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Der Faden .... von Prof. Matti Otala zu Prof. Albert Einstein

In diesem 1978er KlangBild Artikel beschreibt der finnische Professor Otala  (Dez. 1939 – Aug. 2015 Helsinki), der sich ganz besonders um die edle Audiotechnik bemüht hatte, daß auch er etwas nicht verstanden hatte. Bei ihm geht es um das Hören mit dem Ohr und mit dem Gehirn.

Bei Einstein ging es um die Frage : Was ist Licht wirklich, eine Welle oder Strahlung oder Energie ? - und Einstein hatte bereits in jungen Jahren für alles eine physikalische Erklärung, - für die Relativiätstheorie, für die Atome, für die Zeit und sogar für die komplexe Quantentheorie. Er mußte sich in sehr hohem Alter aber selbst eingestehen, daß er immer noch kein Modell bzw. eine Erklärung für das Licht gefunden hatte. "Das mit dem Licht sei ihm immer noch nicht klar" sagte er bei einem seiner letzten Vorträge in Princeton vor hunderten von wissbegierigen amerikanischen Studenten, die ganz sicher alle mit offenem Mund dieser deutschen Legende zuhörten.

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KlangBild special - Januar 1979 KlangBild
Überlegungen zu Verstärkern von Prof. Dr. Matti Otala
"Das Unbekannte respektieren"

Ich möchte diesen Beitrag mit einem sehr allgemein gehaltenen Gleichnis beginnen, weil ich glaube, daß es Sie sowohl überraschen als auch Ihr Verständnis für den Gesamtkomplex erweitern wird.

Zunächst eine kurze Geschichte aus dem Bereich der Religion: In Südafrika gab es einen Eingeborenenstamm, der total vom Glauben an die Götter durchdrungen war. Niemand wußte, wo diese Götter lebten oder wie. Sie existierten eben. Und die Medizinmänner erklärten, daß sich die Götter in allem manifestierten, was sie umgab.

Keiner wußte, was ein Gott war. Und das gehörte zur Religion. Die Medizinmänner entwarfen Vorstellungen und malten Bilder, die von den anderen als große, ehrwürdige Mystik verehrt wurden.

Doch später, als die gesellschaftliche Situation komplizierter wurde, tat sich ein Künstler aus dem Stamm hervor, der eigentlich ähnliche Bilder malte - die jedoch erheblich schöner waren als die der anderen. Warum sie allerdings so viel schöner aussahen, konnte niemand genau sagen. Sie waren auch nur gemalt, und sie gelangen ihm jedesmal, wenn er malte. Seinen Kollegen aber nie.

Irgendwann kam ein Wissenschaftler in das Dorf, und der begann zu erforschen, was an diesen Bildern so Besonderes war, was sie so besonders schön machte.

Und er entdeckte einige grundlegende Gesetzmäßigkeiten und teilte sie dem Künstler mit: „Sieh mal, wenn Du dies und jenes beim Malen beachtest, wird das Ergebnis immer gleich schön."

Das war Wissenschaft! Und heute ist der Sohn des Künstlers Häuptling dieses Stammes; denn er war sehr geschickt. Er übernahm die Gesetze, die der Wissenschaftler aufgestellt hatte, und richtete sich bei seiner Arbeit danach. Er stellte die Bilder regelrecht in Serie her, sie wurden alle sehr schön, jeder konnte eines haben, und alle waren glücklich. Das nun war technisches Know-how und praktisch die Geburtsstunde des Handels.
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Audio-Bereich im Zeitalter des Voodoo

Wenn wir jetzt auf den Audio-Bereich zurückkommen, bleibt nur festzustellen, daß wir uns in einer sehr schwierigen Situation befinden, eigentlich noch - ob Sie das glauben wollen oder nicht - im Zeitalter des Voodoo! Wir wissen nicht genau, was passiert, wie es vor sich geht oder wie es eigentlich sein sollte.

