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"Audio-Wissen von 1974" - Die Themen dieser Artikel sind:

Was war mit der analogen Audio-Studio-Technik machbar und was sollte bzw. mußte ein Toningenieur wissen und gelernt haben. Daß viele dieser Themen (wir schreiben zur Zeit 2016) bereits 35 Jahre alt sind und durch die schleichende Digitalisierung völlig überholt sind, bedeutet nicht, daß sich die physikalischen Grundlagen wesentlich geändert haben.

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C. IV. 2. 2. Zweikanalige Aufnahme

Damit bei der Wiedergabe zumindest in einem gewissen Bereich links und rechts von der Symmetrieachse ein annähernd richtiger stereofonischer Höreindruck entsteht, müssen die beiden Übertragungskanäle von den Mikrofonen auch den jeweils richtigen Spannungspegel zugeführt bekommen.

Diese Bedingung muß unabhängig von der örtlichen Aufstellung oder der Bewegung der Originalschallquelle erfüllt sein, was wir nachfolgend getrennt für die Intensitäts- und Laufzeitunterschiede untersuchen wollen. Um dabei zu brauchbaren Ergebnissen zu kommen, müssen die Untersuchungen bei verschiedenen typischen Mikrofonanordnungen durchgeführt werden, die auch einer einfachen mathematischen Behandlung zugänglich sind.

Zu diesem Zweck sollen die Verhältnisse sowohl bei Mikrofonen mit kugel- als auch mit nierenförmiger Richtcharakteristik, mit verschiedener Ausrichtung derselben, betrachtet werden. Insgesamt ergeben sich vier verschiedene typische Mikrofonanordnungen, die in Bild 79 dargestellt sind.

C. IV. 2. 2. 1. Intensitätsunterschiede der Mikrofonpegel

Von den in Bild 79 gezeigten Mikrofonanordnungen wollen wir uns zunächst eine beliebige - die zweite - herausgreifen und versuchen, eine allgemeingültige mathematische Gleichung für die Ermittlung des Intensitätsunterschiedes aller Anordnungen aufzustellen. Bild 80 zeigt die Mikrofonanordnung 2 genauer.

Daraus ist zu erkennen, daß das an den beiden Mikrofonen sich ausbildende Intensitätsverhältnis

Formel

ist.

Da sich - wie wir später im Abschnitt D. I. 2.2.2 näher erfahren - die nierenförmige Richtcharakteristik aus der Überlagerung einer Achter- und einer Kugelcharakteristik ergibt, können wir anhand von Bild 80, unter Benutzung der zu den jeweiligen Achtercharakteristiken gehörenden Radien, die Gleichung auch
so schreiben.

Darin ist V der Radius der zur Niere (im Bild nur angedeutet)
gehörenden Achter-Charakteristik. Die Größen dieser Radien hängen nun von der Größe der beiden Nieren und damit vom Standort der Schallquelle ab.

Hierdurch sind sie aber wiederum von den Winkeln a und ß abhängig, so daß sich nach Bild 80 für beide


und für Sa' und Sb folgender Ausdruck ergibt:
(und der ist schon ziemlich komplex und schwer zu verstehen)

Darin ist xp der Schalleinfallswinkel und a der halbe Mikrofonabstand. Die beiden Mikrofone besitzen einen Abstand 2a voneinander.

Setzt man die Gleichungen (41) und (42) in die Gleichung (40) ein, so ergibt sich das Intensitätsverhältnis zu

Formel

Dieser Ausdruck gilt generell für alle gezeigten Mikrofonanordnungen, man muß nur die für die jeweils benutzte Richtcharakteristik zutreffende Funktion einsetzen. Zum Beispiel ergeben sich für die vierte Mikrofonanordnung die Funktionen der beiden Nieren durch eine Verdrehung der mit Gleichung (50) beschriebenen Niere um ±90°.

Formel

Diese Rechnung, bei allen vier Mikrofonanordnungen durchgeführt, ergibt die in Tabelle 6 in der Spalte „Intensitätsverhältnis" eingetragenen vier Gleichungen. In der darauffolgenden Spalte ist nun die jeweilige Funktion, das heißt die Schallpegeldifferenz in Abhängigkeit von dem Winkel y, mit dem der Schall auf die Mikrofonanordnung einfällt, und mit dem Verhältnis
a/y als Parameter dargestellt. Bei der - für die nachfolgenden Betrachtungen - notwendigen Festlegung der Größen dieses Parameters wurde davon ausgegangen, daß sich die Schallquelle der Mikrofonbasis einerseits wohl kaum weniger als um ein Viertel des Mikrofonabstandes 2a, also 1/2a nähert, andererseits sich aber auch nicht um wesentlich mehr als das Doppelte davon entfernt.

Aus diesem Grund wurden die Parameter mit a/y = 2, 1, 1/2 und 1/4
festgelegt. Die Konstruktion der Kurven wurde nur bis zu einer Schallpegeldifferenz von 20dB durchgeführt, weil - wie wir bereits in Bild 73 sahen - Schallpegeldifferenzen von mehr als etwa 16dB für die Summenlokalisation keine Bedeutung mehr besitzen, da dann bei der Wiedergabe in jedem Fall die scheinbare Schallquelle mit einem der beiden Lautsprecher direkt identifiziert wird.
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Das wesentliche Merkmal

Als wesentliches Merkmal erkennen wir aus den vier in Tabelle 6 gezeigten Diagrammen, daß sich bei jedem Winkel y die größte Schallpegeldifferenz stets bei einem Verhältnis A/Y = 1 einstellt. Darüber hinaus nimmt, wie zu erwarten war, die Schallpegeldifferenz bei nierenförmiger Richtcharakteristik
mit zunehmender seitlicher Ausrichtung derselben ebenfalls zu. In den beiden letzten Diagrammen fällt noch besonders der Fall auf, daß der Schallpegelunterschied auch dann nicht verschwindet, wenn der Mikrofonabstand gleich Null und damit a/y = 0 wird, das heißt die Mikrofone unmittelbar beieinander stehen.

