EP2373055B1 - Kopfhörer-Vorrichtung zur Wiedergabe binauraler räumlicher Audiosignale und damit ausgestattetes System - Google Patents

Kopfhörer-Vorrichtung zur Wiedergabe binauraler räumlicher Audiosignale und damit ausgestattetes System Download PDF

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EP2373055B1
EP2373055B1 EP11156802.8A EP11156802A EP2373055B1 EP 2373055 B1 EP2373055 B1 EP 2373055B1 EP 11156802 A EP11156802 A EP 11156802A EP 2373055 B1 EP2373055 B1 EP 2373055B1
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EP
European Patent Office
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headphone
headband
filter
headphone device
cavity
Prior art date
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Active
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EP11156802.8A
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French (fr)
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EP2373055A2 (de
EP2373055A3 (de
Inventor
Alexander Lindau
Frank Schultz
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Deutsche Telekom AG
Original Assignee
Deutsche Telekom AG
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Publication date
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Publication of EP2373055A3 publication Critical patent/EP2373055A3/de
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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    • H04R5/033—Headphones for stereophonic communication
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2227/00—Details of public address [PA] systems covered by H04R27/00 but not provided for in any of its subgroups
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    • H04S2400/00—Details of stereophonic systems covered by H04S but not provided for in its groups
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    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S3/00—Systems employing more than two channels, e.g. quadraphonic
    • H04S3/002—Non-adaptive circuits, e.g. manually adjustable or static, for enhancing the sound image or the spatial distribution
    • H04S3/004—For headphones

Definitions

  • the invention relates to a headphone device for reproducing binaural spatial audio signals according to the preamble of claim 1 and a system equipped therewith for reproducing binaural spatial audio signals according to the preamble of the independent claim.
  • Various headphone devices are known in the art.
  • a headphone device for reproducing spatial audio signals, in particular for surround-effect stereophonic reproduction comprises a headband formed internally as a cavity extending over the user's head from one ear to the other ear extends.
  • the cavity is widened in each case to accommodate a plurality of speakers or electrodynamic drivers which radiate directed towards the local ear (see “speakers 22-25" in Fig. 1 ).
  • Each group of these loudspeakers forms an ear speaker ("eaxspeaker 13", see paragraph [0017]).
  • the cavity of the headband is also widened to there additional speakers (see “speakers 21" in Fig. 1 ), which together with the other loudspeakers (“speakers 22-25”) effect multi-channel surround sound (see paragraph [0018]).
  • the middle cavity area can also be equipped with a fan ("fan 20"), which ensures central ventilation or cooling of the user's head (see paragraph [0020]).
  • the filtering of the signals of an acoustic scene with outer ear transmission functions
  • the particular individual head and ear shape determines or by the special shape of the artificial head microphones, which are natural human heads with detailed outer ears modeled.
  • the use of filters, so-called “earphone correction filters” (ECF) is described in the article “ Individualized and generalized earphone correction filters for spatial sound reproduction “by William L. Martens described; the article was published in " Proceedings of the 2003 International Conference on Auditory Display, pp. 263-266, June 9, 2003 (Boston, MA, USA ) released.
  • the tone color distortion which occurs on both the recording side and the reproduction side constitutes a substantial quality defect and should be eliminated as much as possible.
  • the tone color distortion is essentially due to the fact that the used outer ear transmission functions or Kimstkopf microphones always based on the anthropometry of a single individual. This inevitably results in geometric deviations that manifest themselves in individually more or less strong frequency response distortions of the resulting ear transmission functions.
  • An advantageous solution proposal is in the earlier, not yet published patent application DE 10 2010 004 171 proposed.
  • the headphones used themselves are to be mentioned as essential causes of tone color distortions. These are usually provided by the manufacturer with certain frequency responses ("free” or “diffuse field equalization”), which serve to achieve a better tonal color comparability of headphone reproduction with that of normal stereophonic loudspeaker signals.
  • the suitability of conventional headphones for binaural reproduction is very limited, as a tonally umverfärbte reproduction of the head-related recordings on the eardrum or at the ear canal entrance (open or closed Ohkanal) must be achieved; So a criterion that does not meet the usual sound field adjustments conventional headphones.
  • the frequency responses of different headphones can differ significantly from one another.
  • the conventional systems show, depending on the principle of the acoustic coupling to the ear, a more or less strong variability regarding the repeated settling and settling.
  • the worst features show the supraaural (supraaural) systems, circumaural (circumaural) systems behave a little better, the best is an 'extraaural' model with 'speakers floating freely in front of the ear'.
  • Another problem of non-extra-aural systems is the so-called leakage, or the leak operation.
  • small, movement or Aufsetzpositionsbedte leakages at the body closure point pad ear, or upholstery head in the form of heavily modified low-bass frequency affect.
  • the term 'extraaural' is understood to mean the near-ear sound with a maximum ear-source distance of about 0.5 m or also any "transaural" reproduction that is performed with such an ear-source distance.
  • the required frequency response linearization in the available conventional systems has hitherto usually been achieved by subsequent individual or generic calibration. Compensation filters based on empirical headphone ear transfer function are created for this purpose.
  • the implausible reproduction of very low frequencies ( ⁇ 100 Hz) is known as a general lack of headphone reproduction.
  • the direct comparison with loudspeaker systems shows a palpable difference in the reproduction of very low-frequency signals, which can be traced back to a lack of structure-borne sound excitation when playing with headphones.
  • the mentioned shortcomings of the conventional systems lead to more or less strong, positionally and individually conditioned frequency response distortions.
  • a joint realization of both measures a) and b) is in itself a contradiction, because the electrodynamic drivers (headphone speakers) can not be small and large at the same time.
  • a miniaturized driver is used, whose function is upgraded by the formation of cavities in the headband, so that all the advantages of the two measures a) and b) arise and can be exploited. It has been found that by providing cavities in the headband or in its half-shells, relatively large volumes of e.g. each 200 ml can be realized, so that a significant acoustic effect in the sense of the measure b) can be achieved.
  • the respective cavity is preferably equipped with suitable acoustic damping elements.
  • the headband or at least the two headband half are preferably made of a thermoplastic material, wherein each cavity is configured as edgeless. It may be provided that each of the electrodynamic drivers is connectable via a cable to an amplifier providing an electrical audio signal, wherein the cable is guided through the cavity of the respective headband half. It is advantageous if the cables are led out at the apex of the headphone from the upper ends of the headphone halves.
  • each one points Headband half preferably at least one mechanically damping spacer, which keeps the headband at a distance from the head.
  • the system may also include a switchable subwoofer device.
  • each headband half KH has a cavity D, which is acoustically effectively connected to the respectively attached to the temple end electrodynamic driver, which is realized here in the form of a miniature speaker L as a so-called. 2-inch cone driver.
  • the miniature speaker L is located in a damped housing A, which has a hollow elbow B in the upper part, which serves as an acoustic and mechanical connection element and is rotatably connected via a joint C to the lower end of the cavity D.
  • a joint C By attaching detents on the joint C is a stepwise change in the horizontal angle adjustment of the miniature loudspeaker or the housing A possible, for example in 3 stages of -25 °, 0 °, 25 °.
  • the structure is made by plug-in mounting on the headband.
  • the connected to the housing A cavity D forms a significantly enlarged resonant space, and thus a significantly increased acoustic spring volume for the respective miniature speaker L from.
  • a total volume of about 200 ml is realized.
  • the acoustically effective headband volume ends just before the apex of the temple, where it becomes a massive bridge.
  • the housing A is also designed without sharp, acoustically reflective edges, whereby a diffuse scattering of thrown back sound components and thus a further reduction of the visible from the ear canal sound field resistance is achieved.
  • the headband is made of a thermoplastic material.
