es unter Umständen nötig den Einfluss der virtuellen Schallquellen untereinander zu kompensieren.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben, wobei

• Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wiedergabe eines Schallfelds zeigt,
• Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung der Ansteuerungssignale für die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt,
• Fig. 3(a) bis (f) durch eine kreisförmige Lautsprecheranordnung erzeugte Schallfelder,
• Fig. 4(a) und (b) durch eine rechteckige Lautsprecheranordnung erzeugte Schallfelder und
• Fig. 5(a) und (b) durch eine lineare Lautsprecheranordnung erzeugte Schallfelder zeigen.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Wiedergabe eines Schallfelds in einem Zielbeschallungsbereich 3 gezeigt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren technisch realisiert werden kann. Die elektroakustischen Wandler 16 befinden sich auf einer Kontur 15, die in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform den potentiellen Zielbeschallungsbereich 3 umschließt. Eine solche geschlossene Anordnung ist jedoch nicht zwingend notwendig; es ist beispielsweise auch eine lineare Anordnung der elektroakustischen Wandler möglich. Die elektroakustischen Wandler 16 wandeln die eingespeisten elektrischen Signale in Schallsignale um. Durch die den elektroakustischen Wandlern 16 zugeführten Signale werden durch die elektroakustischen Wandler 16 virtuelle Sekundärquellen (virtuelle Lautsprecher) 14 erzeugt, die wiederum auf einer Kontur 13 angeordnet sind, die den Zielbeschallungsbereich 3 umgibt. Diese virtuellen Lautsprecher 14 werden als fokussierte Schallquellen erzeugt und entsprechend realer Lautsprecher an deren Position angesteuert, um das gewünschte Schallfeld entsprechend einer gewünschten virtuellen Schallquelle 1 innerhalb des Bereichs 3 zu erzeugen.

Die fokussierten Schallquellen 14 werden vorzugsweise räumlich dichter angeordnet als die elektroakustischen Wandler 16, da dadurch die Genauigkeit der Wiedergabe innerhalb des Beschallungsbereichs 3 höher ist und auf diese Weise ein "Sweet Spot" mit verbesserten Wiedergabeeigenschaften entsteht.

Die Lautsprecheransteuerungssignale 12 zum Erzeugen der fokussierten Schallquellen 14 auf der Kontur 13 werden in einer Signalverarbeitungseinheit 4 erzeugt. Hierfür werden im Allgemeinen die Positionen 6 und die Ausrichtungen 7 der Schallquellen 14 benötigt. Weiterhin ist eine Signalverarbeitungseinheit 5 vorgesehen, die die Ansteuerungssignale 11 für die virtuellen Lautsprecher 14 innerhalb des Zielbeschallungsbereichs 3 berechnet. Hierzu werden wiederum im Allgemeinen die Positionen 8 und Ausrichtungen 9 der virtuellen Lautsprecher 14 benötigt.

Prinzipiell ist das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unabhängig vom verwendeten Verfahren zur Resynthese des Schallfelds innerhalb des Zielbeschallungsbereichs 3 und unabhängig vom verwendeten Verfahren zur Erzeugung der virtuellen Lautsprecher 14 durch die elektroakustischen Wandler 16 mittels akustischer Fokussierung. Insbesondere sind die Verfahren der Wellenfeldsynthese oder Ambisonics hierfür geeignet und können unabhängig voneinander entsprechend den Anforderungen gewählt werden. Eine besonders effiziente Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich bei der Verwendung der Wellenfeldsynthese.

Bei Anwendung der Wellenfeldsynthese können die Signalverarbeitungseinheiten 4 und 5 folgendermaßen realisiert werden.