Wir kommen auf diesen Spezialfall, wie er bei der reinen Intensitätsstereofonie zur Anwendung kommt, später noch zurück. Bevor wir die Auswirkungen dieser Ergebnisse auf die praktisch jeweils anzuwendenden optimalen Mikrofonanordnungen untersuchen, müssen wir noch die Größe des gleichzeitig auftretenden Laufzeitunterschiedes ermitteln.

C. IV. 2. 2. 2. Laufzeitunterschiede

Da nur der Abstand der Mikrofone voneinander und der von der Schallquelle, keineswegs aber die Richtcharakteristik einen Einfluß auf die Laufzeitunterschiede haben können, gelten die nachfolgenden Überlegungen generell für alle Mikrofonanordnungen [148].

Aus Bild 81 lassen sich zunächst die Strecken Si und S2 leicht ermitteln. Sie betragen

Formeln :

Da der Laufzeitunterschied der Wegdifferenz proportional und der Schallgeschwindigkeit umgekehrt proportional ist, ergibt sich

Formel

Die Abhängigkeit des Laufzeitunterschiedes von dem Schalleinfallswinkel y mit dem Mikrofonabstand a und dem Verhältnis  a/y als Parameter ist in Bild 82 für drei verschiedene Mikrofonabstände, und zwar a = 1/4m, 1m und 4m, dargestellt. Die Konstruktion der Kurven ist analog der aus Bild 75 gewonnenen Erkenntnis, wonach ein Laufzeitunterschied von mehr als delta t = 2ms gar nichts mehr nützt, da dann der Schall sowieso zunächst fast nur noch von einem Lautsprecher zu kommen scheint, auch nur bis zu diesem Wert durchgeführt. Das geht besonders deutlich aus den Kurven in Bild 83 hervor, die man dann erhält, wenn man mit Hilfe von Bild 76 die Laufzeitunterschiede in Schallpegeldifferenzen gleicher Wirksamkeit umrechnet.

Bei einer dem Laufzeitunterschied von delta t mit etwa 4ms äquivalenten Schallpegeldifferenz von rund 20dB verlaufen die Kurven fast nur noch parallel zur Abszisse. Das bedeutet, daß die gleichwertige Schallpegeldifferenz unabhängig vom Laufzeitunterschied und damit vom Schalleinfallswinkel konstant bleibt. Größere Laufzeitunterschiede nützen jedoch nicht nur nichts mehr, sondern sie führen zu einer unerwünschten Verbreiterung der Schallquellenausdehnung. Bei Laufzeitunterschieden von mehr als 2 bis 3ms empfindet man sogar zwei getrennte Schallquellen, deren Orte mit denen der Lautsprecher übereinzustimmen scheinen (siehe Abschnitt C. IV. 2.1.2).

C. IV. 2. 2. 3. Überlagerung der Intensitäts- und Laufzeitunterschiede

Zur Ermittlung der Gesamtwirkung, die die Intensitäts- und Laufzeitunterschiede beim Zuhörer hervorrufen, müssen wir die in Bild 83 in äquivalente Schallpegeldifferenzen umgewandelten Laufzeitunterschiede zu den in der Tabelle 6, Diagramm 1 bis 4, gezeigten Kurven hinzuaddieren. Das ist jedoch zunächst nicht ganz so einfach, weil die Laufzeitunterschiede vorwiegend vom Abstand der Mikrofone voneinander (Mikrofonabstand; Bild 82), dagegen die Schallpegeldifferenzen vom Verhältnis a/y abhängen, was sich aus der Parameterdarstellung derselben in den genannten Diagrammen ergibt. Die neuen Kurven, die man nach der Addition erhält, sind deshalb an zwei Parameter gebunden, und zwar an a und a/y (beziehungsweise a und y).

Zu jeder der in Tabelle 6, Diagramm 1 bis 4, gezeigten Kurve kommen also je nach Anzahl der ausgewählten Mikrofonabstände noch mehrere Kurven hinzu. Für die drei willkürlich gewählten Mikrofonabstände von a = 1/4m, 1m und 4m sind die erhaltenen Kurven wiederum in Tabelle 6, Diagramm 5 bis 8, eingetragen. Mit ihrer Hilfe kann man die bei der praktischen Tonaufnahme von Fall zu Fall jeweils anzuwendende Mikrofonanordnung, das heißt die Richtcharakteristik und den Mikrofon- und Schallquellenabstand, festlegen [149].

C. IV. 2. 2. 4. Mikrofonanordnungen

Hierbei kommt es zunächst darauf an, in welcher breitenmäßigen Ausdehnung man dem Zuhörer bei der späteren Wiedergabe die Schallquelle - zum Beispiel einen Chor - zu Gehör bringen will.

Soll diese Breite beispielsweise mit der des Abstandes der beiden Lautsprecher übereinstimmen, so müssen die am weitesten rechts und links angeordneten Chormitglieder beim Singen eine Gesamtpegeldifferenz von etwa 16 bis 20dB an den Mikrofonen hervorrufen (Bild 73).