  • conventional thermoplastics may be used, such as e.g. Polypropylene, acrylonitrile, butadiene-styrene or polyamide.
  • the shape is designed so that the respective cavity D has no edges or corners in the interior.
  • the cavity D is acoustically damped in the interior by there damping elements DE are arranged.
  • damping elements DE are arranged for fixation on a human head (Not shown)
  • a plurality of elastic spacers G are provided to provide for a reduction in the mechanical stress on the head.
  • the length of the spacer B can be dimensioned by suitable measurements according to methods known per se on the premise of minimizing the sound field resistance and is about 1 to 10 cm.
  • the cable routing of the cable E is through the cavity D and through the connected hollow components B and A through to the miniature speaker L.
  • the exit hole of the cable E and is located centrally on the upper head end or center in the apex of the headband.
  • head movement sensors head tracking sensors
  • HMDs Head-mounted displays
  • the Indian Fig. 1 illustrated headphone K meets the requirements of an extraaural headphone system, which solves the problems mentioned above due to the freely mounted in front of the ear electrodynamicmaschineem (here the speaker capsules L and L ').
  • the assembly with suitable electrodynamic drivers is of particular importance.
  • the objective is that the dimensioning must be very small in order to shift frequency-dependent bundling and the break-up in partial vibration in the highest possible frequency areas and at the same time to reduce the sound field resistance from the point of view of the ear canal.
  • the objective is that the dimensioning of the electrodynamic driver should be as large as possible in order to make the extra-low-noise sound pressure frequency response weaker (with nevertheless sufficient, undistorted sound pressure level even with larger ear intervals) with filtering. Both to each other contradictory objectives can still be achieved due to the design proposed here.
  • the system shown For the headphones described above, the system shown generates an audio output signal OUT, so that a plurality of frequency response targets described in more detail below are achieved.
  • the circuit is shown for only one audio channel.
  • the system includes a signal processing unit SV which is fed with an audio input signal IN and has a plurality of activatable equalizers EQ1 to EQ4 followed by an amplifier AMP, which finally outputs the desired audio output signal to the headphone.
  • the system also includes a switchable subwoofer SWF, which is equipped for the optional generation of low-frequency signals with a low pass TP, an amplifier AMP * and a loudspeaker LS *.
  • the former frequency response target has the claim of a highest achievable quality level and is based on the sound reproduction with linear frequency response at the ear canal inlet, neglecting the influence of the outer ear.
  • the switch S is in the first position "1", whereby the input signal IN initially to an individual Equalizer IEQ is performed and then passed through a high pass on the equalizer EQ1.
  • the individual equalizer IEQ is configured by measuring to the personal ear transmission function and thus represents a personal filter (realization eg by analog or digital IIR or FIR filters).
  • the filter can thus be realized differently and added to the audio signals in various ways, eg by prefiltering the signals with suitable software, or by a - as an optional extra - the headphone vorzuchazyde real-time filter bank (eg FIR filtering).
  • the prefiltered signal is then applied to the first equalizer EQ1 (Sphere Flat) and then amplified in the amplifier AMP before it is output from the output to the headphone K (s. Fig. 1 ) is delivered.
  • EQ1 Sphere Flat
  • the second frequency response target is achieved in switch position "2" and is based on a generic inversion of the headphone outer ear transmission link and makes the headset ad hoc (without further accessories or further preprocessing of the signals) for a wide audience for spatial audio playback, albeit retaining Shares of the above interindividual frequency response variations, usable.
  • the transfer function of the second equalizer EQ2 results from a generic inversion, i. from serial measurements on several persons with the headphone system in the former frequency response state.
  • the low-frequency response below the lower corner frequency of the headphone system should preferably be realized by coupling the subwoofer SWF with adjustable recording frequency and level.
  • the switch S * is activated. This eliminates the problem of poor low-bass reproduction and structure-borne noise occurring in headphone reproduction of spatial signals.
  • the third aim is to effect a diffuse field equalization. This happens in the switch position "3", ie by activating the third equalizer EQ3.
  • the fourth goal is a free-field equalization respectively. This is done by activating the fourth equalizer EQ4.
  • Both equalizers and filters can be determined from the difference of the respective sound field adaptation to the generic headphone transmission function. In this operating state, the system shown can also be operated like a conventional headphone, whereby a - for compatibility reasons - traditional secondary system is then no longer needed. In addition, you can also do without the subwoofer SWF.
  • the headphone is powered by a 2-channel AMP headphone amplifier (60 W RMS power to 4 ohm load) with four switchable active filter sets (see EQ1 to EQ4).
  • the headphones In the filter position or switch position "1", the headphones achieve a linear frequency response ranging from 50 Hz to 16 kHz at a distance of 1-10 cm on a microphone embedded flush in a reverberant ball ( ⁇ 18 cm) (hence the term “sphere flat "EQ).
  • filter position "2" a generic filter for compensation of the headphone outer ear transmission distance is realized.
  • any standard subwoofer with adjustable cut-off frequency and volume can be used to supplement the low-frequency response.
  • the lower limit frequency for operation without subwoofer must be lowered to at least 70 Hz by active filtering.
  • the necessary filter curves are determined from the difference between the generic headphone transmission function and the respective, relevant sound field adjustments.
  • filter position "1” the previously customary or generic equalization of the system on the basis of measurements is easier, since neither free nor diffuse field equalization must be reversed.
  • filter position "2” the system can be used immediately and without further signal conditioning to reproduce binaural signals.
  • a standard subwoofer SWF can be used. Its coupling is greatly facilitated by the extraaural design and leads to a significantly increased naturalness of the listening experience of eg binaural computer game soundtracks, movies, pop / rock music or classical concerts.
  • the extraaural design makes it possible to achieve optimal acoustic loading of the ear canal output, such as with in-ear headphones of portable MP3 players or with closed headphones, and with open, circumaural systems (such as the virtual reality in the widespread systems) only within limits is possible.
  • the extraaural design minimizes the intra- individual frequency response variance and completely eliminates the leakage problem.
  • the new system in subwoofer operation is broadband than open studio headphone systems on the market.
  • filter state "3" or "4" it replaces the standardized studio headphone, although many well-known systems can not even speak of an actually standardized playback curve. These characteristics are aimed at positioning the system as a reference method for users in the areas of (a) converging and expanding, according to the authors, a) conventional and b) spatial audio production and reception.
  • a miniaturized electrodynamic driver or miniature loudspeaker By creating the acoustically coupled to the electrodynamic driver cavity D within the headphone half KH (s. Fig. 1 ), the miniaturized electrodynamic driver is acoustically effective as a sufficiently large-sized driver, which in turn makes it possible to effectively compensate for the itself at extraaural construction or arrangement adjusting weaker sound pressure frequency response by filtering effectively.
  • a generic filter EQ2 is used to compensate for the headphone outer ear transmission link (switch position "2"), in addition, a subwoofer with adjustable cutoff frequency and volume is used to represent the low-frequency response that the headphone can not afford.
  • filter position "1" is by measuring the personal ear transfer function a personal filter IEQ defined and used, so that a very high quality level of sound reproduction with a linear frequency response at the ear canal entrance with simultaneous compensation of falsifying mecanicohreinfladoren can be achieved. Also in this case, it is advantageous if a subwoofer is switched on.
  • a third filter EQ3 can be used, which provides for a diffuse field equalization.
  • a filter EQ4 for free field equalization can be used.
  • the system is particularly suitable for setting an individual equalization.
  • the system In filter position "2" (generic equalization), the system is particularly suited to be used immediately and readily as a binaural playback system, for example in the field of playing computer games, soundtracks, many movies, pop or rock music or classical concerts. The so-called leakage problem is completely excluded.
  • the system in the subwoofer area is significantly broadband executable than is known from conventional Kopfllörersystemen.
  • the invention provides a substantial improvement of all previously existing applications with spatial, binaural, ie on ear-based audio playback.
