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"Sound Recording and Reproduction" von 1980
Ein Vorwort

von Gert Redlich im März 2015 - Hier kommen 12 lange zusammenhängende Artikel - publiziert vom Professor, Chef der Firma BOSE über deren Forschungen zur Psychoakustik und der Weg zur Entwicklung der BOSE 901.

Der Stand der Information ist vermutlich 1974 bis 1982, denn die analoge Quadro-Zeit war bereits zuende und von der digitalen Audio-CD ist noch keine Rede (die wurde aber etwa ab 1979/1980 ganz langsam publiziert) und die neuen Personal-Computer werden nur ganz am Schluß im Teil 11 theoretisch leicht angeschnitten.

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Sound Recording and Reproduction (Teil 1)

Einführung

Kein Baustein einer HiFi-Anlage kennt so viele Varianten wie der Lautsprecher. Jahr für Jahr werden neue Modelle entwickelt. Jahr für Jahr verbesserte Varianten angeboten.

Das ist verständlich. Denn kein Baustein wirft auch so viele Probleme auf wie das letzte und nach wie vor wichtigste Glied der HiFi-Kette. Als BOSE 1956 mit seinen Forschungen begann, glaubte man in der HiFi-Industrie - und damit auch bei uns - einen hohen Wissensstand zu besitzen - Ein Trugschluß. 1960 mußten wir erkennen, daß wir quasi wieder am Anfang standen. Die vorherrschenden Meinungen beruhten auf falschen Voraussetzungen.

Heute, nach Jahrzehnten intensiver Gmndlagenforschung (wir glauben, sie wird nirgends so intensiv betrieben wie bei BÖSE), kennen wir nicht einmal die Hälfte dessen, was bei der Aufnahme und bei der Wiedergabe musikalischer Ereignisse eine Rolle spielt.

Ober die Erkenntnisse unserer Forschung, über die Auswirkungen auf die Konzeption von Lautsprechern und Aufnahmetechniken, informieren wir in diesem Sonderdruck.

Sound Recording and Reproduction (Teil 2)

In der schalltoten Kammer.

Als wir 1956 mit unserer Grundlagenforschung begannen, war der gleichmässige Frequenzverlauf eines Lautsprechers ein wichtiges Kriterium für seine Wiedergabequalität. Gemessen wurde dieser Frequenzgang in der schalltoten Kammer.

Die Messung lief folgendermassen ab:
Frontal zur Lautsprecherachse stellt man ein Messmikrophon auf. Dann wird der Lautsprecher über den zu messenden Frequenzgang mit Sinussignalen gleicher Amplitude gespeist.

Die vom Lautsprecher ausgehenden Schallwellen werden vom Mikrophon wieder in analoge elektrische Wellen umgewandelt und mit einem Oszillograph oder einem Schreiber aufgezeichnet. Sind die Schalldrücke des Lautsprechers über den gemessenen Frequenzbereich annähernd gleich, spricht man von einem flachen, gleichmässigen Frequenzverlauf.

Und je geringer die Unterschiede im Schalldruck, umso besser, so die damals vorherrschende Meinung, die Wiedergabequalität. Um dem Käufer die bessere Wiedergabequahtät des Lautsprechers zu demonstrieren, legte man die zugehörige Frequenzkurve bei.

Total unterschiedliche Frequenzkurven

Bei unseren Messungen, die wir nach den damals üblichen, international standardisierten Messmethoden in der schalltoten Kammer nachvollzogen, stimmten unsere Messwerte jedoch nie mit der beiliegenden Frequenzkurve überein. Abweichungen von 20 bis 25dB (das 10-fache und mehr) waren nicht gerade selten.

Wir setzten uns mit den Lautsprecherherstellem in Verbindung, um sie auf die Unterschiede hinzuweisen. Ihre lapidare Antwort: unsere Messmethode sei falsch (dabei benutzten wir die gleiche wie sie).

Weitere Kommentare wurden nicht gegeben, obwohl wir noch mehrere Male versuchten, eine befriedigende Antwort zu bekommen. Da begriffen wir, in welch einer prekären Lage sich die Lautsprecherindustrie befand: sie druckten nicht die tatsächlich gemessene Kurve sondern eine andere.

Abb. 1
Abb. 2

Resultat : eigene Versuche

So beschlossen wir, selbst einen Lautsprecher zu konstruieren, dessen Frequenzgang in der schalltoten Kammer flach war. Doch schon bald fragten wir uns, ob diese Zielsetzung nicht überhaupt falsch wäre.