Die Diagramme 5 bis 8 in Tabelle 6 zeigen, daß es je nach Richtcharakteristik, Mikrofonabstand und Schallquellenentfernung sehr viele Lösungen gibt und deshalb auch noch solche Forderungen berücksichtigt werden können, die nicht unmittelbar mit den stereofonischen Problemen zusammenhängen.

Die Richtcharakteristik und ihre Anwendung

Bezüglich der Richtcharakteristik entscheiden vor allem die physikalisch bedingten besonderen Eigenschaften der Mikrofone über ihre Anwendung.

Zum Beispiel wird die vierte der in Tabelle 6 gezeigten Mikrofonanordnung, bei der die beiden Nieren vollständig zur Seite gedreht sind, weniger den direkten als vielmehr den indirekten (Raum-)Schall aufnehmen, was bei der zweiten Mikrofonanordnung nur in einem weit geringeren Maße der Fall ist.

Die Entscheidung: „Gerichtet oder ungerichtet", hängt also in erster Linie von den praktisch vorliegenden Verhältnissen am Aufnahmeort (Störschall) und von den künstlerischen Absichten, weniger aber von den stereofonischen Bedingungen ab.

Ähnliches trifft auch für den Abstand der Schallquelle von den Mikrofonen zu, der vorwiegend von dem gewünschten Verhältnis: „Direkter Schall zu indirektem Schall" bestimmt wird, worauf bei den „künstlerisch-technischen Problemen der Tonaufnahme" noch näher eingegangen werden soll.

Für die Erzielung eines bestimmten stereofonischen Eindrucks steht deshalb vorwiegend nur die Festlegung des Abstandes der beiden Mikrofone voneinander zur Verfügung, was aber auch größtenteils ausreichen dürfte.

Am Beispiel eines Chores

Wir wenden uns nach diesen Überlegungen wieder unserem eingangs gewählten Beispiel eines Chores zu, der bei der Wiedergabe in voller Breite zwischen den beiden Lautsprechern erscheinen soll, und nehmen an, daß aus künstlerisch-technischen Gründen eine kugelförmige Richtcharakteristik und ein Schallquellenabstand von y = 4m von der Chormitte bis zur Mikrofonbasis festgelegt würden und daß der Chor durch seine Breite einen Winkelbereich des auf die Mikrofone einfallenden Schalles von 2 • 12° ausfüllt (Bild 84). Ein Winkelbereich von 0 bis 12° entspricht also einem Wiedergabeort von 0 bis 100% jeweils rechts und links von der Symmetrieachse bei der Wiedergabe.

Da die vorkommenden Winkel nur relativ klein sind, können wir mit hinreichender Genauigkeit den Zusammenhang zwischen dem Winkel und scheinbaren Schallquellenort, ausgedrückt in Prozent des Lautsprecherabstandes, als linear ansehen. Die an den beiden Lautsprechern und damit auch Mikrofonen auftretende Schallpegeldifferenz muß also, in Abhängigkeit des zu
lokalisierenden Winkels, einen Verlauf wie die Kurve in Bild 73 besitzen.

Nun zeigen zwar die Kurven in Bild 73 und Tabelle 6 (Diagramm 5 bis 8) einen voneinander grundsätzlich abweichenden Verlauf. Im vorliegenden Beispiel scheint die Kurve für a = 1m und a/y = 0,25 in Diagramm 5 und 6 [y somit wie verlangt = 4m) am nächsten zu kommen. Für diesen Fall ergibt sich der Abstand der beiden Mikrofone voneinander zu 2 a = 2m.

Soll in diesem Beispiel der Chor bei der Wiedergabe nicht die volle Breite des Lautsprecherabstandes, sondern 1/4 desselben einnehmen, so muß auch dem Wiedergabebereich von 0 bis 100% bei der Aufnahme ein Winkelbereich von 0 bis etwa 50° zugeordnet werden (Bild 85). In diesem Fall entspricht der in Bild 73 gezeigten Kurve noch die Kurve für a = 1/4m und q/y = 0,06
(Tabelle 6, Diagramm 5) am ehesten.

Daraus ergibt sich, daß der Abstand der Mikrofone voneinander auf 2a = 1/2m reduziert werden muß. Obwohl diesen Beispielen zunächst ein Chor zugrunde lag, so ist es völlig gleich, welcher Art die Schallquelle ist; die gleichen Überlegungen treffen also auch dann zu, wenn eine einzige Schallquelle im Abstand von y = 4m vor den Mikrofonen im angenommenen Winkelbereich in seitlicher Richtung hin und her wandert.

Mehrere Schallquellen in verschiedenen Abständen

Etwas schwieriger gestalten sich die Verhältnisse dann, wenn mehrere Schallquellen beliebiger Breitenausdehnung oder Bewegung mit seitlicher Komponente in verschiedenen Abständen von der Mikrofonbasis gleichzeitig vorkommen.

In diesem Fall sind die Abstände: Schallquellen - Mikrofonbasis, kurz: Schallquellenabstände, nicht mehr frei wählbar.

In Bild 86 ist das mit drei beweglichen Einzelschallquellen S1, S2 und S3 (Sänger) und einer Schallquelle größerer Ausdehnung S4 (Chor) dargestellt. Die genannten Abstände und der Schalleinfallswinkel sind dann allein dadurch bestimmt, in welcher seitlichen Ausdehnung zwei dieser Schallquellen bei der Wiedergabe zwischen den Lautsprechern erscheinen sollen.