  • These include, for example, binaural room acoustics simulations, 3D virtual auditory displays in general, spatial acoustics in computer games, virtual chat rooms, binaural guidance and alerting systems, binaural walkthroughs, for example, through virtual architecture, exhibitions or in multimodal media shows, playback of Kunststoffkopfäufhahmen and all conceivable future rich-media applications with binaural, spatial audio playback such as binaural teleconferencing via VoIP or binaural streaming of live concerts.
  • the presented system is conceivable as a standardized terminal. Due to its characteristics, the positioning of the system as a reference rendering method for users in the fields of conventional and spatial audio production and reception is targeted.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kopfhörer-Vorrichtung zur Wiedergabe binauraler räumlicher Audiosignale gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein damit ausgestattetes System zur Wiedergabe binauraler räumlicher Audiosignale gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs.
    Aus dem Stand der Technik sind verschiedenartige Kopfhörer-Vorrichtungen bekannt. In der Patentanmeldung US 2004/032964 A1 (s. dort Fig. 1 und 4) wird eine Kopfhörer-Vorrichtung zur Wiedergabe räumlicher Audiosignale, insbesondere zur stereophonen Wiedergabe mit Raumklang- bzw. Surround-Effekt einen Kopfbügel, aufweist, der innen als Hohlraum ausgebildet ist, welcher sich über den Kopf des Benutzers von einem Ohr zum anderen Ohr erstreckt. An den beiden Enden des Kopfbügel ist der Hohlraum jeweils ausgeweitet, um dort mehrere Lautsprecher bzw. elektrodynamische Treiber aufzunehmen, die gerichtet auf das dortige Ohr hin abstrahlen (siehe "speakers 22-25" in Fig. 1). Jede Gruppe dieser Lautsprecher bildet eine Ohrlautsprecher ("eaxspeaker 13"; siehe Abs. [0017]). Im mittleren Bereich des Kopfbügel, d.h. dort wo sich der Scheitelpunkt des Benutzerkopfes befindet, ist der Hohlraum des Kopfbügels ebenfalls aufgeweitet, um dort weitere Lautsprecher (siehe "speakers 21" in Fig. 1) aufzunehmen, die zusammen mit den anderen Lautsprechern ("speakers 22-25") für einen mehrkanaligen Raumklang bewirken (siehe Abs. [0018]). Der mittlere Hohlraumbereich kann auch noch mit einem Lüfter ("fan 20") ausgestattet werden, der für eine zentrale Entlüftung bzw. Kühlung des Benutzerkopfes sorgt (siehe Abs. [0020]).
  • Die Realisierung plausibler oder gar authentischer virtueller akustischer Umgebungen ist seit längerer Zeit Ziel technischer Entwicklung im Bereich binauraler Audiosysteme. Die wesentlichen Eigenschaften und Kenngrößen des räumlichen Hörens werden hierbei durch richtungs- und frequenzabhängige Laufzeit- und Pegeldifferenzen bestimmt, die die Schallsignale einer Quelle beim Eintreffen an beiden Ohren bzw. Trommelfellen eines Hörers aufweisen (Duplextheorie des Hörens nach Lord Rayleigh). Man spricht dabei von der interauralen Laufzeitdifferenz (Englisch: "interaural time difference" - ITD) oder der interauralen Pegeldifferenz ("interaural level difference" - ILD). Eine vollständige, frequenzabhängige Beschreibung sowohl der zeitlichen als auch der spektralen Informationen des Schallfelds stellt die sog. kopfbezogene oder Außenohrübertragungsfunktion (HRTF: "head related transfer funktion") dar. In WO 2006 / 039748 A1 werden verbesserte Außenohrübertragungsfunktionen (HRTF) offenbart. Mittels dieser Übertragungsfunktionen kann man den akustischen Eindruck sog. virtueller Schallquellen mit hoher Plausibilität erzeugen. Filtert man ein beliebiges nachhallfreies, monophones Quellsignal mit den Außenohrübertragungsfunktionen des linken und rechten Ohres, stellt sich bei der Wiedergabe, z.B. über Kopfhörer, ein Schallereignis mit mehr oder minder korrektem Richtungs- und Entfernungseindruck (auch außerhalb des Kopfes!) ein. Ein solches Verfahren bezeichnet man im Allgemeinen als Auralisation. Den gleichen Eindruck nahezu realer Schallereignisse erzeugen Tonaufuahmen, die mit Mikrofonen erzielt werden, die im Ohr plaziert werden, sog. Im-Ohr-Mikrofonon (im Englischen auch "real head recordings" genannt) oder die mit sog. Kunstkopfmikrofonen erzielt werden ("artifcial head recordings"). Dabei wird die Filterung der Signale einer akustischen Szene mit Außenohrübertragungsfunktionen durch die jeweilige individuelle Kopf- und Ohrform bestimmt bzw. durch die spezielle Formgebung der Kunstkopfmikrofone, welche natürlichen menschlichen Köpfen mit detaillierten Außenohren nachempfundenen sind. Der Einsatz von Filtern, sog. "earphone correction filters" (ECF), wird in dem Artikel "Individualized and generalized earphone correction filters for spatial sound reproduction" von William L. Martens beschrieben; der Artikel wurde in "Proceedings of the 2003 international conference on auditory display", Seiten 263-266 am 9. Juni 2003 (Boston, MA, USA) veröffentlicht. Ein kopfbezogene (sog. "binaurale" bzw. "beidohrige"), räumliche Audiowiedergabe wird heute z.B. eingesetzt bei der kommerziellen computergestützten numerischen Akustiksimulation, in Computerspielen mit "Raumklang"-Unterstützung oder in Form binauraler Aufnahmen von Soundwalks oder Soundscapes für Dokumentations- oder Analysezwecke. Auch gibt es Bestrebungen, die binaurale, räumliche Audiowiedergabe in der Telekommunikation einzusetzen, z.B. in virtuell-räumliche Telekanferenzsystemen.
  • Als Wiedergabeverfahren binauraler, räumlicher Aufnahmen oder Simulationsergebnisse kann entweder die sog. transaurale (nicht aufliegende) oder die kopfhörerbasierte (aufliegende) Technik zur Anwendung kommen. Die erstere erzielt die Übertragung der binauralen Ohrsignale durch Lautsprechersignale, die mit speziellen Verfahren so vorbehandelt wurden, dass jedes Ohr nur von den dafür vorbestimmen Schallanteilen erreicht wird (sog. dynamische Übersprechkompensation). Der Einfachheit wegen werden jedoch oft kopfhörerbasierte Wiedergabeverfahren verwendet. Untersuchungen zur klanglichen Perfektionierung der binauralen Wiedergabe sind z.B. in dem Tagungs-Vortrag "Evaluation of Equalization Methods for Binaural Signals." von Schärer, Z. und Lindau, A. beschrieben (veröffentlicht auf der Tagung "126th AES Convention" in München 7-10 Mai 2009, und dokumentiert als Drucksache Nr. 7721).
  • Demnach ist bekannt, dass die Klangfarbenverfälschung, die sowohl auf der Aufnahmeseite wie auf der Wiedergabeseite auftritt, einen wesentlichen Qualitätsmangel darstellt und möglichst eliminiert werden sollte. Auf der Aufnahmeseite ist die Klangfarbenverfälschung im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass die verwendeten Außenohrübertragungsfunktionen bzw. Kimstkopfmikrofone immer auf der Anthropometrie eines einzigen Individuums beruhen. Dadurch ergeben sich zwangsweise geometrische Abweichungen, die sich in individuell mehr oder weniger starken Frequenzgangsverzerrungen der resultierenden Ohrübertragungsfunktionen äußern. Ein vorteilhafter Lösungsvorschlag wird in der früheren, noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2010 004 171 vorgeschlagen.
