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Klang im Raum - Die Entwicklung
Wellenfeldsynthese
Sonstige Verfahren
Klang im Raum – Wellenfeldsynthese Ton Seminar Anita Studen, Hanna Schraffenberger
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Start
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Ziel!
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MonoBeispiel : zu Hause
1924
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TürSofa
Tisch
RadioS
chrank
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MonoBeispiel 2 : zu Hause
1935
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TürSofa
Tisch
Radio
TV
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Stereofonie
● Definition:
Technik, die mit Hilfe von zwei oder mehr Schallquellen durch Pegeldifferenz oder Laufzeitdifferenz einen räumlichen Schalleindruck beim Hören erzeugt.
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StereoBeispiel: ungefähr:
1960
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TürSofa
Tisch
Radio
TV
RL
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StereoBeispiel: ungefähr:
1985
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TürSofa
Tisch
Radio
RL
Stereo TV
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Stereosollte jedoch so aussehen
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Quelle: Wikipedia
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Stereo
● Wiedergabe mit Lautsprechern:
● Laufzeitdifferenz● Pegeldifferenz
● Wiedergabe über Kopfhörer:
● Kunstkopfaufnahme
Quele: Sennheiser
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Quadrofoniegeplanter Aufbau:
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QuadrofonieBeispiel 4 : zu Hause
1969-1980
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TürSofa
Tisch
Radio
TV
RLL
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Quadrofonieman sieht: hat sich nicht durchgesetzt. Ist aber Vorläufer von Surround-Sound wie 5.1
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SurroundBeispiel 5 : zu Hause
1995
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PlasmaL
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L
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Audio-DVD
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Surround
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Problematik:
Sweet Spot!
Keine Möglichkeit Lautsprecher gut einzurichten!
Für den Heimkonsumenten schwierig.
Aber : Chance für das Kino wieder attraktiver zu werden. Jeodoch muss das Kino ein Verfahren finden,
bei dem alle zuschaue gut hören.Bisher auch im Kino Probleme mit Sweet Spot!
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Die Lösung!
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Räumlicher Eindruck
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Räumlicher Eindruck
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Räumlicher Eindruck
• Basiert nicht auf psychoakustischer Ebene
• Basiert auf physikalischer Ebene
• Vorführung bei der Tonmeistertagung 2006
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Räumlicher Eindruck
WFS_Lautspr
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Wie funktioniert Wellenfeldsynthese (WFS) ?
• Huygens‘sches Prinzip
• Von einem Punkt S wird eine Kugelwelle abgestrahlt
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Wie funktioniert Wellenfeldsynthese (WFS) ?• Huygens‘sches Prinzip
• Durch Interferenz aller Elementarwellen
entsteht eine neue Kugelwelle
Anim_Loop
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Wie funktioniert Wellenfeldsynthese (WFS) ?
• Die mathematische Beschreibung durch das Kirchhoff-Helmholtz Integral
• S strahlt kugelförmige Wellenfronten ab• Laut Huygens strahlen auch die
Sekundärquellen Kugelwellen ab.• Kennt man die Wellenfront auf
der Fläche F• So kann man den Schwingungs-
zustand in einem beliebigen Punkt P des äusseren Schallfeldes errechnen
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Wie funktioniert Wellenfeldsynthese (WFS) ?
• Die mathematische Beschreibung durch das Kirchhoff-Helmholtz Integral
Die Folgerung:
• Jedes Schallfeld kann durch die Verteilung von Sekundärquellen auf einer Oberfläche rekonstruiert werden.
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Die Aufnahme
• Trockene Signale schärfere Wiedergabe• Die räumliche Form der Schallquelle kommt separat dazu• Mit speziellen Mikrofonarrays wird die Raumeigenschaft gemessen
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Die Aufnahme
• Platziert man nun eine Lautsprecherzeile an die selbe Stelle,so kann auf Wiedergabeseite das synthetisierte Schallfeld gehört werden
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Die Wiedergabe
Es gibt zwei verschiedene Wiedergabemöglichkeiten:
• Die Datenbasierte WFS --> Faltungsprinzip• Die Modellbasierte WFS --> künstl. Raum nicht real vermessen
• Die trocken aufgenommene Schallquelle wird mit der Impulsantwort des Raumes gefaltet und zu den Lautsprechern zurückgeführt (Messung mit dem Mikrofonarrays)
• Jeder Lautsprecher wird dabei einzeln gesteuert.
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Die Wiedergabe
• Lautsprecher werden einzeln gesteuert.• Jeder Lautsprecher hat einen eigenen Verstärkerkanal
Ein Rechner steuert diese einzelnen Kanäle:• Diverse Filter können den einzelnen Lautsprechern hinzugefügt werden• Echtzeitfaltung für jeden Kanal
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Die Voraussetzung für die Wiedergabe
• Lautsprecherarray und Mikrofonarray müssen in Position und Anzahl übereinstimmen.
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Die Voraussetzung für die Wiedergabe
• Die Impulsantworten müssen mit Hilfe der Extrapolation an die Eigenschaften der eingesetzten Lautsprecherarrays angepasst werden.