Nehmen wir an, daß S1 und S4 die wichtigsten (oder wichtigeren) Schallquellen sind, und daß bei der Wiedergabe S1 von der Mitte bis zur Hälfte des Lautsprecherabstandes nach rechts wandern und S4 die gesamte Breite ausfüllen soll, dann ist der gesamte Winkelbereich y des einfallenden Schalles durch den in Bild 86 gezeichneten Sektor bestimmt. Seine Größe und die der Schallquellenabstände können dann leicht aus diesem Bild entnommen und mit Hilfe von Tabelle 6 (Diagramm 5 bis 8) der Abstand 2a der beiden Mikrofone voneinander gefunden werden.

Anders ist es beim Tonfilm

Während wir in den bisherigen Beispielen den scheinbaren Schallquellenort bei der Wiedergabe immer frei wählen konnten, ist dies beim Tonfilm nicht mehr der Fall. Hier ist dieser Ort durch das Bild festgelegt.

Das bedeutet praktisch, daß der Schalleinfallswinkel, unabhängig von der Ausdehnung oder Bewegung der im Bild erscheinenden Schallquelle, annähernd dem Bildwinkel gleichzusetzen ist. Genau genommen stimmt das deshalb nicht ganz, weil die Kurven für verschiedene Schallquellenabstände y bei ein und demselben Mikrofonabstand etwas auseinander laufen (Diagramm 5 bis 8 in Tabelle 6).

Zur Veranschaulichung dieser Zusammenhänge sind in Bild 87 zwei Schallquellen eingezeichnet. Der durch die Brennweite des Kameraobjektives bestimmte Bildwinkel möge dabei 2 • 12° betragen, so daß beide Schallquellen visuell die volle Bildbreite ausfüllen. Damit sie das auch akustisch bei der späteren Wiedergabe tun, müssen die ihnen zugeordneten Schalleinfallswinkel gleich 100% werden.

Bei einer zunächst angenommenen Entfernung der Schallquelle S1 von y1 = 0,5m und der Schallquelle S2 von y2 = 2m von der Mikrofonbasis ist das aber bei den Winkeln y1 = 20° und y2 = 14° der Fall. Zu jedem Winkel gehört eine neue Kurve, deren Verlauf mit der in Bild 73 dargestellten Kurve identisch ist, wobei einmal y1 = 20° entsprechend 100% und zum anderen y2 = 14° ^ 100% ist.

Die ursprünglich angenommenen Schallquellenabstände erweisen sich somit als zutreffend und der Abstand der beiden Mikrofone voneinander bestimmt sich zu 2a = 2 m. Stellen sich dagegen Diskrepanzen ein, so muß die ursprüngliche Annahme korrigiert und ein neuer Mikrofonabstand aus Diagramm 5 ermittelt werden.

Das vorliegende Beispiel wurde so gewählt, daß sich das letztere erübrigte. Der „Brennpunkt" des Schalleinfallswinkels kann also gegenüber dem des Bildwinkels weiter nach der Schallquelle zu verlegt werden, bis für beide Schallquellen die angegebenen Winkelbereiche und Schallquellenentfernungen zutreffen.

Über die Mikrofonabstände beim Film

Die Möglichkeit, die Mikrofone an die Schallquelle weiter heranzubringen, als es dem Standort der Kamera entspricht, ist meist aus Gründen des Geräuschspannungsabstandes erwünscht. Das ist jedoch nicht in allen Fällen so günstig wie im obigen Beispiel.

Bei kleineren (kurzen) Brennweiten und damit größerem Bildwinkel kann sich das sogar umkehren, das heißt, die Mikrofone müssen sich dann hinter der Kamera befinden. In solchen Fällen wird man zur Verbesserung des Geräuschspannungsabstandes mit gerichteten Mikrofonen, zum Beispiel der Mikrofonanordnung 2, arbeiten.

Außerdem wird sich bei kleinen Brennweiten das Objekt - die Schallquelle - meistens auch viel näher an der Kamera befinden als bei langen Brennweiten, so daß es praktisch zu keiner Verschlechterung des Geräuschspannungsabstandes kommt, sofern natürlich auch die Filmkamera genügend geräuschfrei (geblimpt) arbeitet.

Filmaufnahmen mit Zoomobjektiven

Als letztes wollen wir noch auf den Fall eingehen, daß sich während der Filmaufnahme die Brennweite des Objektives ändert, wie es bei den sogenannten „Gummilinsen" (Zoom-Objektiven) der Fall ist, oder die gesamte Kamera ihre Lage verändert, das heißt eine „Fahrt" macht oder geschwenkt wird.

Am einfachsten liegen die Verhältnisse beim Schwenken. Es müssen dann eben die Mikrofone im gleichen Maße mitgeschwenkt werden. Führt die Kamera dagegen eine Fahrt aus, so müssen auch die Mikrofone in gleicher Richtung mitgeführt werden. In welchem Maße das geschehen muß, hängt ganz von der Mikrofonanordnung ab. Zur Ermittlung müssen wieder die Diagramme 5 bis 8 herangezogen und aus den Änderungen des Schallquellenabstandes und des Schalleinfallswinkels muß der jeweilige Mikrofonort ermittelt werden. Da dies etwas kompliziert ist, genügt es für praktische Verhältnisse, wenn man die Mikrofone um den gleichen Betrag wie die Kamera verschiebt. Überlagert sich einer Kamerafahrt gleichzeitig noch ein Kameraschwenk, so müssen auch die Mikrofone diesen gleichlaufend mitmachen.