Denn was geschieht, wenn wir einen Lautsprecher nicht in der schalltoten Kammer sondern unter realen Bedingungen messen? Dort, wo wir auch hören - im Wohnraum ?

Betrachten wir einmal die Abstrahlcharakteristik eines konventionellen Lautsprechers. Wir sehen, daß im tiefen Frequenzbereich die Schallwellen rundherum fast mit dem gleichen Schalldruck abgestrahlt werden.

Ganz anders jedoch im Hochtonbereich. Bereits bei einer Abweichung von 60° zur Längsachse beträgt der Schalldruck bei 15 kHZ nur noch 4% (!) gegenüber dem Schalldruck frontal der Längsachse. Nach hinten wird so gut wie keine Hochtonenergie abgestrahlt. (Siehe Abb. 1).

Was geschieht nun, wenn wir den Lautsprecher nicht in eine schalltote Kammer mit keinerlei Reflexionen sondern in den Wohnraum mit seinen vielen Reflexionsflächen stellen ?

Um das herauszufinden, stellten wir zunächst in der schalltoten Kammer eine Wand hinter dem Lautsprecher auf. Die Abstrahlcharakteristik Abb. 2 im hohen Frequenzbereich änderte sich kaum.

Aber welch ein Unterschied bei den Bässen. Durch die Reflexion an der Wand wurde der Schalldruck verdoppelt! Den gleichen Effekt erzielten wir, als wir die Wand unter dem Lautsprecher plazierten. Bauten wir den Lautsprecher in einer Eckwand auf, wurde der Schalldruck sogar vervierfacht, weil die Basswellen von 2 Flächen reflektiert wurden. (Abb. 2).
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Für den Wohnraum ganz ohne Belang

Fazit: Selbst wenn der Frequenzverlauf eines Lautsprechers in der schalltoten Kammer auf der Lautsprecherachse völlig linear ist, so ist dies für den Wohnraum ganz ohne Belang. Im Wohnraum kann der flache Verlauf unter keinen Umständen erreicht werden.

Unsere Versuche mit einer Wand können Sie in Ihrem Wohnraum selbst nachprüfen. Stellen Sie zunächst Ihren Lautsprecher in ein Regal oder hängen ihn an der Wand auf. Anschliessend stellen Sie ihn vor einer Wand auf den Fußboden. Und zuletzt in eine Ecke Ihres Wohnraumes. Jedesmal erhöht sich die Intensität der Basswiedergabe und das gesamte Klangbild verändert sich.

(Was geschieht, wenn man den Frequenzverlauf eines Lautsprechers nicht im schalltoten Raum sondern im Wohnraum misst ? Kommen wir der Problemlösung näher oder treten andere Schwierigkeiten auf?)

Sound Recording and Reproduction (Teil 3)

Schall und Raum.

Unsere Versuche in der schalltoten Kammer haben gezeigt, daß es völlig sinnlos ist, einen Lautsprecher zu konstruieren, dessen Frequenzverlauf in der schalltoten Kammer flach verläuft. Unser nächster Gedanke war deshalb, den Frequenzverlauf im Wohnraum zu messen.

Jeder Raum hat aber Resonanzen, die den Schall bei den Reflexionen über Wände, Decke und Fußboden verstärken. Die Zahl der Resonanzen - wir nennen sie „Normalfrequenzen" - ist enorm. In einem rechteckigem Raum von 6m Länge, 4,5m Breite und 2,7m Höhe sind es allein über 50 Millionen im hörbaren Frequenzbereich. Da diese Normalfrequenzen wie enge Bandfilter wirken, wird der Schall in Bandbereichen verstärkt oder geschwächt.

Die Schalldruckänderungen betragen bis zu 30dB. Mißt man also die Frequenzkurve eines Lautsprechers an zwei verschiedenen Stellen im Wohnraum, so weisen beide Kurven viele Unterschiede auf. Es ist unmöglich zu erkennen, welche Unterschiede auf den Raum zurückzuführen sind oder welche vom Lautsprecher verursacht werden. Dieser Weg führt folglich nicht weiter.
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3 theoretische Gedankenspiele:

Um Ihnen einen besseren Einblick in die Gesamtproblematik zu geben, denken wir uns einmal 3 abstrakte Felder :

Feld 1: HiFi-Bausteine - Feld 2: Physikalische Messungen - Feld 3: Wahrnehmung

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  • Das Feld 1 stellt das Feld der HiFi-Bausteine dar. Punkt 1 sei ein bestimmter Lautsprecher, Punkt 2 ein anderer Lautsprecher, Punkt 3 ein Plattenspieler.