Man möchte glauben ein sehr bescheidenes Statement. Doch: Ich jedenfalls weiß nicht, was im Audio-Bereich vor sich geht. Was sind denn die Grundlagen? Was sind die Theorien? Was sollte man erforschen ?

Lassen Sie mich das ein bißchen erklären:

Die allergrößte Katastrophe

Bis 1920 wurden eine ganze Reihe von Musiktheatern und Konzerthallen gebaut. Und sie alle, oder zumindestens die meisten von ihnen, hatten eine sehr gute Akustik. Das war mystisch, denn niemand wußte genau, wie man in einer Halle gezielt eine gute Akustik erreichen kann.

Und dann kamen Sabin, Beranek, all diese heute so berühmten Männer, die dieses Geheimnis ergründen wollten und ganz einfache Regeln aufstellten. Und prompt begannen alle Architekten diese Regeln anzuwenden und danach Konzerthallen zu bauen. Das Ergebnis war eine Katastrophe.

Sehen Sie sich mal die Musiktheater an, die nach dem ersten Weltkrieg gebaut wurden: Das Opernhaus in Sydney ist nicht benutzbar, die Berliner Philharmonie hat ihre Probleme und die allergrößte Katastrophe ist die neue Konzerthalle in Boston.

Es schien so auszusehen, als seien wir in ein Zeitalter des bedingungslosen Glaubens an die Wissenschaft eingetreten. Als sei Raum-Akustik eine ganz einfache Sache von ein paar Berechnungen und Gesetzmäßigkeiten und das war es dann. Und was festzustellen bleibt, ist - das war es eben nicht.
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Der intelligente junge Mann, der sein Examen bestand

Lassen Sie uns ein anderes Beispiel nehmen: Die Geschichte der transienten Intermodulationsverzerrung. Ich vermute, daß es eine ganz lustige Geschichte ist: Wenn jemand heute einen Verstärker entwirft, ist das üblicherweise ein intelligenter junger Mann, der soeben sein Examen bestanden, womöglich sogar promoviert hat. An einer Universität, technischen Hochschule oder etwas Entsprechendem lernte er seine Spannungstheorien, all die Gesetze der Technik und natürlich alles über Gegenkopplung, Halbleitertechnik usw. Und er hat großes Vertrauen in dieses angesammelte Spezialwissen und sagt sich: „Okay, ich habe jetzt das Werkzeug, das ich brauche."

Und dann fängt er an zu berechnen. Und er baut einen Verstärker; und der ist eine Katastrophe. Fast immer. Weil das alles erstens nicht so einfach ist, wie er es gelernt hat, und weil es zweitens heute ein für den Audio-Bereich sehr typisches Problem gibt: Die Über-Spezifizierung.

Mit der Über-Spezifizierung meine ich, daß jeder versucht, einen Gesamtklirrfaktor von 0,1% zu unterbieten. Mit 0,001%. Ich kann das nur als ein blindwütiges Bemühen bezeichnen; denn für das Extrem in einer bestimmten Spezifikation muß man bei einer anderen Spezifikation auch Nachteile in Kauf nehmen. Auf dieser Welt bekommt man nun mal nichts umsonst. Und so muß man für diese Über-Spezifizierungen seine Strafe zahlen - und das geht immer zu Lasten der Tonqualität. Ob einem das nun gefällt oder nicht.

Ein Klirrgrad von "nur" 0,003%

Und dann komme ich zu meinem nächsten Thema: Wir glauben, oder haben bis heute geglaubt, daß das Hören eine ganz einfache Sache ist. Daß das Ohr schlicht ein Amplituden- oder ein Frequenz-Detektor ist und sonst gar nichts. Damit ist man zwar nahe dran; aber das für die Summe der Erkenntnisse zu halten, wäre ganz schön dumm.