Bei einem Objektiv mit veränderlicher Brennweite muß dagegen der Abstand der beiden Mikrofone voneinander und nicht die Entfernung der Schallquelle verändert werden.

Ein Beispiel

Zur Demonstration dieses Vorganges greifen wir wieder auf unser letztes Beispiel zurück und nehmen an, daß durch die Brennweitenveränderung der Bildwinkel auf das Doppelte, also 2 • 24°, ansteigt (Bild 88). Das bedeutet, daß die Schallquellen bei der Wiedergabe nur noch etwa 50% ausfüllen dürfen.

Aus Tabelle 6, Diagramm 5, ergibt sich hierfür, daß die Mikrofone nicht nur enger zusammenrücken, sondern auch noch in die Ebene der Kamera verlegt werden müssen, weil die Kurven für y1 = 1m und y2 = 2,5m nicht nur zusammenfallen, sondern auch dem neuen Bildwinkel entsprechen. Der neue Mikrofonabstand ergibt sich dann mit etwa der Hälfte des ursprünglichen.

Mit der Änderung der Brennweite muß also eine etwa proportionale Veränderung des Abstandes der beiden Mikrofone voneinander einhergehen.

Anhand der vorstehenden Überlegungen und Beispiele kann für eine gewünschte stereofonische Wirkung bei der Wiedergabe auch die dazu notwendige Mikrofonanordnung bei der Aufnahme ermittelt werden. Nachfolgend soll noch auf eine aufnahmeseitig bedingte Verfälschung hingewiesen werden, die bisher stillschweigend vernachlässigt wurde.
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C. IV. 2. 2. 5. Störung der stereofonischen Aufnahme

In unseren bisherigen Überlegungen hatten wir stets nur das Intensitätsverhältnis, nicht aber die von beiden Mikrofonen aufgenommene Gesamtintensität betrachtet. Es zeigt sich nun aber, daß diese Gesamtintensität dann am größten ist, wenn sich die Schallquelle in mehr oder weniger großer Entfernung direkt vor einem der beiden Mikrofone befindet.

Rückt die Schallquelle dagegen in die Mitte der beiden Mikrofone, so nimmt die Gesamtintensität an den Mikrofonen und somit auch die an den Ohren des Zuhörers im Wiedergaberaum ab. Der Zuhörer hat dann den Eindruck, als ob eine von links nach rechts sich bewegende Schallquelle einen Bogen durch den Hintergrund beschreibt. Durch die Lautstärkeänderung kommt es zu einem Entfernungsempfinden.

Dabei muß dieser Effekt bei gerichteten Mikrofonen größer werden als bei Mikrofonen mit kugelförmiger Richtcharakteristik und mit  a/y muß er ebenfalls zunehmen. Eine Abhilfe dagegen ist nur durch die Verwendung mehrerer, über entsprechende Dämpfungsglieder parallel und in geeigneter Weise auf die beiden Kanäle geschalteter Mikrofone möglich, die sämtlich nebeneinander auf einer Linie angeordnet werden [109]. Da ein solcher Aufbau für praktische Fälle zu unhandlich ist, ist es günstiger, mit zwei Mikrofonen zu arbeiten und dafür ein möglichst kleines Verhältnis von a/y anzustreben.

C. IV. 2. 2. 6. Mikrofonanordnung bei der Intensitätsstereofonie

Beim Rundfunk und auch bei der Schallplatte ist es erforderlich, daß eine an sich stereofonisch übertragene oder auf der Schallplatte aufgezeichnete Darbietung auch mit nur einkanaligen Wiedergabeeinrichtungen eine qualitativ optimale Wiedergabe gestattet [150].

Die Mono-Kompatibilität bei UKW

Beim Rundfunk ist das leicht einzusehen, weil nach einer erfolgenden Umstellung der bisherigen einkanaligen Sendungen auf stereofonische Sendungen der weiterhin einkanalig empfangende Hörer nicht wesentlich benachteiligt werden darf.

und bei der Schallplatte

Aber auch bei der Schallplatte ist zu berücksichtigen, daß stereofonisch aufgenommene Platten einkanalig abgespielt werden (können müssten). Würde man bei den oben genannten Institutionen bei der Aufnahme stereofonischer Schallereignisse so verfahren, wie es im Abschnitt C. II. 2.4 beschrieben ist, so könnte von dem weiterhin einkanalig Abhörenden nur einer der beiden Kanäle gehört werden. Das muß aber wegen der in diesem Fall ungünstigeren Anordnung des betreffenden Mikrofons zur Schallquelle zu einer Qualitätsminderung des wiedergegebenen Schallereignisses führen.

Anforderungen an die Mono-Kompatibilität bei der Aufnahme

Diese Tatsache könnte zunächst dazu verleiten, die beiden Mikrofonpegel in überlagerter Form zu empfangen, beziehungsweise abzutasten. Wegen der Laufzeitunterschiede zwischen beiden Tonfrequenzspannungen bei bestimmten Frequenzen führt dies zu Auslöschungen, wodurch die Wiedergabe eine wesentliche Verschlechterung erfährt.

Die Realisierung der oben erhobenen Forderung ist deshalb nur möglich, wenn man bei der Aufnahme jeden Laufzeitunterschied peinlichst vermeidet und nur die Intensitätsunterschiede zur Erzeugung des Stereofonischen Eindrucks benutzt [151, 152].

