Binaural Sound Reproduction via Distributed Loudspeaker Systems

Martin Teschl

Diplomarbeit (pdf 2.439 KB)

Das Grundprinzip binauraler Schallwiedergabetechnik ist, denselben Schalldruck am Trommelfell eines Hörers zu rekonstruieren, der dort von einer realen Schallquelle verursacht werden würde. Als Folge kann der Hörer nicht mehr zwischen der realen und der simulierten, virtuellen Schallquelle unterscheiden. Bei der Verwendung von zwei Lautsprechern, müssen die Übertragungsfunktionen zwischen den beiden lautsprechern und den beiden Ohren invertiert werden, um die entsprechenden Signale korrekt an die Ohren des Hörers zu liefern. Dieser Vorgang, der allgemein als Übersprechkompensation bezeichnet wird, kann als eine Inversion einer [2x2] Matrix von Übertragungs- funktionen betrachtet werden.
Frühere Arbeiten auf diesem Gebiet haben sich auf die Verwendung eines konventionellen Stereo Systems konzentriert, wo die beiden lautsprecher einen Winkel von 60 Grad aufspannen, im Vergleich dazu hat sich eine Anordnung der beiden Lautsprecher sehr nahe aneinander als robuster in Bezug auf Kopfbewegung des Hörers bzw. auf ungenaue Positionierung herausgestellt. Ein Nachteil dieser Methode ist jedoch, dass die Übersprechkompen- sation sehr hohe lautsprechersignale im Niederfrequenz- bereich erfordert. Inverse Probleme dieser Art werden in der Matrixalgebra als eine "schlecht gestellte Aufgabe" bezeichnet, oder man sagt, die Aufgabe ist "schlecht konditioniert".
Anhand eines Freifeldmodells des Kompensationsproblems kann gezeigt werden, dass schlechte Konditionierung neben der Frequenz auch von der Geometrie der Lautsprecheranordnung (vom aufgespannten Winkel) abhängig ist. So ist die Systeminversion mit kleineren Winkeln im Niederfrequenzbereich schlecht konditioniert, wohingegen größere Aufspannwinkel schlechte Konditionierung für hohe Frequenzen ergeben. Dieser Zusammenhang hat zur Idee geführt, den Aufspannwinkel abhängig von der Frequenz zu variieren um so eine bestmögliche Konditionierung über den gesamten Frequenzbereich zu sichern. Eine praktische Lösung dafür ist die Verwendung mehrerer lautsprecherpaare für verschiedene Frequenzbereiche, die jeweils unter entsprechenden Winkeln angeordnet werden um letztlich den gesamten hörbaren Frequenzbereich abzudecken.
Diese Diplomarbeit diskutiert die generelle Machbarkeit und Möglichkeiten einer derartigen Methode. Die zugrunde- liegende Theorie, die praktische Umsetzung sowie die Erprobung solcher Systeme wird im Detail beschrieben. Resultate von umfassenden Schalllokalisierungs- experimenten zeigen eindeutig signifikante Verbesserung, im speziellen hinsichtlich der Azimutlokalisierung für stark seitlich präsentierte virtuelle Schallquellen.