3D-Kopfhörer Sfera: Mehrkanalton

Sphere 3D-Kopfhörer: Kompakte Nachbildung von Mehrkanal-Raumklang

Die Sphere 3D-Treiber-System-Kopfhörer simulieren die Positionierung von Schallquellen in Surround-Sound- und immersiven Audioformaten. Das System nutzt mehrere Treiber, die sphärisch um das Ohr angeordnet sind, um binaurale ILD- und ITD-Effekte ohne digitale Verarbeitung zu erzeugen. So ist eine direkte Wiedergabe von Dolby Digital, DTS 5.1/7.1, Atmos und DTS:X-Inhalten möglich, bei vollständiger Erhaltung der natürlichen Ortung.

Prinzipien der Binauralen Wahrnehmung im Raumklang

Raumklang wird durch drei Schlüsselfaktoren geprägt: das Ausbreitungsmedium, die Wellenrichtung und binaurale Hinweise. Binaurales Hören basiert auf:

• Interaurale Pegelunterschiede (ILD): Spektrale Variationen durch Beugung am Kopf und Ohren.
• Interaurale Zeitunterschiede (ITD): Zeitverzögerungen zwischen den Ohren.

Die Ortung erfolgt in horizontaler, frontaler und vertikaler Ebene. Der Tiefbassbereich (>200 Hz) variiert kaum richtungsabhängig, während Mittel- und Höhenfrequenzen die Position präzise lokalisieren. Der akustische Schatten verstärkt ILD bei Rückkanälen, wo Mitten abgeschwächt werden.

Die HRTF (Head-Related Transfer Function) erfasst diese Effekte. Bei Mehrkanalsystemen wird die HRTF in schalltoten Kammern mit Dummy-Kopf-Modellen wie KEMAR oder B1-E gemessen, Mikrofone am Gehörgangseingang.

Mehrkanal-Audioformate

Mehrkanal-Lautsprechersysteme gliedern sich in zwei Kategorien:

• Surround Sound (Dolby Digital, DTS 5.1/7.1): Lautsprecher in der horizontalen Ebene – Frontstereo-Paar (0°/30°), Center (0°), Seiten (±90°), Rear (±110°/250°), Subwoofer.

• Immersiver Klang (Dolby Atmos, DTS:X): Ergänzt die obere Halbkugel (Elevation 30°–45°). Sphere erweitert dies auf die untere Halbkugel für volle Abdeckung.

| Format | Kanäle | Halbkugeln |

|--------|--------|----------------|

| 5.1 | 6 | Horizontal |

| 7.1 | 8 | Horizontal |

| Atmos | Bis 128| Oben + Horizontal |

| Sphere| 12+ | Volle Sphäre |

Digitale HRTF-Modellierung für Umwandlung

Zur Umwandlung von Mehrkanalsignalen in Binaurales werden Phasen-Amplituden-Matrizen und FIR/IIR-Filter eingesetzt, um die HRTF jedes Kanals zu modellieren. Messungen erfolgen in Freifeld-Setups: Ein Monitor simuliert die Quelle, ein Dummy-Kopf erfasst direkte und Schatten-Frequenzgänge.

Die Fletcher-Munson-Kurve zeigt, wie die Wahrnehmung mit dem Pegel variiert und HRTF bei unterschiedlichen Lautstärken beeinflusst. Koeffizienten werden in einen DSP-Prozessor geladen. Sphere umgeht dies, indem physische Treiber die Positionierung externer Lautsprecher nachahmen.

Sphere 3D-Kopfhörer-Design

Das System umfasst akustische Kammern um das Ohr mit offenen Wänden und Filz-Dämpfung gegen Resonanzen. Treiber (40–50 mm Langhub-Einheiten) sind sphärisch angeordnet:

• Front/Center: 0°–30°.
• Seiten: ±90°.
• Rear: ±110°–250°.
• Oben/Unten: ±45° vertikal.

Silikon-Ohrpolster tauchen das Ohr vollständig in die Kammer ein. Bei immersiven Formaten erweitert sich die Kammer bei gleichbleibendem Tragekomfort. Das Prototype nutzt JBL Quantum 100-Treiber, optimiert für Ohrabstand.

Kammer-Diagramm für Surround (7.1):


Diagramm für Immersiv:


Mehrtreiber-Kopfhörer vs. Stereo

Stereokopfhörer erzeugen einen „im-Kopf-Effekt“ durch fehlende ILD/ITD. Spheres Mehrtreiber:

• Erzeugen physische Wellenbeugung an der Ohreform.
• Unterstützen native Mehrkanal-Streams ohne Dekodierung.
• Verbessern Ortung in allen Ebenen.

Frequenzgang-Messungen des Prototypes zeigen eine flache Kurve ohne Spitzen, vergleichbar mit externen Lautsprechern.

Wichtige Erkenntnisse

• Sphere simuliert eine volle Sphäre aus Treibern inklusive unterer Halbkugel für echten 3D-Klang.
• Keine DSP-Abhängigkeit: Klang wird akustisch geformt, minimale Latenz.
• Kompatibel mit 5.1/7.1/Atmos ohne Neukodierung.
• HRTF variiert mit Pegel, erfordert lautstärkespezifische Kalibrierung.
• Prototype nutzt Standard-40-mm-Treiber für hohe Skalierbarkeit.

— Editorial Team