  • Das Feld 2 ist das Feld der physikalischen Messungen, die wir an den einzelnen Bausteinen durchführen können. Jeder Punkt in diesem Feld ist eine ganz bestimmte physikalische Messung. Zum Beispiel: Frequenzverlauf, Abstrahlcharakteristik, Klirrfaktor usw.

  • Das Feld 3 ist das Feld unserer Wahrnehmung. Wenn wir das gleiche Musik- oder Sprachsignal mit verschiedenen HiFi-Bausteinen reproduzieren, werden sie hörbar unterschiedlich klingen. Die Punkte im Feld 3 stellen diese hörbar verschiedenen Klangbilder dar.

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Messung der Abstrahlcharakteristik

Nehmen wir jetzt einen Lautsprecher im Feld 1 und messen seine Abstrahlcharakteristik.

Diese Messung kennzeichnen wir durch eine Linie vom Feld 1 zum Feld 2. Was sagt diese Messung aber über die Wahrnehmung aus? Nichts! Denn wir können aus ihr keine eindeutige Beziehung ableiten. Also keinen eindeutigen Punkt im Feld der Wahrnehmung zuordnen.
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Um es genau zu sagen: unsere heutigen Meßmethoden sind ungeeignet, relevante Aussagen über die Wahrnehmung zu machen.

Bleiben wir bei der Wahrnehmung. Denken wir uns einen abstrakten Raum, in dem die verschiedenen Punkte unterschiedliche Klangspektren darstellen. Punkt L sei das Klangbild, das wir in einem Konzertsaal hören. Wir schneiden das Konzert mit und spielen das Band über drei verschiedene Musikanlagen ab. Jede Anlage wird anders klingen. Daher ergeben sich drei Punkte Sl, S2 und S3.

Und nun die entscheidende Frage:

Welche Wiedergabe, S1 oder S2 oder S3 kommt der Live-Darbietung am nächsten ?
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Es gibt keine Antwort

Wir können diese Frage nicht beantworten. Bei unseren Experimenten mit Musikern hat sich klar gezeigt, daß sie zwar die drei Klangbilder unterscheiden konnten. Keiner konnte jedoch sagen, welche Wiedergabe der Live-Darbietung am nächsten kommt.

„Sie könnten mich auch fragen", so der Kommentar eines Musikers, „ob ein Pfirsich oder eine Grapefrucht eher wie eine Zitrone aussieht. Der Pfirsich hat mehr die Größe der Zitrone, die Grapefrucht gleicht ihr mehr im Aussehen" usw. ...

So der damalige Stand unserer Entwicklungen. Wir hatten erkannt, daß die vorherrschenden Meßmethoden falsch waren, daß wir andere entwickeln mußten.

Aber wo sollten wir ansetzen?

Sound Recording and Reproduction (Teil 4)

Differenz-Experimente.

Wissenskurve über Kenntnisse bei Lautsprecherkonzeptionen seit 1956

Nach 3 Jahren Forschung hatte unser Wissen den Tiefstand erreicht. Wir hatten viele fundamentale Probleme erkannt und verstanden, was an den existierenden Lautsprecher-Konstruktionsmethoden falsch war, konnten aber keinen konstruktiven Weg aufzeigen. Es fehlte nicht viel
und wir hätten das Forschungsprogramm aufgegeben.

In der Tat sieht es für einen Wissenschaftler, der in den mathematischen Disziplinen zuhause ist und sich auf ein Gebiet begibt, auf dem alles nicht mehr greifbar zu sein scheint, so aus, als ob die probleme nicht in den Griff zu kriegen sind.

Andererseits wollten wir uns aber nicht durch das Problem hindurchwursteln, indem wir Leute nach ihrer Meinung fragten, um ein System zu konzipieren, das einer oder mehreren Personen gefallen hätte.

Wir wollten wissen, ob es wissenschaftlich lösbar war. Zwar konnten wir nicht den besten Lautsprecher herausfinden. Aber konnten wir nicht konstruktive Elemente eines Lautsprechers bestimmen, die entscheidend dazu beitragen würden, Musik "exakter" zu reproduzieren?

Erfolgversprechende Suche

Die Suche auf diesem Weg erwies sich als sehr fruchtbar. - Wenn man die sich stellenden Fragen auf ein vernünftiges Maß begrenzt, erhalten wir in der Tat viele brauchbare Informationen über verschiedene Konstruktionsparameter und ihre Beziehungen zur Wahrnehmung.