  • Auf der Wiedergabeseite, mit deren Technologien sich die vorliegende Erfindung befasst, sind als wesentliche Ursachen von Klangfarbenverfälschungen die verwendeten Kopfhörer selbst zu nennen. Diese sind üblicherweise herstellerseitig mit bestimmten Frequenzgängen versehen ("Frei-" oder "Diffusfeldentzerrung"), welche dazu dienen, eine bessere klangfarbliche Vergleichbarkeit der Kopfhörerwiedergabe mit der von normalen stereophonen Lautsprechersignalen zu erreichen. Die Eignung konventioneller Kopfhörer zur binauralen Wiedergabe ist sehr beschränkt, da eine klanglich umverfärbte Reproduktion der kopfbezogenen Aufnahmen am Trommelfell bzw. am Ohrkanaleingang (offener oder geschlossener Ohkanal) erreicht werden muss; also ein Kriterium, das aufgrund der vorgeschriebenen Schallfeldanpassungen übliche Kopfhörer nicht erfüllen. In diesem Zusammenhang sind insbesondere folgende Probleme bekannt: Die Frequenzgänge verschiedener Kopfhörer, sei es zwischen Produkten verschiedener Hersteller oder zwischen verschiedenen Modeltypen eines Herstellers, können signifikant voneinander unterscheiden. Auch besteht eine intra-individuelle Varianz der Kopfhörer-Frequenzgänge (Frequenzgangsvariation beim wiederholten Aufsetzen) und eine interindividuelle Frequenzgangsvariation. Die herkömmlichen Systeme zeigen, in Abhängigkeit vom Prinzip der akustischen Ankopplung an das Ohr, eine mehr oder weniger starke Variabilität bzgl. des wiederholten Auf- und Absetzens. Die schlechtesten Eigenschaften zeigen dabei die suprauauralen (ohraufliegenden) Systeme, wenig besser verhalten sich circumaurale (ohrumschließende) Systeme, am Besten verhält sich ein 'extraaurales' Modell mit "frei vor dem Ohr schwebenden" Lautsprechern. Ein weiteres Problem der nicht-extraauralen Systeme ist das sog. leakage, bzw. der Leck-Betrieb. Dabei wirken sich kleine, bewegungs- oder aufsetzpositionsbedingte Undichtigkeiten an der Körperschlussstelle Polster-Ohr, bzw. Polster-Kopf in Form stark veränderter Tiefbassfrequenzgänge aus. Unter dem Begriff 'extraaural' wird die nahe Ohrbeschallung mit einem maximalen Ohr-Quellen-Abstand von etwa 0,5m verstanden bzw. auch jede "transaurale" Wiedergabe, die mit einem solchen Ohr-Quellen-Abstand durchgeführt wird.
  • Aufgrund der genannten Einschränkungen wird die geforderte Frequenzgangslinearisierung bei den verfügbaren konventionellen Systemen bisher meist durch nachträgliches individuelles oder generisches Einmessen erreicht. Dazu werden Kompensationsfilter auf Basis empirischer Kopfhörer-Ohr-Übertragungsfunktion erstellt. Als ein allgemeiner Mangel der Kopfhörerwiedergabe ist zudem die unplausible Wiedergabe sehr tiefer Frequenzen (< 100 Hz) bekannt. Trotz nominell identischer Frequenzgänge zeigt sich beim direkten Vergleich mit Lautsprechersystemen ein fühlbarer Unterschied bei der Reproduktion sehr tieffrequenter Signale, der auf eine mangelhafte Körperschallanregung bei der Wiedergabe mit Kopfhörern zurückführbar ist. Die genannten Mängel der herkömmlichen Systeme führen zu mehr oder minder starken, positions- und individuell bedingten Frequenzgangsverzerrungen. Diese äußern sich besonders in einer Verfälschung der Klangfarbe, damit einhergehender verringerter Natürlichkeit und Lokalisationsfehlem v.a. in der Medianebene, z.B. in Form einer Verschlechterung der Vorne-Hinten-Diskrimination von Klangquellen. Im Stand der Technik finden sich lediglich mehrkanalige Kopfhörersysteme zur näherungsweisen Darstellung von Surroundsignalen oder Systemen mit inhärenter Ratunklangemulation. Wünschenswert sind neue Lösungen mit dem Ziel einer Verbesserung der bestehenden Kopthörertechnik unter dem expliziten Aspekt der optimalen Wiedergabe räumlicher, binauraler Signale.
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kopfhörer-Vorrichtung und ein damit ausgestattetes System vorzuschlagen, welche die oben genannten Nachteile überwinden. Insbesondere sollen die Kopfhörer-Vorrichtung und das System für die einfache und naturgetreue Wiedergabe räumlicher, kopfbezogener Audiosignale geeignet sein, ohne dass die oben genannten Einschränkungen konventioneller Kopfhörersysteme in Kauf genommen werden müssen.
    Gelöst wird die Aufgabe durch eine Kopfhörer-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein damit ausgestattetes System zur Wiedergabe binauraler räumlicher Audiosignale mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs.
    Demnach wird eine Kopfhörer-Vorrichtung mit einem Kopfbügel vorgeschlagen, der zwei Kopfbügelhälften aufweist, an deren Enden jeweils ein elektrodynamischer Treiber innerhalb eines akustisch bedämpften, geschlossenen Gehäuses angeordnet ist, wobei die jeweilige Kopfbügelhälfte einen Hohlraum aufweist, der akustisch mit dem bedämpften Gehäuse verbunden ist und für den elektrodynamischen Treiber akustisch wirksam ist. Dabei ist der jeweilige Hohlraum über ein verstellbares Verbindungselement mit dem bedämpften Gehäuse verbunden, in dem sich der elektrodynamische Treiber (elektroakustischer Wandler) befindet. Und das verstellbare Verbindungselement ist als ein hohlförmiges Winkelstück ausgebildet, das drehbeweglich an dem Ende der Kopfbügelhälfte montiert ist.
    Dadurch wird erreicht, dass in dem Kopfbügel des Kopfhörers selbst akustisch wirksame Hohlräume vorgesehen sind, die mit den beiden elektrodynamischen Treibern (z.B. Miniaturlautsprechern) räumlich verbunden sind und durch korrekte Abstimmung eine dem Treiber angepasste akustische Bedämpfung ermöglichen. Dadurch kann ein extraaurales Kopfhörersystem realisiert werden, bei dem insbesondere die folgenden zwei Optimierungsmaßnahmen erzielt werden, die im Widerspruch zueinander stehen und daher nicht zusammen erreichbar erscheinen:
    1. a) Eine Miniaturisierung der elektrodynamischen Treiber, um die frequenzabhängige Bündelung und das Aufbrechen in Partialschwingungen in möglichst hohe Frequenzbereich zu verschieben und um gleichzeitig den Schallfeldwiderstand aus Sicht des Ohrkanals zu reduzieren;
    2. b) Eine möglichst große Dimensionierung von elektrodynamischem Treiber und akustisch wirksamem Gehäuse, um den bei extraauraler Bauweise bzw. Anordnung sich einstellenden schwächeren Tieffrequenzschalldruckfrequenzgang mittels Filterung ausgleichbar zu machen.
  • Eine gemeinsame Realisierung beider Maßnahmen a) und b) stellt an sich einen Widerspruch dar, denn die elektrodynamischen Treiber (Kopfhörer-Lautsprecher) können nicht klein und gleichzeitig groß dimensioniert werden. Gemäß der Erfindung wird jedoch ein miniaturisierter Treiber eingesetzt, dessen Funktion durch die Ausbildung von Hohlräumen im Kopfhörerbügel aufgewertet wird, so dass sich alle Vorteile der beiden Maßnahmen a) und b) ergeben und ausgenutzt werden können. Es hat sich gezeigt, dass durch das Vorsehen von Hohlräumen im Kopfbügel bzw. in dessen Bügelhälften relativ große Volumen von z.B. jeweils 200 ml realisiert werden können, so dass eine deutliche akustische Wirkung im Sinne der Maßnahme b) erreicht werden kann.