Man ordnet also in diesem Fall die beiden Mikrofone unmittelbar dicht beieinander, besser sogar noch dicht übereinander an und bildet deren Richtcharakteristik so aus, daß sich der gewünschte Intensitätsunterschied einstellt [153]. Zwei derartige Mikrofonanordnungen hatten wir bereits in Tabelle 6, Mikrofonanordnung 3 und 4, kennengelernt, und wir hatten auch deren Schallpegeldifferenz in Abhängigkeit vom Schalleinfallswinkel ermittelt (Kurven für a/y = 0 in Diagramm 3 und 4).

Den Schalleinfallswinkel bestimmen

Daraus können wir entnehmen, daß der mit den beiden um 45° gedrehten Nieren erzielten Schallquellenausdehnung bei der Wiedergabe von 100% ein Schalleinfallswinkel bei der Aufnahme von etwa y = 45° entspricht. Bei den um 90° seitlich gedrehten Nieren beträgt dieser Winkel etwa 25°. Soll also die Ausdehnung der Schallquelle, zum Beispiel ein Orchester, bei der Wiedergabe den vollen Raum zwischen den beiden Lautsprechern einnehmen, so müssen die Mikrofone am Aufnahmeort so aufgestellt werden, daß den links und rechts außen befindlichen Orchestermitgliedern ein Schalleinfallswinkel von 45° beziehungsweise ein solcher von 25° am Doppelmikrofon zukommt. Daraus ergibt sich dann zwangsläufig der richtige Abstand der Schallquelle vom Mikrofon.

Zwei verschiedene Mikrofontypen nutzen

Es erscheint nun zweckmäßig, an dieser Stelle noch kurz auf die beiden dicht übereinander angeordneten Mikrofone einzugehen. Es ist nämlich keineswegs erforderlich, daß diese beiden Mikrofone eine nierenförmige Richtcharakteristik besitzen müssen. Man erhält die beiden Nieren praktisch genau so gut, wenn man bei der Aufnahme je ein Mikrofon mit kugel- und achtförmiger Richtcharakteristik verwendet (Bild 89 a).

Man braucht nur die von beiden Mikrofonen abgegebenen Tonfrequenzspannungen zu addieren bzw. zu subtrahieren. Bezeichnet man die vom Mikrofon mit kugelförmiger Richtcharakteristik abgegebene Tonfrequenzspannung mit M (Mitte) und die des Achtermikrofons mit S (Seite), so erhält man also einmal M + S und einmal M - S [151].

Das Verhältnis aus der Summen- zur Differenzspannung zeigt dann in Abhängigkeit vom Schalleinfallswinkel y einen Verlauf wie die von zwei um 180° voneinander abgewandten Nieren erzeugten Spannungen (Bild 79 d, Mikrofonanordnung 4). Auf die gleiche Weise sind auch noch weitere in Bild 89 gezeigte Mikrofonanordnungen einander identisch.

Die Summen- und Differenzspannung beider Mikrofone

Diese Identitäten sind deshalb von besonderer Wichtigkeit, weil man für den einkanalig empfangenden Hörer ein Mikrofon mit kugel- oder nieren-förmiger Richtcharakteristik benutzt, das somit das gesamte Schallfeld symmetrisch erfaßt, während für den Hörer mit stereofonischer Wiedergabeinrichtung die beiden Tonfrequenzpegel aus der Summen- und Differenzspannung beider Mikrofone - Kugel und Acht oder Niere und Acht - gewonnen werden.

Der Basisregler

Die Identitäten gestatten auch noch, den Schalleinfallswinkel nachträglich zu verkleinern. Man braucht zu diesem Zweck nur den Tonfrequenzpegel des Mikrofons mit achtförmiger Richtcharakteristik vor der Addition beziehungsweise Subtraktion mit Hilfe eines Reglers herabzusetzen. Wird der Pegel im Extremen auf Null herabgeregelt, so muß auch der Schalleinfallswinkel gleich Null werden. Das heißt, es liegt nur noch ein vom Kugel- beziehungsweise Nierenmikrofon aufgenommenes einkanaliges Schallereignis vor. Da mit diesem Regler gewissermaßen die bei der Wiedergabe in Erscheinung tretende Breite der Schallquelle verändert werden kann, bezeichnet man ihn auch als Basisregler.

Die nachträgliche Veränderung der Richtung

Bei der reinen Intensitätsstereofonie ist jedoch nicht nur eine nachträgliche Basisregelung möglich, sondern auch noch eine nachträgliche Veränderung der Richtung.

Es ist dann nur notwendig, den vom Kugelmikrofon abgegebenen Tonfrequenzpegel nochmals einem parallel geschalteten Übertrager zuzuführen, an dessen Sekundärwicklung ein Regler in der in Bild 90 gezeigten Weise angeschaltet ist [154, 155]. Am Ausgang des Reglers ergibt sich dann bei dessen Betätigung eine Amplitude, die von einem Maximalwert über Null, mit einem Phasenwechsel von 180°, wieder zu einem Maximalwert ansteigt. Einen solchen Verlauf zeigt aber auch eine von einem Achtermikrofon abgegebene Spannung dann, wenn sich die Schallquelle parallel zur 8 bewegt. Da wir nun bei der Intensitätsstereofonie bisher ein Achtermikrofon mit benutzten, kann dieses unter gewissen Voraussetzungen somit entfallen. Diese Voraussetzungen sind jedoch nur dann gegeben, wenn eine Einzel-Schallquelle geringer Ausdehnung vorliegt. Diese Schallquelle kann örtlich konstant angeordnet bleiben. Die Placierung erfolgt in diesem Fall erst nachträglich mit Hilfe des beschriebenen Richtungsreglers.