Und wie wir gleich sehen werden, können wir sogar die Grenzen zur Optimierung verschiedener Konstruktionsparameter festlegen, Grenzen, worüberhinaus es keine hörbaren Wahrnehmungsunterschiede mehr gibt.

Der Schlüssel zu diesen wertvollen Erkenntnissen ist ein Grundkonzept von psychoakustischen Testmethoden, die wir als Differenz-Experimente bezeichnen.
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Die Differenz-Experimente

Bei diesen Experimenten werden einem Hörer zwei aufeinanderfolgende Musiksignale vorgespielt, die sich nur in dem zu untersuchenden Parameter unterscheiden. Dabei sollen die Testpersonen nur angeben, ob sie überhaupt irgendeinen hörbaren Unterschied zwischen beiden Musiksignalen erkennen.

Die Untersuchungen umfassen eine ganze Testreihe. Das erste Musiksignal bleibt über den ganzen Testverlauf gleich. Das zweite Signal dagegen wird variiert. Mal stimmt es mit dem Signal 1 überein, mal wird der zu untersuchende Parameter geändert. So läßt sich leicht feststellen, in welchem Bereich Parameteränderungen hörbar sind oder nicht.

Nehmen wir einen sehr einfachen Fall und sehen, was wir daraus lernen können.

Ein HiFi-System mit 1 MHz Bandbreite

Nehmen wir an, all unser Wissen über den Prozess menschlichen Hörens sei plötzlich ausgelöscht. In diesem Fall könnten wir uns willkürlich entscheiden, ein HiFi-System mit einem Frequenzbereich bis zu 1 MHz zu entwickeln. Wie können wir feststellen, daß dies nicht notwendig ist, denn ein solches HiFi-System dürfte recht teuer werden ?

Die Lösung ist einfach.

Zunächst spielen wir unserem Hörer ein Musiksignal mit einer Bandbreite von 1 MHz vor. Dann spielen wir ihm das gleiche Signal nochmals vor, schneiden die Frequenzen jedoch an einer bestimmten Stelle ab. Liegt der Schnittpunkt/die Grenzfrequenz bei 5kHz, dann wird unsere Testperson sofort erkennen, daß sich das zweite Musiksignal vom ersten unterscheidet. Natürlich muß unser Musikbeispiel Instrumente enthalten, deren Tonlagen in höhere Frequenzen hineinreichen.

Legen wir den Schnittpunkt/die Grenzfrequenz aber bei 20 kHz und benutzen dazu einen sehr steilen Filter, zeigt sich schnell, daß die Testperson keinen Unterschied zwischen dem Signal 1 mit einer Bandbreite von 1 MHz und dem Signal 2 mit einer Bandbreite von 20kHz wahrnehmen wird.

In der gleichen Weise können wir weitere sehr wertvolle und manchmal sehr überraschende Informationen über andere Parameter gewinnen. In allen Experimenten ist jedoch streng darauf zu achten, daß nur der Parameter geändert wird, den man untersuchen will.

Das mag selbstverständlich klingen. Aber die Entwicklungsgeschichte beweist, die Ursache vieler Fehlschlüsse lag darin, daß man mehrere Parameter änderte, aber Schlüsse auf einen einzigen zog.

Das Konzept der Differenz-Experimente läßt sich sogar auf viel schwierigere Situationen anwenden, um aussagekräftige Informationen zu erhalten.

Sound Recording and Reproduction (Teil 5)

Die ideal pulsierende Sphäre (Obefläche).

Die ideal pulsierende Sphäre ist ein theoretischer Begriff in der Akustik. Man versteht darunter eine perfekt schwingende Oberfläche, die von Resonanzen, Verzerrungen oder anderen Unregelmäßigkeiten vollkommen frei ist. Die von ihr abgestrahlte Schallwelle ist ein exaktes Ebenbild der eingespeisten elektrischen Welle.

In Fachkreisen herrschte Einmütigkeit, daß kein Lautsprechersystem in der Lage ist, Musik so rein wie die ideale Sphäre zu reproduzieren. Unsere bisherigen Forschungsergebnisse ließen uns jedoch vermuten, daß diese weitverbreitete Ansicht ein Irrtum sein könnte. Wir waren der Ansicht, daß man mit einer Reihe kleiner Breitbandsysteme auf einer kugelförmigen Oberfläche durchaus Musik so wiedergeben kann, daß sie von der Abstrahlung einer idealen Sphäre nicht zu unterscheiden ist. Doch wie konnten wir es beweisen? Eine ideal pulsierende Sphäre kann man nicht konstruieren.