  • Der jeweilige Hohlraum wird bevorzugt mit passenden akustischen Dämpfungselementen ausgestattet. Der Kopfbügel oder zumindest die beiden Kopfbügelhälfte sind vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt, wobei jeder Hohlraum möglichst kantenlos ausgestaltet ist. Es kann vorgesehen sein, dass jeder der elektrodynamischen Treiber über ein Kabel mit einem ein elektrisches Audiosignal liefernden Verstärker verbindbar ist, wobei das Kabel durch den Hohlraum der jeweiligen Kopfbügelhälfte geführt ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Kabel am Scheitelpunkt des Kopfhörers aus den oberen Enden der Kopfhörerhälften herausgeführt sind. Zur Fixierung des Kopfhörers an einem menschlichen Kopf weist jede Kopfbügelhälfte vorzugsweise mindestens einen mechanisch dämpfenden Abstandshalter auf, der den Kopfbügel auf Abstand zum Kopf hält.
  • Das erfindungsgemäße System zur Wiedergabe binauraler räumlicher Audiosignale ist mit mindestens einem Verstärker zur Ausgabe mindestens eines elektrischen Audiosignals für jeden binauralen Audiokanal versehen und mit der Kopfhörer-Vorrichtung verbindbar. Vorzugsweise weist das System eine Signalverarbeitungseinheit auf, die je einem Verstärker vorgeschaltet ist, um das elektrische Audio-Ausgangssignal aus einem Audio-Eingangssignal zu erzeugen, wobei die Signalverarbeitungseinheit mindestens zwei wahlweise aktivierbare Filterstufen aufweist. Insbesondere können die wahlweise aktivierbaren Filterstufen zumindest zwei der folgenden Filter umfassen:
    • ein erstes Filter, das gemäß der Inversion einer individuellen Kopfhörer-AußenohrÜbertragungsfunktion ausgelegt ist,
    • ein zweites Filter, das gemäß einer Inversion einer generischen Kopfhörer-AußenohrÜbertragungsfunktion ausgelegt ist,
    • ein drittes Filter, das für eine Diffusfeldentzerrung ausgelegt ist, und/oder ein viertes Filter, das für eine Freifeldentzerrung ausgelegt ist.
  • Das System kann auch eine zuschaltbare Subwoofer-Vorrichtung aufweisen.
  • Diese und weitere Vorteile ergeben sich auch aus den Unteransprüchen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, die folgende schematische Darstellungen wiedergeben:
    • Fig. 1
    zeigt eine erfindungsgemäße Kopfhörer-Vorrichtung;
    Fig. 2
    zeigt ein erfindungsgemäßes System zum Anschluss der Kopfhörer-Vorrichtung nach Fig. 1.
  • In der Fig. 1 sind beide Kopfhörerhälften KH und KH' einer asymmetrisch zur Spiegelachse aufgebauten Kopfhörer-Vorrichtung K dargestellt. Der mechanische Aufbau der Kopfhörer-Vorrichtung, im weiteren auch kurz Kopfhörer genannt, besteht also aus zwei spiegelbildlichen Hälften. Wie anhand der Fig. 1 zu sehen ist, weist eine jede Kopfbügelhälfte KH einen Hohlraum D auf, der akustisch wirksam verbunden ist mit dem jeweils am Bügelende angebrachten elektrodynamischen Treiber, der hier in Form eines Miniaturlautsprechers L als sog. 2-Zoll-Konustreiber realisiert ist. Der Miniaturlautsprecher L befindet sich in einem bedämpften Gehäuse A, das im oberen Bereich ein hohles Winkelstück B aufweist, welches als akustisches und mechanisches Verbindungselement dient und drehbeweglich über ein Gelenk C mit dem unteren Ende des Hohlraumes D verbunden ist. Durch Anbringen von Rastungen am Gelenk C ist eine stufenweise Veränderung der horizontalen Winkeleinstellung des Minaturlautsprechers bzw. des Gehäuses A möglich, z.B. in 3 Stufen von -25°, 0°, 25°. Der Aufbau erfolgt durch Steckmontage am Kopfbügel.
  • Der mit dem Gehäuse A verbundene Hohlraum D bildet einen deutlich vergrößerten Resonanzraum, und damit ein deutlich vergrößertes akustisches Federvolumen für den jeweiligen Miniaturlautsprecher L aus. Im vorliegenden Beispiel wird ein Gesamtvolumen von etwa 200 ml realisiert. Das akustisch wirksame Kopfbügelvolumen endet kurz vor dem Scheitelpunkt des Bügels und wird dort zu einem massiven Steg. Das Gehäuse A ist zudem ohne scharfe, akustisch reflektierend wirkende Kanten ausgeführt, wodurch eine diffuse Streuung von zurück geworfenen Schallanteilen und damit eine weitere Verringerung des vom Ohrkanal aus sichtbaren Schallfeldwiderstands erreicht wird. Der Kopfhörerbügel ist aus einem thermoplastischen Material gefertigt. Hierzu können übliche thermoplastische Kunststoffe verwendet werden, wie z.B. Polypropylen, AcrylnitrilButadien-Styrol oder Polyamid.
  • Die Formgebung ist so gestaltet, dass der jeweilige Hohlraum D im Innern keine Kanten oder Ecken aufweist. Außerdem ist der Hohlraum D im Innern akustisch gedämpft, indem dort Dämpfungselemente DE angeordnet sind. Zur Fixierung an einem menschlichen Kopf (nicht dargestellt) sind mehrere elastische Abstandshalter G vorgesehen, die für eine Verringerung der mechanischen Belastung des Kopfes sorgen sollen. Die Länge des Abstandshalters B kann durch geeignete Messungen nach an sich bekannten Verfahren unter der Prämisse der Minimierung des Schallfeldwiderstands dimensioniert werden und beträgt etwa 1 bis 10 cm.
  • Die Kabelführung des Kabels E erfolgt durch den Hohlraum D und durch die verbundenen hohlen Bauteile B und A hindurch bis zum Miniaturlautsprecher L. Das Austrittsloch des Kabels E und befindet sich zentral am oberen Kopfende bzw. mittig im Scheitel des Kopfbügels. Dort kann eine Durchgangsbohrung vorgesehen sein, die auch zur Befestigung von Kopfbewegungs-Sensoren (Headtracking-Sensoren) oder zur festen Verbindung mit HMDs (Head-Mounted Displays) dient. Soweit also räumliche Audiowiedergabe im Zusammenhang mit multimodalen, z.B. audiovisuellen virtual reality Systemen Verwendung findet, wird hier auch bei der konstruktiven Ausgestaltung bzw. dem Design (z.B. der Kopfbügel) auf leichte Kombinierbarkeit mit handelsüblichen HMDs und Sensorik (head tracking) zur Positionsverfolgung des Benutzers Wert gelegt.
  • Der in der Fig. 1 dargestellte Kopfhörer K erfüllt die Anforderungen eines extraauralen Kopfhörersystems, welches aufgrund der frei vor dem Ohr angebrachten elektrodynamischen Treibem (hier die Lautsprecherkapseln L und L') die eingangs genannten Probleme vorteilhaft löst. Die Bestückung mit passenden elektrodynamischen Treibern ist von besonderer Bedeutung. Hierfür besteht einerseits die Zielsetzung, dass die Dimensionierung sehr klein sein muss, um frequenzabhängige Bündelung und das Aufbrechen in Partialschwingung in möglichst hochfrequente Bereiche zu verschieben und gleichzeitig den Schallfeldwiderstand aus Sicht des Ohrkanals zu reduzieren. Andererseits besteht die Zielsetzung, dass die Dimensionierung der elektrodynamischer Treiber möglichst groß sein sollte, um den bei extraauraler Bauweise schwächeren tieffrequenten Schalldruckfrequenzgang (bei trotzdem ausreichenden, unverzerrten Schalldruckpegel auch bei größeren Ohrabständen) mit Filterung ausgleichbar zu machen. Beide zueinander widersprüchlichen Zielsetzungen können dennoch aufgrund der hier vorgeschlagenen Bauweise erreicht werden.