Intensitätsstereofonie mit zwei Mikrofonen

Da die genannten Voraussetzungen praktisch nur sehr selten erfüllt sein werden, wird man auch fast ausnahmslos bei der Intensitätsstereofonie zwei Mikrofone anwenden müssen.

Um trotzdem die Möglichkeit einer nachträglichen Richtungsgebung zu erhalten, wird eine Schaltung angewendet, wie sie Bild 91 zeigt.

Aus Bild 92 ist zu ersehen, in welcher Weise man die wahrnehmbare Ausdehnung und Lage einer Schallquelle, der ein nach Bild 91 geschaltetes Doppelmikrofon zugeordnet ist, nachträglich verändern kann.

Beispiel

Nehmen wir zum Beispiel an, daß es sich bei dem Doppelmikrofon um eine kugel- und eine achtförmige Richtcharakteristik handeln soll, der nach der Summen- und Differenzbildung der abgegebenen Spannungen zwei um 90° seitlich abgewandte Mikrofone mit nierenförmiger Richtcharakteristik identisch sind (Bild 89 a); deren gesamter Bereich des Schalleinfallwinkels soll bei einer Wiedergabe der Schallquelle in voller Ausdehnung der Lautsprecherbasis etwa 2 • 25° betragen (Tabelle 6, Diagramm 4, a Kurve: a/y = 0). Nehmen wir weiterhin an, daß die Schallquelle den maximalen Bereich von 2 • 25° nur zu 80% (20°) ausfüllt und daß zunächst die Basisregelung ungedämpft erfolgt und der Richtungsregler in Mittenstellung steht, so wird beim Abhören in der Symmetrieachse die Ausdehnung der übertragenen Schallquelle mit 80% der Lautsprecherbasis symmetrisch zu deren Mitte lokalisiert (Bild 92, Fall 1).

Wird nunmehr mit dem Basisregler die vom Achtermikrofon abgegebene Spannung auf 1/4 herabgesetzt, so verringert sich die wahrgenommene Schallquellenausdehnung auf 20% (Bild 92, Fall 2). Mit dem Richtungsregler kann dagegen die Lage der lokalisierten Schallquelle verschoben werden (Fall 3). Dabei ist zu beachten, daß bei einer entsprechenden Verschiebung über den maximalen Schalleinfallswinkel, hier 2 • 25°, hinaus die Schallquellenausdehnung abermals eingeengt wird (Fall 4), da der Schall nicht außerhalb der Lautsprecherbasis lokalisiert werden kann.

C. IV. 3. Vielkanalige stereofonische Übertragung

Verwendet man bei der Aufnahme mehr als zwei Mikrofone, so tritt - solange man zur Erzielung des stereofonischen Eindrucks noch die Summenlokalisierung heranzieht - eine Überbestimmung ein.

Das bedeutet, daß die Kanäle nicht wie bei der Zweikanalübertragung ein weitgehend beliebiges Intensitätsverhältnis aufweisen dürfen, sondern daß durch das Intensitätsverhältnis zweier dieser vielen Mikrofone die der anderen zwangsläufig mitbestimmt werden. War jedoch bereits bei der Zweikanalstereofonie die Ermittlung der günstigsten Mikrofonanordnung - einschließlich des Abstandes der beiden Mikrofone voneinander und deren Entfernung von der Schallquelle - recht kompliziert geworden, so muß sie das bei der vielkanaligen Stereofonie um so mehr sein.

Mit zunehmender Anzahl der Mikrofone nähert man sich wieder dem Idealfall der raumbezüglichen stereofonischen Übertragung (siehe Abschnitt C. I), der der Ausnutzung der Summenlokalisierung nicht mehr bedarf.

Um nun trotz dieser Verhältnisse die Anordnung mehrerer Mikrofone ebenfalls sinnvoll vornehmen zu können, muß man sich darauf beschränken, diese in einer Linie in gleichmäßigen Abständen anzuordnen. Bei der Ermittlung der die Mikrofonanordnung bestimmenden Abstände betrachtet man dann eben nur die beiden äußersten Mikrofone und geht genau wie bei der Zweikanalstereofonie vor.

Durch die größere Anzahl von Mikrofonen hat man aufnahmeseitig zumindest erreicht, daß die Verfälschung durch die nicht konstante Gesamtintensität (siehe Abschn. C. II 2.5) stark herabgesetzt wird.

Jede Menge Schallstrahler erforderlich

Bei der Wiedergabe eines vielkanalig aufgenommenen Schallereignisses bedient man sich zweckmäßigerweise einer gleich großen Anzahl voneinander unabhängiger Strahlergruppen. Der Abstand derselben voneinander ist genau wie bei den Mikrofonen zu wählen.

In Bild 93 ist die Lautsprecheranordnung des einfachsten Falles einer vielkanaligen Übertragung, nämlich eines dreikanaligen Systems, anhand von zwei Beispielen, und zwar mit Lautsprecherabständen von 4m und 8m, dargestellt und gleichzeitig der Bereich eingezeichnet, in dem eine Kompensation der verfälschenden Laufzeitunterschiede durch äquivalente Schallpegeldifferenzen möglich ist. Vergleichen wir dieses Bild mit Bild 78, so stellen wir einen erheblichen Größengewinn dieses Bereiches fest.