Denn wenn Sie z. B. versuchen, Gesprochenes zu verstehen, und diesen Vorgang bewußt vergleichen mit dem gegenwärtigen Stand der Technik von Maschinen, die auf gesprochene Anweisungen reagieren, so werden Sie konstatieren müssen, daß es keinen Computer gibt, der Sprache so verstehen kann wie Menschen.

Aber es gibt noch einen weiteren Aspekt, der noch viel wichtiger ist: Es ist - soviel ich weiß - bewiesen worden, daß das Ohr, wenn es ein Signal empfängt, die Frequenz und die Amplitude nicht analysieren kann.

Auf der AES-Convention (Audio Engineering Society) in New York werden wir Meßergebnisse publizieren, die endgültig beweisen, daß bei Musik, die stereofonisch durch Lautsprecher übertragen wird, 0,003 % (transienter) Klirrfaktor hörbar sind! 0,003%!

Das ist ein unfaßbares Phänomen, denn gemäß unseren bisherigen Theorien dürften wir unterhalb der Hörbarkeitsgrenze nichts, aber auch gar nichts hören können. Und alle Verzerrungskomponenten liegen bei diesem Fall weit unterhalb dieser Grenze.
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Wie ist das also möglich ?

Ich bin kein Akustik-Wissenschaftler, arbeite aber mit vielen zusammen. Und die gaben mir eine sehr einfache „Antwort": „Warum glauben Sie, daß ein Ohr auch tatsächlich als Amplituden-Detektor arbeitet ?"

Keitel, ein junger deutscher Wissenschaftler, hat erst vor kurzem demonstriert, was eine Weiterentwicklung einer berühmten Hörtheorie darstellt: Das Ohr selbst kann Amplitude und Frequenz nicht analysieren, verfügt aber über drei Detektoren dafür.

Einer davon ist ein Transienten-Detektor, der sich herausgebildet hat, als wir noch darauf angewiesen waren, vor den unterschiedlichsten Gefahren, wie wilde Tiere usw., gewarnt zu werden. Die anderen beiden sind jeweils ein Vokal- und ein Konsonanten-Detektor. Und diese sind hervorragend geeignet, Reden anzuhören. Nach Möglichkeit intelligente.

Aber wo geschieht das jetzt alles, wenn nicht im Ohr selber? Nach Keitel findet das im Gehirn statt, im oberen Bereich der Wege vom Ohr zum Gehirn. Dort passiert die eigentliche Übertragung. Aber der Witz an der Geschichte ist - und ich finde, darüber sollte man intensiv nachdenken -, daß es uns letztlich überhaupt nicht interessiert, wie das Ohr das tut.
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Für uns ist doch nur von Interesse, was das Gehirn wahrnimmt!

... also, was wir als "Klang" empfinden ! Diese Erkenntnisse ergeben das Modell eines Mechanismus für einen Meßwertumwander, aber nicht für einen Computer, der Schall analysiert !

Ich spreche nicht für Keitels oder die oben angeführte Theorie, nicht für irgendeine andere. Ich behaupte lediglich, daß wir nicht wissen, wie das Ohr wirklich funktioniert.

Wir wissen nie ganz genau, was das ist, das wir da hören. Dies mag ein kleiner Hinweis darauf sein, warum die psychoakustischen Ergebnisse so sind, wie sie nun mal sind.

Die Sache hat einen Haken

Ich komme nun zu meinem fünften Thema, den Messungen und dem Messen eines Verstärkers.

Wir nehmen also Messungen vor, wir haben Meßwerte für den Gesamtklirrfaktor erarbeitet, das SMPTE- Intermodulations- Meßverfahren usw. Und auf der anderen Seite - beim Messen des Gesamtklirrfaktors eines Verstärkers - geben wir ein Sinussignal ein und messen, wieviele Obertöne wir am Ausgang erhalten. Nun lassen Sie uns noch einen anderen Punkt betrachten - nehmen wir eine Violine.