4 Jahre Forschung

Das war der Gegenstand unserer Forschungen in den nächsten 4 Jahren. Ein Differenz-Experiment war der Schlüssel zur Lösung des Problems. Mit Hilfe eines vom M.I.T. entwickelten Hochgeschwindigkeits- Digital-Computers erhielten wir Aufnahmen von Schall, den die ideale Sphäre in einem Raum produzieren würde. Diese Aufnahmen wurden dann in dem Vergleichstest mit unserer Lautsprecherkonstruktion verwendet.

Zum besseren Verständnis ein paar kurze Sätze über die Grundidee des Computereinsatzes. Bei sehr hohen Schalldrücken folgt die Schallausbreitung im Raum - mathematisch betrachtet - linearen Gesetzen. Der Verlauf linearer Systeme läßt sich jedoch relativ einfach berechnen. Es genügt, den Verlauf bei einem extrem kurzen und scharfen Impuls zu kennen.

Dann kann man den Verlauf des Systems bei jedem Eingangssignal berechnen. Wir brauchten also nur eine Schallquelle zu konstruieren, die den gleichen Impuls produzieren kann wie die ideal pulsierende Sphäre.

Abb. 1

Eine Schallquelle - die Funkenentladung

Nach Versuchen mit vielen Schallquellen fanden wir endlich heraus, daß die elektrische Funkenentladung alle notwendigen experimentellen Voraussetzungen erfüllt. Wir lösten also eine Funkenentladung in unserem Raum aus (Abb. 1) und nahmen das akustische Ergebnis über ein Mikrofon auf Band auf.

Nach entsprechender Vorbehandlung wurden die aufgenommenen Signale in unserem Computer gespeichert. Somit besaßen wir die notwendigen Informationen für das kommende Differenz-Experiment.

Denn das gespeicherte Signal enthielt alle Einflüsse, die zwischen Funkenentladung und Mikrofon auftreten.

Unser Experiment mit dem Computer

In den so programmierten TX-2 Computer wurden nun Musik- und Sprachsignale eingegeben und entsprechend umgeformt. Aus dem Computer wurde somit eine Art HiFi-System. Er produzierte Tonbänder, die mit Aufnahmen identisch waren, die man mit einem Mikrofon von Musik- und Sprachsignalen aufgezeichnet hätte, wenn sie über eine ideal pulsierende Sphäre in dem gleichen Raum wiedergegeben worden wären.

Im Differenz-Experiment wurden den Testpersonen über Kopfhörer zwei Bänder vorgespielt. Das Tonband A des Computers und das Tonband B; also die Aufnahme der Musik-und Sprachsignale, die von unserer Lautsprecherkonstruktion in den Raum abgestrahlt wurden (Abb. 2).

Das Resultat: Keine der Testpersonen konnte zwischen der Darbietung über unseren Lautsprecher und der computersimulierten Darbietung über die ideal pulsierende Sphäre unterscheiden.

Zwei fundamentale Erkenntnisse

Zwei fundamentale Erkenntnisse folgten aus diesem Experiment:

  • 1. Eine Anordnung von Breitbandsystemen ist in der Lage, Musik so zu reproduzieren, daß die Darbietung nicht von der Reproduktion über die ideal pulsierende Sphäre zu unterscheiden ist (Das Forschen nach anderen elektroakustischen Wandlern und anderen Materialien ist also sinnlos, weil hörbar keine besseren Ergebnisse möglich sind).
  • 2. Die Unregelmäßigkeiten einer solchen Anordnung von Breitbandsystemen (Klirrfaktor, Unregelmäßigkeiten im Frequenzverlauf usw.) lassen sich zwar meßtechnisch erfassen, sind aber unhörbar. Dieses neu gewonnene Wissen löste bei uns verständlicherweise Begeisterung aus. Schließlich hatten wir wissenschaftlich bewiesen, daß die Meinung der Fachwelt ein Irrtum war.


Aber beim Hören der ersten stereophonischen Wiedergabe wurden wir durch ein völlig unerwartetes Ergebnis schockiert: Die höheren Tonlagen von Violinensembles und Blasinstrumenten klangen immer noch schrill. Es mußte also weitere Dimensionen in Konzeption und Meßmethodik geben, die wir noch nicht entdeckt hatten.

Sound Recording and Reproduction (Teil 6)

Binaurale Aufnahmen.