In der Signalverarbeitungseinheit 4 werden die Ansteuerungssignale der virtuellen fokussierten Schallquellen 14 entsprechend der Positionen der elektroakustischen Wandler 16 und der virtuellen Lautsprecher 14 erzeugt. Hierzu werden zunächst die benötigten elektroakustischen Wandler 16 entsprechend der Position der fokussierten Schallquellen 14 und deren Abstrahlrichtung ausgewählt. Für die Auswahl der elektroakustischen Wandler 16 kann beispielsweise ein Verfahren benutzt werden, wie es aus der Dokument von S. Spors, "Extension of an Analytic Secondary Source Selection Criterion for Wave Field Synthesis", in: 123. Convention der Audio Engineering Society (AES), New York, USA, Oktober 2007 beschrieben wird. Eine wichtige Eigenschaft einer fokussierten Quelle ist, dass die Wellenfronten vor dem Fokuspunkt, also der Position der fokussierten Schallquelle, zu diesem hin konvergieren und dahinter wie eine Punktquelle am Fokuspunkt divergieren. Damit ist die Laufrichtung der Wellenfronten nur in einem Halbraum gleich der einer Punktquelle im Fokuspunkt. Dieser Halbraum kann gemäß der Erfindung durch entsprechende Verfahren gesteuert werden, bei der Wellenfeldsynthese geschieht dies beispielsweise durch die Auswahl der aktiven elektroakustischen Wandler. Für die ausgewählten aktiven elektroakustischen Wandler kann dann beispielsweise entsprechend des Fokusoperators, wie er in der Doktorarbeit von E. Verheijen, "Sound Reproduction by Wave Field Synthesis", Delft University of Technology, 1997, beschrieben ist, die Eingangssignale der Signalverarbeitungseinheit 4 gewichtet und zeitverzögert werden.

In Fig. 2 ist schematisch die Anordnung und der Aufbau der Signalverarbeitungseinheiten gezeigt, mit denen die elektroakustischen Wandler 16 angesteuert werden können. Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform können unter Verwendung der modelbasierten Wellenfeldsynthese die Lautsprechersignale durch Vorfilterung im Vorfilter 18, Gewichtung und Verzögerung des Signals von der virtuellen Quelle 10 gewonnen werden. Die Ausgangssignale der Signalverarbeitungseinheit 5 entstehen also durch Zeitverzögerung und Gewichtung des Quellensignals entsprechend der Theorie der Wellenfeldsynthese (siehe die oben genannte Doktorarbeit von E. Verheijen) für die Wiedergabe von virtuellen Punktquellen und ebenen Wellen oder anderer komplexer Schallfelder. In der Signalverarbeitungseinheit 4 kann für die fokussierten Quellen bei der Wellenfeldsynthese ebenso verfahren werden, wobei jedoch hier die Verzögerungen negativ sind und der Vorfilter 17 eine andere Charakteristik aufweist.

Es ist weiterhin möglich, Vorfilterungen, Gewichtungen und Verzögerungen auch in einer einzigen Signalverarbeitungseinheit zusammenzufassen bzw. zu kombinieren. Das Signal eines spezifischen elektroakustischen Wandlers entsteht dann durch eine kombinierte Vorfilterung und mehrfache Gewichtung/Verzögerung des Signals 10 der virtuellen Quelle 10.

Die Effizienz der Realisierung mittels Wellenfeldsynthese liegt darin, dass Verzögerungen und Gewichtungen eines Eingangssignals sehr effizient umgesetzt werden können. Weiterhin können die notwendigen Zeitverzögerungen und Gewichtungen mittels einfacher Formeln aus der Geometrie und der gewünschten Quelle gewonnen werden. Hierbei ist jedoch auch die Verwendung von anderen Verfahren möglich. So können die fokussierten Schallquellen nicht nur durch die Wellenfeldsynthese realisiert werden, sondern es ist auch die Verwendung von Higher-Order Ambisonics möglich, wie sie auch von A.J. Berkhout, D. de Vries und P. Vogel, "Acoustic control by wave field synthesis", Journal of the Acoustical Society of America, Volume 93(5): 2764-2778, Mai 1993, beschrieben wird. Weiterhin ist auch eine Spectral Division Method (siehe die oben genannte Veröffentlichung von S. Spors, R. Rabenstein und J. Ahrens) oder die Anwendung von modifizierten "time reversal focusing"-Ansätzen denkbar.