  • Mit Hilfe einer anhand der Fig. 2 noch näher beschriebenen aktiven elektrischen Entzerrung kann eine akustische Signalbandbreite von 50 Hz - 16 kHz erzielt werden und kann damit - bis auf den sehr tieffrequenten Bereich (ca. 20 - 50 Hz) - der volle Hörbereich frequenzgangslinear am Ohr erzeugt werden. Somit wird hier die bei frei aufgehängten Kopfhörerkapseln üblicherweise reduzierte Tiefbasswiedergabe überwunden.
  • Das in der Fig. 2 dargestellte System erzeugt für den zuvor beschriebenen Kopfhörer- ein Audio-Ausgangssignal OUT, so dass mehrere nachfolgend noch genauer beschriebene Frequenzgangziele erreicht werden. In der Fig. 2 ist zur Vereinfachung die Schaltung für nur einen Audio-Kanal dargestellt.
  • Das System enthält eine Signalverarbeitungseinheit SV, die mit einem Audio-Eingangssignal IN gespeist wird und mehrere aktivierbare Entzerrer EQ1 bis EQ4 aufweist, denen ein Verstärker AMP nachgeschaltet ist, der schließlich das gewünschte Audio-Ausgangssignal an den Kopfhörer abgibt. Zusätzlich enthält das System noch einen zuschaltbaren Subwoofer SWF, der zur optionalen Erzeugung tieffrequenter Signale mit einem Tiefpass TP, einem Verstärker AMP* und einem Lautsprecher LS* ausgestattet ist.
  • Die Aktivierung der Entzerrer und des Subwoofers erfolgt über entsprechende Schalter S und S* bzw. Schaltungen, die auch Software realisiert sein können. In dem hier dargestellten Beispiel werden die folgenden vier Aktivierungsoptionen realisiert, die jeweils einem bestimmten Frequenzgangziel dienen:
  • Das erstere Frequenzgangziel hat den Anspruch einer höchsten erreichbaren Qualitätsstufe und basiert auf der Schallwiedergabe mit linearem Frequenzgang am Ohrkanaleingang unter Vernachlässigung von Außenohreinflüssen. Hierzu befindet sich der Schalter S in der ersten Position "1", wodurch das Eingangssignal IN zunächst auf einen individuellen Entzerrer IEQ geführt wird und dann über einen Hochpass auf den Entzerren EQ1 geführt wird. Der individuelle Entzerrer IEQ ist durch ein Einmessen auf die persönliche Ohrübertragungsfunktion konfiguriert und stellt somit ein persönliches Filter (Realisierung z.B. durch analoge oder digitale IIR- oder FIR-Filter) dar. Das Filter kann also verschieden realisiert und den Audiosignalen auf verschiedene Weise hinzugefügt werden, z.B. durch Vorfilterung der Signale mit geeigneter Software, oder durch eine - als Zusatzausstattung - dem Kopfhörer vorzuschaltende Echtzeitfilterbank (z.B. FIR-Filterung). Das vorgefilterte Signal wird dann dem ersten Equalizer EQ1 (Sphere Flat) zugeführt und anschließend im Verstärker AMP verstärkt bevor es aus Ausgangssignal OUT an den Kopfhörer K (s. Fig. 1) abgegeben wird.
  • Das zweite Frequenzgangsziel wird in der Schalterposition "2" erreicht und basiert auf einer generischen Inversion der Kopfhörer-Außenohrübertragungstrecke und macht den Kopfhörer ad hoc (ohne weiteres Zubehör oder weitere Vorverarbeitung der Signale) für ein breites Publikum zur räumlichen Audiowiedergabe, wenn auch unter Beibehaltung von Anteilen der o. g. interindividuellen Frequenzgangsvariationen, nutzbar. Somit ergibt sich die Übertragungsfunktion des zweiten Entzerrers EQ2 aus einer generischen Inversion, d.h. aus Reihenmessungen an mehreren Personen mit dem Kopfhörer-System im ersteren Frequenzgangzustand.
  • In diesen beiden Betriebszuständen (Schalterpositionen "1" und "2") sollte vorzugsweise der Tieftonfrequenzgang unterhalb der unteren Eckfrequenz des Kopfhörersystems (< 90 Hz) durch Einkopplung des Subwoofers SWF mit regelbarer Übemahmefrequenz und Pegel realisiert werden. Dazu wird der Schalter S* aktiviert. Auf diese Weise wird das Problem der bei Kopfhörerwiedergabe räumlicher Signale an sich auftretenden mangelhaften Tiefbasswiedergabe und Körperschallanregumg eliminiert.
  • Als weitere vorteilhafte Entzerrungsziele sind folgende zu nennen: Als drittes Ziel soll eine Diffusfeld-Entzerrung durchgerührt werden. Dies geschieht in der Schalterposition "3", also durch Aktivieren des dritten Entzerrers EQ3. Als viertes Ziel soll eine FreifeldEntzerrung erfolgen. Dies geschieht unter Aktivieren des vierten Entzerresq EQ4. Beide Entzerrer bzw. Filter lassen sich aus der Differenz der jeweiligen Schallfeldanpassung zur generischen Kopfhörerübertragungsfunktion bestimmen. In diesem Betriebszustand kann das dargestellte System auch wie ein herkömmlicher Kopfhörer betrieben werden, wodurch ein - aus Kompatibilitätsgründen - althergebrachtes Zweitsystem dann nicht mehr benötigt wird. Außerdem kann auch auf den Subwoofer SWF verzichtet werden.
  • Zum elektrischer Aufbau des in der Fig. 2 gezeigten System ist Außerdem Folgendes zu sagen: In dem dargestellten Beispiel wird zum Betrieb des Kopfhörers ein 2-kanaliger Kopfhörerverstärker AMP (60 W RMS-Leistung an 4 Ohm Last) mit vier schaltbaren aktiven Filtersets (s. EQ1 bis EQ4) eingesetzt. In Filterstellung bzw. Schalterposition "1" erzielt der Kopfhörer in einem Abstand von 1-10 cm an einem bündig in einer schallharten Kugel (ø 18 cm) eingelassenen Mikrofon einen von 50 Hz - 16 kHz reichenden, linearen Frequenzgang (daher die Bezeichnung "sphere flat"-EQ). In Filterstellung "2" wird ein generisches Filter zur Kompensation der Kopfhörer-Außenohrübertragungsstrecke realisiert. Aufgrund der tieffrequenten Auskopplung des Kopfhörers mit einer verbreiteten und gutmütigen Hochpassfilterung von 24dB/Oktave Flankensteilheit bei 90 Hz kann in diesem Fall nahezu jeder handelsübliche Subwoofer mit regelbarer Grenzfrequenz und Lautstärke zur Ergänzung des tieffrequenten Frequenzgangs eingesetzt werden. In den Filterstellungen "3" und "4" ist es möglich, den Kopfhörer als herkömmliches System zur Wiedergabe von lautsprechstereofonen Signalen zu betreiben (dazu Filter III = Diffusfeldentzerrung, Filter IV = Freifeldentzerrung). Dabei ist die untere Grenzfrequenz zum Betrieb ohne Subwoofer durch aktive Filterung auf mindestens 70 Hz abzusenken.