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Die Voraussetzung für die Wiedergabe
• Extrapolation ist die Umrechnung der Mikrofonposition auf jedes beliebige Lautsprecherarray
• Die Koordinaten des Mikrofons sind durch die Impulsmessung bekannt• Diese Positionsdaten werden auf den gewünschten Lautsprecher
umgerechnet• Sind die Kanalzahlen unterschiedlich muss ebenso extrapoliert werden
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Beugung
• Lautsprecherarrays sind nicht unendlich lang ε das synthetisierte Schallfeld beugt sich an den Kanten des Schallfeldes
• Abhilfe durch Absenken der Amplitude an den Kanten.
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Diskretisierung
• Lautsprecher haben einen einen gewissen Abstand zueinander• Dieses entspricht einer diskreten Verteilung der Sekundärquellen• Dieser Lautsprecherabstand bestimmt die Aliasing-Frequenz
des primären Schallfeldes• Bis zu dieser Frequenz kann das Signal fehlerfrei wiedergegeben werden
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Weitere Nachteile der WFS
• Hohe Übertragungskapazität • Hohe Rechenkapazität• Unbefriedigende Klangfarbe, da trockene Signale• Keine Einflussnahme in der Klangfarbe möglich
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Abhilfe durch OPSI
• OPSI(Optimized Phantom Source Imaging)• WFS wird ab der Aliasing-Frequenz mit Wiedergabe der
Phantomschallquelle erweitert• Geeignete Hoch-und Tiefpassfilter steuern die Lautsprecher aus• Für die richtige Lokalisation muss die Phantomschallquelle aus der gleichen
Richtung kommen, wie die virtuelle Quelle
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Stereophonie in der WFS
• Die Schwachstellen der WFS können durch Stereophonie kompensiert werden
• Anzahl der Übertragungskanäle lässt sich verringern• Bsp. Choraufnahmen• Stereophone Signale auf der
Wiedergabeseite des WFS-Kanals repräsentieren virtuelle Lautsprecher
• Virtual Panning Spots• Gesamtbild des Chores erhält ein
größeres Klangbild, da andere Lokalisationsgesetze
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IOSONO
• IOSONO (span. „ich klinge)• Entwickelt von Fraunhofer Institut im Umfeld
der techn. Universität Ilmenau• Spatial Audio Workstation (SAW) mit Toningenieuren Entwickelt• System besteht aus Lautsprecherpanels,
Recheneinheit,Wiedergabesoftware
SAW_Filmchen
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IOSONOs SAW
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IOSONOs SAW
• IOSONO short FIN
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Forschung
• Verfahren der WFS wurden ab 1988 zuerst an der TU Delft • Ab dem Jahr 2001-2003 Projekt von der EU gefördert CARROUSO • 10 Institute forschten europaweit:
o Forschungsinstitute: IRCAM IRT Fraunhofer(IDMT)
o Universitäten: TU Delft TU Erlangen
AU ThessalonikiISL Lausane
o Unternehmen: StuderFrance TelecomThales
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• IV IOSONO Soundsystem
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5
• In industriellen Bereich• Lissi und der Wilde Kaiser
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Installationen von WFS
Weitere Installationen/Kinos:• Linden Lichtspiele in Ilmenau
(gehört zum Fraunhofer)• Bregenzer Festspiele
und Seefestspiele Mörbisch
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andere Verfahren
Klang im Raum – Wellenfeldsynthese Ton Seminar Anita Studen, Hanna Schraffenberger
● Akusmonium● Ambisonics● Klangdom● Software Zirkonium
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Akusmonium
Klang im Raum – Wellenfeldsynthese Ton Seminar Anita Studen, Hanna Schraffenberger
Quelle: TU Berlin
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Akusmonium
Klang im Raum – Wellenfeldsynthese Ton Seminar Anita Studen, Hanna Schraffenberger
Quelle: TU Berlin
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Ambisonics
Klang im Raum – Wellenfeldsynthese Ton Seminar Anita Studen, Hanna Schraffenberger
● schon 1972 erfunden● Stereo-Kompatibel● Flexibel● gut Ergebnisse● jedoch auch mit Sweet Spot● Erfolg blieb aus
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Klangdom und Zirkonium
Klang im Raum – Wellenfeldsynthese Ton Seminar Anita Studen, Hanna Schraffenberger
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Fazit
Klang im Raum – Wellenfeldsynthese Ton Seminar Anita Studen, Hanna Schraffenberger
Wellenfeldsynthese:für Kinos und Konzertsääle, ist jedoch für „zu Hause“ zu teuer und aufwendig.
Ist noch nicht perfekt ausgereift.
Es wäre schön, ein Misch/Paning-Verfahren zu haben, das die Möglichkeit der Wellenfeldsynthese, jedoch auch anderen Lautsprechersetups ermöglicht.
Gute Lösungen für das Wohnzimmer wären Wünschenswert.....
Danke für die Aufmerksamkeit und wir freuen uns auf eure Fragen!