Zunächst hatte es nach unserem Differenz-Experiment mit der ideal pulsierenden Sphäre und unserer Lautsprecherkonstruktion BOSE 2201 den Anschein, als wären wir keinen Schritt weitergekommen.

Denn unser Lautsprecher besaß bei stereophoner Wiedergabe die gleichen unerwünschten Eigenschaften wie andere Boxen.

In Wirklichkeit waren wir aber viel weiter als zu Beginn unserer Forschungen im Jahre 1954. Weil Frequenzverlauf, Einschwingverhalten und Abstrahlcharakteristik unseres Lautsprechers hörbar nicht von der ideal pulsierenden Sphäre unterscheidbar waren, mußte es noch andere Parameter geben, die wir bislang nicht berücksichtigt hatten.

Mit der Suche nach diesen Parametern begannen wir 1965. Als erstes beschäftigten wir uns mit einer Methode zur Klangaufnahme und Klangwiedergabe, die anerkanntermassen für die exakteste gehalten wird: die binaurale Methode.
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Die binaurale Methode

Binaurale Aufnahmen erfolgen mit Hilfe zweier Mikrophone. Sie werden in die Ohren eines Kunstkopfes eingesetzt, der während einer Live-Darbietung im Zuhörerraum aufgestellt wird. Die von den beiden Mikrophonen im linken und rechten Ohr des Kunstkopfes aufgenommenen Signale werden dann über Kopfhörer analog auf das linke bzw. rechte Ohr eines Hörers überspielt. Also ein Versuch, die vom Kunstkopf aufgenommenen Signale in den Ohren des Hörers zu duplizieren.

  • • Wer jemals binaurale Aufnahmen gehört hat, weiß, daß sie in manchen Punkten der Klangqualität selbst bester Lautsprechersysteme überlegen sind. Mit einer wesentlichen Einschränkung - und das ist die wichtigste: Bei binauralen Aufnahmen ändern sich die Signale nicht beim Bewegen des Kopfes, wie dies in einer Live-Darbietung geschieht.
  • • Das ist der Grund, warum bei binauralen Aufnahmen die Schallquelle im Kopf zu sitzen scheint und nicht außerhalb.

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Der Kunstkopf

Unser erstes wichtiges binaurales Experiment führten wir auf dem Tanglewood Musik Festival in Zusammenarbeit mit dem Bostoner Symphonie Orchester durch (Abb. 1).

Der Kunstkopf wurde in der Mitte der fünften Reihe aufgestellt. Bei der Wiedergabe der 2-spurigen Aufnahme über Kopfhörer erkannten wir sofort, daß die binaurale Reproduktion frei von jenem grellen, scharfen Klang war, der für herkömmliche Lautsprecher charakteristisch ist.

• Das aussagekräftigste Resultat erhielten wir bei der Addition des linken und rechten Signals zu einem Monosignal. Spielten wir das monaurale Signal über Kopfhörer ab, war sofort der grelle, scharfe Klang wieder da. Für dieses Experiment stellten sich viele Musiker und Dirigenten zur Verfügung.

• Das Ergebnis war stets das Gleiche. Ein Gast-Dirigent warf beim Umschalten auf das monaurale Signal den Kopfhörer weg und sagte "Was haben Sie denn gemacht ? Alle Übel meiner HiFi-Anlage sind wieder da."

Bei diesem A/B Vergleich wurden die konventionellen Parameter (Frequenzgang, Einschwingverhalten usw.) nicht verändert. Das monaurale Signal wurde durch eine einfache Addition beider binauraler Kanäle erzeugt. Genau diese Art von Experiment war notwendig. Ein Experiment, in dem die Grundparameter früherer Untersuchungen unverändert blieben, aber neue Parameter geändert wurden.

Wir wußten zwar noch nicht, wie es funktionierte. Aber zum ersten Mal konnten wir den scharfen, schrillen Klang unterdrücken, ohne das charakteristische Klangbild der aufgenommenen Musik zu verlieren.

Interpretation der Ergebnisse

Versuchen wir, die Ergebnisse unserer Untersuchungen zu interpretieren.