Angenommen, ich würde hier und jetzt auf einer Geige spielen. Dann würden Sie einen Klang wahrnehmen. Wie stark wäre dann, glauben Sie, die fünfte Harmonische vertreten - so ungefähr? Etwa so stark wie der Grundton! Die Amplitude wäre also praktisch die gleiche. Und nehmen Sie an, ich drehe die Geige ein bißchen. Was passiert dann? Die fünfte Harmonische in Ihren Ohren hätte dann vielleicht einen Wert von - sagen wir - der Hälfte.

Nehmen wir mal an, wir hätten in diesem Fall einen Verstärker mit harmonischen Verzerrungen von 1,0% - wer würde das hören? Niemand! Denn 1% Abweichung ist ja gar nichts! Jetzt könnte man sagen: „Was stört es mich, wenn ich einen Verstärker mit harmonischen Verzerrungen habe, wenn ich sie sowieso nicht höre ?"

Dann würde gewiß ein Kritiker sagen: „Ja, aber wo harmonische Verzerrungen sind, da gibt es auch Intermodulationsverzerrungen."
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Und das stimmt sogar genau !

Wenn wir also sagen, wir haben hier Intermodulationsverzerrungen, also Frequenzkomponenten, die nicht vom Original-Sound kommen, dann hat die Sache einen Haken: Durch den Verzerrungs-Mechanismus müssen wir mit Abweichungen im Verhältnis von 1:20 bei den Intermodulations- und den Klirrfaktor- Meßergebnissen rechnen. Und keiner kann vorhersagen, in welchem Verhältnis die Intermodulationsverzerrungen an dem Gesamtklirrfaktor-Meßergebnis beteiligt sind.
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„Ich weiß es nicht"

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Warum messen wir also den Gesamtklirrfaktor, wenn das schließlich nichts mit dem zu tun hat, was wir hören ? Und wenn Sie mich nun fragen, welche Meßmethoden wir denn dann anwenden sollen, kann ich nur antworten: Ich weiß es nicht ! Wir haben eine ganze Anzahl neuer Meßmethoden gefunden. Sie wurden in einem Sonderheft einer Fachzeitschrift veröffentlicht *).
*) Funkschau spezial 2: High-Fidelity

Aber die Antwort ist und bleibt: Ich weiß es nicht. Und ich glaube, wir werden es solange nicht wissen, bis wir exakt herausgefunden haben, wie das Gehirn arbeitet. Und wann wir so weit sein werden, das weiß der Himmel.
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Ich habe Ihnen nun, so hoffe ich, drei Dinge bewiesen:

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  1. • Erstens: Wir leben noch im Voodoo-Zeitalter.
  2. • Zweitens: Die aufgestellten technischen Gesetze können uns nicht zufriedenstellen.
  3. • Und drittens: Wir wissen noch immer nicht, wie das Ohr funktioniert. Wir wissen nur, daß all unsere Meßmethoden keine weitere Diskussion wert sind.


Was bleibt dann noch übrig ? Praktisch nichts. Oder doch - eines, das Wichtigste überhaupt : Wir müssen wieder lernen, dem einzigen Instrument zu vertrauen, welches in der Lage ist, uns wirklich zu offenbaren, was wir hören und hören können: unseren Ohren und unserem Gehirn ! Unserem absolut subjektiven Eindruck des Schalls !
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"Verstärker sind eine ganz, ganz einfache Sache" - wirklich ?

Sie sehen, ich wende mich gegen die gängige Auffassung: „Verstärker sind eine ganz, ganz einfache Sache, sie müssen bloß konstruiert werden und das ist dann alles."

Dagegen wende ich mich sogar entschieden; ich glaube nicht daran, und ich hoffe, daß ich genug einleuchtende Argumente dagegen angeführt habe. Es gibt mir einfach noch zu viele Differenzen - und ich traue Messungen nicht.

Dabei bin ich - merkwürdig genug - ein ordentlicher Professor der Elektronik. Man erwartet von mir, daß ich immer alles weiß: über Integrale, Transformationen, Konstruktionsmethoden.