Nach diesen Überlegungen dürfte der Hauptvorteil der Vielkanalstereofonie gegenüber der Zweikanalstereofonie, bei einer geringfügigen Erhöhung der Anzahl der Kanäle, zumindest auf der Wiedergabeseite liegen, indem der Bereich, in dem die Verfälschungen noch tragbar sind, vergrößert wird. Bei einer weiteren Erhöhung der Kanalzahl ist man dann zunehmend unabhängig von der Summenlokalisierung und es erfolgt der Übergang zur idealen raumbezüglichen stereofonischen Übertragung.

C. IV. 4. Ambiofonie

Bei der Stereofonie, wie wir sie bisher kennengelernt haben, wird lediglich der Klangkörper selbst - z. B. die einzelnen Instrumente eines Orchesters - möglichst naturgetreu wiedergegeben.

Die ambiofone Übertragung [276, 277, 278, 279] hingegen vermittelt dem Zuhörer einen zusätzlichen Eindruck der akustischen Atmophäre, die ihm das Gefühl des räumlichen unmittelbaren Dabeiseins gibt.

Um die energiereiche Rauminformation zu gewinnen, wird zusätzlich zu der Aufstellung der Stereomikrofone im Direktschallbereich des Orchesters ein weiteres Mikrofonpaar (Bild 94) im rückwärtigen Teil des Konzertsaales angeordnet. Auf diese Weise werden die zahlreichen Hallkomponenten des weitgehend indirekten Schallfeldes mit erfaßt. Der Hallanteil Sr wird den Stereokanälen gegenphasig zugemischt. Bei der Wiedergabe werden diese Hallanteile durch ein Subtraktionsnetzwerk zurückgewonnen und durch Zusatzlautsprecher in die hinteren Kanten des Raumes diffus eingestrahlt, um den Hörer auf diesem Umwege mehrfach zu erreichen.

Der Nachhall bestimmt die räumliche Wahrnehmung

Die räumliche Wahrnehmung eines Schallereignisses wird in hohem Maße durch den Nachhall bestimmt, der sich aus einer Vielzahl von Reflexionen an den Begrenzungsflächen des Aufnahmeraumes zusammensetzt und den Hörer auch von allen Seiten erreicht (siehe Abschnitt A. III. 2).

Die Richtungsbestimmung einzelner Schallquellen folgt auch noch dem Gesetz der ersten Wellenfront (Haas-Effekt) [280]. Danach empfindet unser Gehör diejenigen Schallquellen einzeln, von denen die Schallwellen zuerst eintreffen. Dies gilt allerdings nur für Zeitunterschiede innerhalb der Einschwingzeit des Ohres und bei geringen Unterschieden der Intensität.

C. IV. 5. Die (analoge) Quadrofonie von 1972

Unabhängig davon ob zwei oder mehrere Übertragungskanäle verwendet werden, so lokalisieren wir eine oder mehrere Schallquellen meist im Bereich der Verbindungslinie der Wiedergabelautsprecher.

Verwendet man ein vier-kanaliges Übertragungssystem und stellt dabei in jeder der vier Ecken des Wiedergaberaumes je einen Lautsprecher auf, so kann man beim Zuhörer den Eindruck vermitteln, daß der Schall aus allen vier Richtungen zu kommen scheint. In einem solchen Falle wird der Zuhörer mitten in den Ablauf des Geschehnisses hineinversetzt.

Bei der Quadrofonie erreicht man dies durch Übertragung des Direktschalls aus jeder der vier Richtungen (Bild 95a), wofür im einfachsten Falle vier getrennte Übertragungs- und Schallaufzeichnungskanäle verwendet werden.

Das Hafler-(Quadro-) Verfahren

Die weite Verbreitung der Zweikanaltechnik zwingt jedoch zu Überlegungen, die Vierkanalinformation über zwei tonfrequente Kanäle zu leiten. Beim Hafler-Verfahren (Bild 95b) werden die Zusatzkanäle „vorn" (F) und „rückwärts" (B) über ein Netzwerk den normalen Stereokanälen zugemischt. Kanal 1 enthält das Signal L + F + B, Kanal 2 das Signal R 4- F - B. Bei einer Lautsprecheraufstellung nach Bild 95c erhält der Frontlautsprecher das Summensignal, der rückwärtige Lautsprecher das Differenzsignal. Ist jeweils nur ein Signal vorhanden, gilt folgende Beziehung:

Tabelle

Um vier Vorzugsrichtungen in einem System mit zwei Vorzugsrichtungen unterzubringen, hat Scheiber eine Transformation der Koordinaten durchgeführt [281]. Die horizontale Originalebene Z mit den Mikrofonen M 1 bis M 4 wird dabei in die Halbebene W überführt (Bild 95d). Jeder Zeiger der Halbebene kann in seine Komponenten U und V eines kartesischen Koordinatensystems zerlegt werden.

Nach den ursprünglichen Mikrofonrichtungen werden die Winkel alpha k fest gewählt. Die Codierung der vier Signale von M 1 bis M 4 erfolgt in einem aktiven Netzwerk.

Im Wiedergabekanal 2 wird aber das Signal der ursprünglich diametral befindlichen Schallquelle M 3 unterdrückt. Die Aufstellung der Lautsprecher entspricht dabei Bild 95a. Das System erfordert für den Decodiervorgang vier Rechenverstärker und zur Wiedergabe vier getrennte Lautsprecherverstärker.

Anmerkung :

Hier wurde nur ein analoges Quadro-Kodierverfahren beschrieben, auf die mathematisch technischen Details haben wir gezielt verzichtet, denn es gab insgesamt 7 oder gar 9 verschiedene Quadro-Verfahren, die am Ende alle nicht erfolgreich waren und um 1976 eingestellt wurden.

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