    Die notwendigen Filterkurven werden aus der Differenz der generischen Kopfhörerübertragungsfunktion und den jeweiligen, einschlägig tabellierten Schallfeldanpassungen bestimmt.
    Nachfolgend werden nach Art einer systematischen Übersicht der wesentlichsten Einflüsse, die bei der Wiedergabe räumlicher, binauraler, Signale mit Kopfhörern zu Klangfarbenverfälschungen führen, und den Beitrag, den das hier vorgestellte System zu deren Verbesserung liefert, zusammenfassend beschrieben. Insbesondere werden hier die wesentlichen Vorteile bzw. Alleinstellungsmerkmale des Systems noch einmal überblicksartig zusmmnengefasst:
    In Filterstellung "1" fällt die bisher übliche individuelle oder generische Entzerrung des Systems auf Basis von Einmessungen leichter, da weder Frei- noch Diffusfeldentzerrungen rückgängig gemacht werden muss. Zudem ist die wahre individuelle Ohrübertragungsfunktion mit einem nach Filter EQ1 entzerrten System zum ersten Mal ohne Konfundierung mit Kopfhörereigenschaften bestimmbar. In Filterstellung "2" ist das System sofort und ohne weitere Signalkonditionierung zur Wiedergabe binauraler Signale einsetzbar. Zum Erreichen der vollen Audiobandbreite kann ein handelsüblicher Subwoofer SWF eingesetzt werden. Dessen Ankopplung wird durch das extraaurale Design stark erleichtert und führt zu einer wesentlich erhöhten Natürlichkeit des Hörerlebnisses von z.B. binauraler Computerspielsoundtracks, Kinofilmen, Pop/Rockmusik oder klassischen Konzerten. Das extraaurale Design ermöglicht das Erzielen einer optimalen akustischen Belastung des Ohrkanalausgangs, wie es z.B. mit in-ear Kopfhörern transportabler MP3-Player oder mit geschlossenen Kopfhörern gar nicht, und mit offenen, circumauralen Systemen (wie z.B. den im virtual reality Bereich weit verbreiteten Systemen) nur in Grenzen möglich ist. Zudem führt das extraaurale Design zu einer Minimierung der intraindividuellen Frequenzgangsvarianz und schließt die leakage-Problematik gänzlich aus. Dabei ist das neue System im Subwooferbetrieb breitbandiger als auf dem Markt befindliche offene Studiokopfhörersysteme. Im Filterzustand "3" bzw. "4" ersetzt es den standardisierten Studiokopfhörer, wobei bei vielen bekannten Systemen bei von einer tatsächlich standardisierten Wiedergabekurve bisher gar nicht die Rede sein kann. Mit diesen Eigenschaften wird auf die Positionierung des Systems als Referenzverfahren für Nutzer in den - nach Einschätzung der Autoren zunehmend konvergierenden und expandierenden - Bereichen a) herkömmlicher und b) räumlicher Audioproduktion und -rezeption abgezielt.
  • Was das Problem der inter-individuellen Varianz von Kopfhöreraußenohrübertragungsfunktionen (d.h. der Varianz zw. verschiedenen Personen) angeht, so kommt es üblicherweise zu einer Verfärbung bei Kompensation mit einer generischen, d.h. einer aus der Mittelung mehrerer individueller Messungen erstellten Kopfhöreraußenohrübertragungsfunktion. Aufgrund der als "sphere flat" bezeichneten Grundentzerrung erlaubt das hier vorgestellte System erstmals eine vom kopfhörereigenen Frequenzgang unabhängige Untersuchung bzw. Erhebung individueller Kopfhöreraußenohrübertragungsfunktionen. Es konnten folgende Abweichungen zum generischen Wert (d.h. zum Mittelwert) festgestellt werden: 50-200 Hz ±3dB aufgrund der leakage-Problematik, von 200 Hz bis 2 kHz geringe Unterschiede, von 2 bis 6 kHz Unterschiede bis ±3db ipsilateral bzw. ±6B contralateral. Oberhalb 6kHz werden die Abweichungen zunehmend größer. Die wesentlichen Vorteile einer generischen Inversion liegen in der Halbierung der maximalen interindividuellen Fehlerausprägungen sowie in der hörerübergreifenden Annäherung an ein gewünschtes Frequenzgangsziel.
    Was das Problem der intra-individuellen Varianz von KopfhöreraußenohrÜbertragungsfunktionen (d.h. der Varianz der Übertragungsfunktion für eine einzelne Person, z.B. durch wiederholtes Aufsetzen) angeht, so kommt es normalerweise zur Verfärbung bei Kompensation mit nicht-individuellen Kopfhöreraußenohrübertragungsfunktionen. Die intra-individuelle Frequenzgangsvarianz von Kopfhörern führt zur Verfärbung bei Kompensation mit hochgenauen individuellen, jedoch positionsspezifischen Kompensationsfiltern. Eine Bestimmung und Kompensation der generischen Nahfeldaußenohrübeitragungsfunktion ist mit dem beschriebenen System erstmals möglich. Es konnten folgende Ausprägungen intraindividueller Varianz festgestellt bzw. erstmals abgeschätzt werden: 50-200 Hz ±3db ("leakage"-Problematik), 200-3 kHz überwiegend geringer als ±1db, 3 bis 6 kHz (vor erster Außenohrantiresonanz) ±3dB, oberhalb 6 kHz individuell sehr verschieden, maximal +10dB bis -25dB ("notch"-Problematik bei einzelnen Personen jedoch auch nur ±3db. Das System schafft hier zudem eine deutliche Reduzierung der Varianz durch sein extraaurales Design
  • Bezüglich der Frequenzgangziele "standardisiert frei- bzw. diffusfeldentzerrter Kopfhörer" ist zu sagen, dass herstellerbedingte Unterschiede von biszu ±20dB festgestellt werden konnten. Bezogen auf eine generische Kopfhöreraußenohrübertragungsfunktion kann das System eine vollständige Eliminierung von Klangverfärbungen, d.h. eine über eine Gruppe von Personen im Mittel fehlerfreie frei- oder diffusfeldentzerrte Wiedergabe erreichen. Die auftretende Frequenzgangsvarianz "standardisierter Kopfhörer" über Hersteller und über Modelle kann also durch das erfindungsgemäße Systeme vollständig eliminiert werden.
  • Zur "Beschränkten Tiefbasswiedergabe" ist zu sagen, dass bei herkömmlichen Systemen im Vergleich mit der Realität der Eindruck eines mangelhaften Tiefbasses entsteht. Dies wird hier durch optionalen Einsatz eines Subwoofer gelöst.
  • Mit der hier vorgeschlagenen Konstruktion einer Kopfhörer-Vorrichtung (Fig. 1) und eines Systems (Fig. 2) zur Wiedergabe binauraler räumlicher Audiosignale ist es möglich, einen miniaturisierten elektrodynamischen Treiber bzw. Miniaturlautsprecher einzusetzen, so dass der Schallfeldwiderstand vor dem Ohrkanal möglichst reduziert ist und frequenzabhängige Bündelungen und das Aufbrechen in Partialschwingungen in möglichst hohe Frequenzbereiche verschoben werden. Durch die Schaffung des akustisch an den elektrodynamischen Treiber angekoppelten Hohlraumes D innerhalb der Kopfhörerbügelhälfte KH (s. Fig. 1) stellt sich der miniaturisierte elektrodynamische Treiber akustisch wirksam als ein hinreichend groß dimensionerter Treiber dar, was es wiederum ermöglicht, den an sich bei extraauraler Bauweise bzw. Anordnung sich einstellenden schwächeren Schalldruckfrequenzgang nun mittels Filterung effektiv ausgleichen zu können. Durch den Einsatz entsprechender Filter und durch wahlweises Einschalten verschiedener Filterstufen (s. Fig. 2) ist ein Optimierungssystem für den jeweils vorgesehenen Anwendungsbereich erzielbar. Insbesondere wird ein generisches Filter EQ2 zur Kompensation der Kopfhöreraußenohrübertragungsstrecke eingesetzt (Schalterstellung "2"), wobei zusätzlich ein Subwoofer mit regelbarer Grenzfrequenz und Lautstärke zum Einsatz kommt, um den tieffrequenten Frequenzgang darzustellen, den der Kopfhörer an sich nicht leisten kann. In einer anderen Variante (Filterstellung "1") wird durch Einmessen auf die persönliche Ohrübertragungsfunktion ein persönliches Filter IEQ definiert und eingesetzt, so dass eine sehr hohe Qualitätsstufe der Schallwiedergabe mit linearen Frequenzgang am Ohrkanaleingang unter gleichzeitiger Kompensation verfälschender Außenohreinflüssen erzielt werden kann. Auch in diesem Falle ist es von Vorteil, wenn ein Subwoofer zugeschaltet wird.