Die Ansteuerung der fokussierten Schallquellen kann, neben der oben dargestellten Wellenfeldsynthese, die model- oder datenbasiert sein kann, auch durch Time- und Amplitude Delay-Techniken erfolgen, wie Stereophonie oder VBAP, durch Higher-Order Ambisonics, einer Spectral Division-Methode, beispielsweise gemäß der Doktorarbeit von J. Daniel, "Représentation de champs acoustiques, application à la transmission et à la reproduction de scenes sonores complexes dans un contexte multimedia", Université Paris 6, 2001, oder numerische (Least-Squares)-Ansätze erfolgen. Hierbei sind auch beliebige Kombinationen der Techniken für die Realisation und Ansteuerung der virtuellen fokussierten Schallquellen denkbar.

Beispiele für die Schallfelder, die durch verschiedene Anordnungen von elektroakustischen Wandlern erzeugt werden, sind in den Figuren 3 bis 5 gezeigt. In Fig. 3 ist ein kreisförmiger Hörbereich von 56 elektroakustischen Wandlern umgeben. Es wird die Wiedergabe einer ebenen Welle angestrebt. Eine solche Wiedergabe einer ebenen Welle ist in (a) und (b) für eine Frequenz von 1 kHz bzw. 4 kHz gezeigt. Hierbei ist in (b) deutlich zu sehen, dass Artefakte aufgrund der räumlichen Abtastung (spatial aliasing) auftreten. Diese erstrecken sich über nahezu den gesamten Hörbereich.

Figuren 3(c) und (d) zeigen die Erzeugung einer fokussierten Quelle mittels Wellenfeldsynthese, wiederum für eine Frequenz von 1 kHz bzw. 4 kHz. In (d) zeigt sich, dass es einen Bereich um die fokussierte Quelle gibt, der nahezu frei von Artefakten ist. Dies kann im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgenutzt werden. Fig. 3(e) zeigt die Wiedergabe unter Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 3(e) wird gezeigt, dass aus den 56 elektroakustischen Wandlern 56 fokussierte Quellen erzeugt werden, die kreisförmig mit einem Durchmesser von 40 cm um das Zentrum angeordnet sind und die für die Wiedergabe einer ebenen Welle mit 4 kHz entsprechend dem Verfahren gemäß der Erfindung angesteuert werden. Es ist klar ersichtlich, dass innerhalb des Zielbeschallungsbereichs eine Resynthese ohne Artefakte erfolgt. In Fig. 3(f) ist das gleiche Szenario gezeigt, nur wurde hier der Zielbeschallungsbereich verschoben. Auch hier ist klar zu sehen, dass die Resynthese ohne wesentliche Artefakte erfolgt.

Schallfelder ähnlich denen, die in Fig. 3(e) und (f) gezeigt sind, sind in Figuren 4(a) und (b) gezeigt, nur dass hier statt der kreisförmigen Anordnung der elektroakustischen Wandler eine rechteckige Anordnung verwendet wird. Eine solche Anordnung wird typischerweise bei praktischen Systemen benutzt. Wiederum zeigt Fig. 4(a) die Wiedergabe einer ebenen Welle mit 4 kHz und einem (kreisförmigen) Zielbeschallungsbereich in der Mitte, Fig. 4(b) die Situation, in der der Zielbeschallungsbereich verschoben ist. auch hier ist gezeigt, dass die Resynthese ohne wesentliche Artefakte erfolgt.

Schließlich wird gemäß den Figuren 5(a) und (b) eine lineare Lautsprecheranordnung betrachtet, wie dies zum Teil bei praktischen Systemen genutzt wird. entsprechend Fig. 3 und 4 zeigt auch die Fig. 5 die Wiedergabe einer ebenen Welle mit 4 kHz, wobei in (a) der Zielbeschallungsbereich in der Mitte angeordnet ist. In Fig. 5(b) ist gegenüber (a) der Einfallswinkel der ebenen Welle im Zielbeschallungsbereich geändert. Auch hier ist deutlich zu sehen, dass die Resynthese ohne Artefakte erfolgt.