Bei einer Live-Darbietung werden die von den Instrumenten abgestrahlten Schallwellen von allen Oberflächen im Konzertsaal reflektiert. Sie treffen folglich aus allen Richtungen auf das Gehör des Zuhörers. Betrachten wir uns eine Schallwelle, die den Kopf aus irgendeiner Richtung erreicht. Abgesehen von dem Fall, in dem sich die Schallquelle exakt vor oder hinter unserem Zuhörer befindet, erreicht jede Schallwelle das eine Ohr früher als das andere. Denn die Weglängen sind unterschiedlich. Zum zweiten ist das Signalspektrum der Schallwelle am linken und rechten Ohr verschieden. So werden hohe Frequenzen z.B. schwächer, weil sie um den Kopf gebrochen werden. Es gibt also sowohl zeitliche als auch spektrale Unterschiede zwischen den Signalen an beiden Ohren.

Bei binauralen Aufnahmen messen wir den Schalldruck auf der Ohrmuschelfläche beider Ohren. Also die Summe aller ankommenden Schallwellen. Über die Kopfhörer versuchen wir diesen Schalldruck am gleichen Ohr wieder zu reproduzieren.

Eine Umschaltung auf Mono

Beim Addieren des linken und rechten Signals empfängt der Hörer jedoch auf beiden Ohren das gleiche Signal. Die zeitlichen und spektralen Unterschiede werden aufgehoben. Genau das läßt sich auch ohne Kopfhörer erreichen. Man stellt einen Lautsprecher sehr nahe vor den Kopf des Hörers und richtet den Schall direkt auf sein Gesicht.

• Es zwingt sich deshalb die Frage auf, ob die Schrille und Schärfe eines Lautsprecherklangbildes vom Einfallswinkel der Schallwellen auf den Kopf abhängig sind. In diesem Fall muß der auf den Hörer gebündelte Schall die Ursache für diesen unnatürlichen Effekt sein.

Erforschung der räumlichen Aspekte

Vom Ergebnis der binauralen Experimente ausgehend, legten wir den neuen Schwerpunkt unserer Forschungen auf die räumlichen Aspekte der auf den Hörer einfallenden Schallwellen. Wir wollten feststellen, welchen Einfluß auf die Wahrnehmung die Änderung des Einfallswinkels hat.

Eines der folgenden Experimente führten wir mit 5 direkt abstrahlenden Lautsprechern durch, die um den Hörer gruppiert wurden (Abb. 2). Zunächst schalteten wir nur den Lautsprecher direkt vor dem Gesicht der Testperson ein. Dann alle fünf. Das Frequenzspektrum aller fünf Lautsprecher war so justiert, daß es in Position des Hörers mit dem Einzellautsprecher identisch war.

Wir stellten fest, daß sich der unerwünscht scharfe, grelle Klang bedeutend verringerte, wenn alle Lautsprecher gleichzeitig eingeschaltet wurden.

Das Fazit dieser Experimente:
Offenbar schien es sehr wichtig, die Schallwellen aus vielen verschiedenen Einfallswinkeln zum Kopf des Hörers zu leiten. Also genau das Gegenteil bisheriger Praktiken im Lautsprecherbau.

Sound Recording and Reproduction (Teil 7)

Direkte und nachhallende Schallfelder.

Durch die Ergebnisse zahlreicher, räumlicher Untersuchungen im Konzertsaal bestärkt, nahmen wir das nächste Projekt in Angriff:

Die Analyse des auf den einzelnen Hörer einfallenden Schallfeldes.

Zweckdienlich teilt man bei akustischen Forschungen in der Architektur den Schall in zwei Komponenten auf: direkter Schall und nachhallender Schall.

Direkter Schall ist die Komponente, die den Hörer unmittelbar erreicht. Also der Schall, der auf direktem, geradem Wege vom Musikinstrument zu den Ohren gelangt.

Nachhallender Schall dagegen wird einmal oder mehrfach von Flächen oder Gegenständen im Konzertsaal reflektiert, bevor er den Hörer erreicht.

Nach dieser allgemein üblichen Definition ist leicht verständlich, daß die Summe beider Komponenten aus direktem und nachhallendem Schall das gesamte Schallfeld ergeben.

Versuch mit einer omni-direktionale Schallquelle

Stellen wir uns zum besseren Verständnis eine omni-direktionale Schallquelle auf der Bühne vor. Wie unsere Grafik eindeutig zeigt, stehen Schalldruck und Abstand von der Schallquelle im umgekehrt proportionalen Verhältnis.

Je kürzer der Abstand von der Quelle, umso stärker nimmt der Schalldruck zu. Das ist die gleiche Situation wie im Freien, wo so gut wie keine Reflexionen auftreten und ein Hörer nur den direkten Schall wahrnimmt.