Und ich stelle mich hier hin und sage Ihnen: „Ich traue unseren Methoden nicht." So ist es nun mal, und das muß ich eingestehen.

Keine Patentlösungen

An diesem Punkt drängt sich geradezu eine wichtige Frage auf: Was sind denn das alles für Patentlösungen, die so gerne von den Technikern angeboten werden? Ich hatte Ihnen erzählt, von dem jungen, frohen Techniker, der gerade herauskommt, voller Enthusiasmus, dem all das Gelernte wie Handwerkszeug vorkommt, mit dem er jetzt etwas konstruieren kann.

Und dann kommt es zu der üblichen Diskussion, die ich mit solchen Technikern hatte - und ich hatte eine ganze Menge davon -, die immer so verläuft, daß er sagt: „Sieh mal, ich mache diese Laplace-Transformation, und das Ergebnis ist dann dies und jenes."

Und ich sage: „Haben Sie jemals daran gedacht, daß die Laplace-Transformation in diesem Fall gar nicht gilt?" „Nein," sagt er dann prompt, „die gilt immer, das ist schließlich eine Laplace ..."

Und ich muß dann wieder sagen: „Nein, so geht das nicht. Die Laplace-Transformation, die wir sehr extensiv auslegen, kann zum Beispiel nur angewandt werden, wenn wir eine lineare Schaltung haben. Ist ein Audio-Verstärker linear, dann muß er es schon sein, bevor wir die Gegenkopplung anwenden, damit diese Laplace-Transformation überhaupt gültig werden kann! Und dann stellen wir fest, daß das gar nicht stimmt: Die Schaltung ist nämlich nicht linear!
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Weit davon entfernt, linear zu sein

Ich habe ein hübsches Beispiel für Sie: Wir haben einen Verstärker mit einem Gesamtklirrfaktor von 0,01%. Er ist also sehr linear, oder nicht? Mit angewandter Gegenkopplung. Und wir gehen davon aus, daß die Gegenkopplung 80dB beträgt. Nun rechnen Sie sich bitte aus, wie hoch die Verzerrung ohne Gegenkopplung war, „open loop" also.

Ganz eindeutig: 100 %! Und das ist ja wiederum nicht möglich. Das heißt aber auch, daß der Verstärker weit davon entfernt war, linear zu sein. Und eben deshalb war die Laplace-Transformation nicht gültig. Und versuchen Sie jetzt bitte mal zu rechnen!

Ich will damit nicht sagen, Laplace ist generell ungültig. Natürlich ist sie gültig. Aber man sollte nicht blind mit diesen Begriffen um sich schlagen - und man muß nun mal wissen, was man tut! Und noch mehr: Man muß auch wissen, warum!

Es mag Ihnen so vorgekommen sein, als wäre ich betont düster gewesen, als ich versuchte, einige Dinge zusammenzufügen. Aber ich fürchte, ich habe nur den gegenwärtigen Stand unserer Audiowelt reflektiert - mit ihren exzellenten Spezifikationen, mehr oder minder akzeptablen Designs und einer wachsenden Industrie, für die wir nicht einmal die Grundlagen genau kennen. Nach all meinen Worten sollten Sie mich jetzt eigentlich fragen, wie ich denn jetzt mit meiner Gruppe Verstärker konstruiere ?
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Wir kennen nicht einmal 1% der Fakten

Ich versuche, mein Bestes zu geben und den besten Verstärker zu bauen, den es gibt - in Musikalität und Klangqualität. Und natürlich auch in Spezifikationen, denn die brauchen unsere Leute „draußen", die die Verstärker verkaufen sollen. Doch die Grundlage für alle ist und bleibt, auch das noch Unbekannte zu respektieren und sich entsprechend zu verhalten.

Denn wie aus meinem Gesagten hervorgegangen sein dürfte - kennen wir nicht mal 1% der Fakten, die wir eigentlich brauchen, um gute Verstärkerzubauen.
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von Professor Otala im Herbst 1978
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