  • Wahlweise kann auch ein drittes Filter EQ3 zum Einsatz kommen, welches für eine Diffusfeldentzerrung sorgt. Alternativ kann auch ein Filter EQ4 zur Freifeldentzerrung eingesetzt werden. Durch Absenkung der unteren Eckfrequenz auf beispielsweise 70 Hertz, welches durch weitere aktive Filterung möglich ist, kann auf den Einsatz auf den Subwoofer hier verzichtet werden.
  • In der Filterstellung "1" ("sphere flat"- Entzerrung) ist das System insbesondere dazu geeignet, eine individuelle Entzerrung einzustellen.
  • In Filterstellung "2" (generische Entzerrung) ist das System insbesondere dazu geeignet, sofort und ohne weiteres als binauraler Wiedergabesystem eingesetzt zu werden, beispielsweise im Bereich der Widergabe von Computerspielen, Soundtracks, vielen Kinofilmen, Pop- oder Rockmusik oder klassischen Konzerten. Dabei wird die sogenannte Leakage-Problematik gänzlich ausgeschlossen. Zudem ist das System im Subwoofer-Bereich deutlich breitbandiger ausführbar als dies von üblichen Kopfllörersystemen bekannt ist.
  • In der Filterstellung "3" bzw. "4" kann eine der Wiedergabe mit herkömmlichen Studiokopfhörer ähnliche Schallreproduktion realisiert werden.
  • Die Erfindung schafft eine wesentliche Verbesserung aller bisher existierenden Anwendungen mit räumlicher, binauraler, d. h. auf Ohrsignalen beruhender Audiowiedergabe. Dazu zählen z.B. binaurale Raumakustiksimulationen, 3D Virtual Auditory Displays im Allgemeinen, räumliche Akustik in Computerspielen, virtuelle Chaträume, binaurale Guidance & Alerting Systeme, binaurale walkthroughs z.B. durch virtuelle Architektur, Ausstellungen oder in multimodalen Mediashows, Wiedergabe von Kunstkopfäufhahmen sowie alle zukünftig denkbaren rich-media Anwendungen mit binauraler, räumlicher Audiowiedergabe wie z.B. binaurales Teleconferencing via VoIP oder binaurales Streaming von Livekonzerten. Für alle diese Anwendungen ist das vorgestellte System als standardisiertes Endgerät denkbar. Aufgrund seiner Eigenschaften wird auf die Positionierung des Systems als Referenzwiedergabeverfahren für Nutzer in den Bereichen herkömmliche und räumliche Audioproduktion und -rezeption abgezielt.

Claims (13)

  1. Kopfhörer-Vorrichtung (K) zur Wiedergabe binauraler räumlicher Audiosignale mit einem Kopfbügel, der zwei Kopfbügelhälften (KH, KH') aufweist, an deren Enden jeweils ein elektrodynamischer Treiber (L, L') innerhalb eines akustisch bedämpften Gehäuses (A, A') angeordnet ist, wobei die jeweilige Kopfbügelhälfte (KH) einen Hohlraum (D) aufweist, der akustisch mit dem bedämpften Gehäuse (A) verbunden ist und für den elektrodynamischen Treiber (L) akustisch wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (D) über ein verstellbares Verbindungselement (B) mit dem bedämpften Gehäuse (A) verbunden ist, und dass das verstellbare Verbindungselement als ein hohlförmiges Winkelstück (B) ausgebildet ist, das drehbeweglich an dem Ende der Kopfbügelhälfte (KH) montiert ist.
  2. Kopfhörer-Vorrichtung (K) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (D) mit akustischen Dämpfungselementen (DE) ausgestattet ist.
  3. Kopfhörer-Vorrichtung (K) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kopfbügelhälfte (KH) aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt ist.
  4. Kopfhörer-Vorrichtung (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (A) kantenlos ausgebildet ist.
  5. Kopfhörer-Vorrichtung (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der elektrodynamischen Treiber (L) über ein Kabel (E) mit einem ein elektrisches Audio-Ausgangssignal (OUT) liefernden Verstärker (AMP) verbindbar ist, wobei das Kabel (E) durch den Hohlraum (D) der jeweiligen Kopfbügelhälfte (KH) geführt ist.
  6. Kopfhörer-Vorrichtung (K) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabel (E) am Scheitelpunkt des Kopfhörers aus den oberen Enden der Kopfhörerhälften (KH) herausgeführt sind.
  7. Kopfhörer-Vorrichtung (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung des Kopfhörers (K) an einem menschlichen Kopf jede Kopfbügelhälfte (KH) mindestens einen mechanisch dämpfenden Abstandshalter (G) aufweist, der den Kopfbügel auf Abstand zum Kopf hält.
  8. System zur Wiedergabe binauraler räumlicher Audiosignale mit mindestens einem Verstärker (AMP) zur Ausgabe mindestens eines elektrischen Audio-Ausgangssignals (OUT) für jeden Stereokanal und mit einer daran angeschlossenen Kopfhörer-Vorrichtung (K) gemäß einem der Ansprüche 1-7.
  9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder elektrodynamische Treiber (L) über ein Kabel (E) mit dem das elektrische Audio-Ausgangssignal (OUT) liefernden Verstärker (AMP) verbindbar ist, wobei das Kabel (E) durch den Hohlraum (D) der jeweiligen Kopfbügelhälfte (KH) geführt ist.
  10. System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Signalverarbeitungseinheit (SV) aufweist, die dem mindestens einen Verstärker (AMP) vorgeschaltet ist, um das elektrische Audio-Ausgangssignal (OUT) aus einem Audio-Eingangssignal (IN) zu erzeugen, wobei die Signalverarbeitungseinheit (SV) mindestens zwei wahlweise aktivierbare Filterstufen (EQ1...EQ4) aufweist.
  11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wahlweise aktivierbaren Filterstufen zumindest zwei der folgenden Filter umfassen:
    ein erstes Filter (EQ1), das gemäß der Inversion einer individuellen Kopfhöreraußenohrübertragungsfunktion ausgelegt ist,
    ein zweites Filter (EQ2), das gemäß der Inversion einer generischen Kopfhöreraußenohrübertragungsstrecke ausgelegt ist,
    ein drittes Filter (EQ3), das für eine Diffusfeldentzerrung ausgelegt ist, und/oder ein viertes Filter (EQ4), das für eine Freifeldentzerrung ausgelegt ist.
  12. System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine zuschaltbare Subwoofer-Vorrichtung (SWF) aufweist.
  13. System nach einem der Ansprüche 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zuschaltbare Subwoofer-Vorrichtung (SWF) mit einer Pegelregelung und/oder eines, insbesondere im Bereich von 50-200Hz, regelbaren Tiefpassfilters zur Einstellung der Übernahmefrequenz zum Kopfhörersystem ausgestattet ist.
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