Ganz unterschiedlich verhält sich jedoch der Schalldruck des nachhallenden Feldes. Mit Ausnahme der Eigenresonanzen in einer Konzerthalle ist das nachhallende Feld nahezu gleich und nicht abhängig von der Position im Auditorium.

Verblüffende Ergebnisse

Die beiden Kurven verraten einige sehr interessante Aspekte des totalen Schallfeldes und seiner beiden Komponenten. Bei einer bestimmten Distanz von der Schallguelle (Punkt D) sind die Schalldrücke des direkten und nachhallenden Feldes gleich groß.

Bei Entfernungen kleiner als D dominiert das direkte Feld und sein Schalldruck steigt rapide, je mehr wir uns der Schallguelle nähern.

Bei Entfernungen größer als D dagegen dominiert das nachhallende Feld. In diesem Bereich ist das gesamte Schallfeld so gut wie unabhängig von der Distanz zur Schallguelle.

Die Konsequenzen aus diesem Kurvenverlauf haben Sie beim Radiohören selbst schon zuhause erlebt. Wenn Sie sehr nah vor dem Lautsprecher standen (innerhalb 30cm Abstand), klingt das Radio sehr laut. Die Lautstärke nimmt beim Entfernen ab. Doch sobald Sie mehr als 2 Meter entfernt sind, bleibt die Lautstärke ziemlich konstant, unabhängig wie groß Ihr Wohnraum ist.

Der Schalldruck ist bei großen Entfernungen

Auch die räumliche Charakteristik des Schallfeldes in den Regionen vor und nach dem Punkt D sind sehr unterschiedlich. Wo das direkte Feld überwiegt, wandert der Schall logischerweise nur aus einer Richtung zu unserem Gehör - nämlich aus Richtung der Schallquelle, in der anderen Region jedoch erreicht uns der Schall aus vielen Richtungen, weil sich das nachhallende Feld aus Schallwellen zusammensetzt, die von allen Oberflächen und Gegenständen im Konzertsaal ausgehen. Der Schalldruck ist bei großen Entfernungen für alle Einfallswinkel nahezu gleich groß.

Einschließlich des Einfallswinkels der direkten Schallwellen, denn die Größe des direkten Feldes ist sehr klein verglichen mit dem gesamten nachhallenden Feld.

Das jeweilige Frequenzspektrum

Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen beiden Regionen ist das jeweilige Frequenzspektrum. In Nähe der Schallwelle - also die Region, in der der direkte Schall dominiert - stimmt das Spektrum mit den Schallwellen überein, die von der Schallquelle entlang der Achse zum Messpunkt ausgehen.

Im nachhallenden Feld jedoch wird das Frequenzspektrum von der gesamten akustischen Energie bestimmt, welche die Schallquelle in alle Richtungen abstrahlt. Denn der Erreger des nachhallenden Feldes ist die Gesamtenergie. Interessant ist nun die Frage, in welcher Region wir uns in einem Konzertsaal befinden.

Einfluß der Raumgröße

Bei einer gegebenen Schallquelle wird die Größe des nachhallenden Feldes einmal von der Raumgröße und zum anderen von den akustischen Eigenschaften des Materials im Raum bestimmt.

Mit wachsender Raumgröße und wachsender Absorption der Wände und Gegenstände nimmt die Größe des nachhallenden Feldes ab.

Somit wird auch die Distanz zur Schallquelle, an der beide Felder gleich groß sind, länger. Bei omni-direktionalen Schallquellen differiert diese Distanz von ca. 1 Meter in kleinen Räumen bis zu einer Entfernung von rund 6 Meter in der Boston Symphony Hall.

Bei direkt abstrahlenden Schallquellen ist die Entfernung größer und hängt vom Grad der Richtwirkung ab.

Wo die meisten Konzertbesucher wirklich siitzen

Es leuchtet also ein, daß fast alle Zuhörer in einer Konzerthalle in dem Feld bzw. in der Region sitzen, in der das nachhallende Feld dominiert. Für den auf den Hörer im Auditorium einfallenden Schall gelten folglich die räumlichen und spektralen Aspekte des nachhallenden Feldes.

Die physikalischen Eigenschaften dieses Feldes scheinen auf den ersten Blick unseren Wahrnehmungsfähigkeiten zu widersprechen.

Denn die Tatsache, daß das nachhallende Feld mit seinen aus vielen Winkeln einfallenden Schallwellen gleicher Intensität überwiegt, müßte unsere Fähigkeit, die Position der Instrumente zu lokalisieren, ausschließen. Ja, es dürfte uns nicht einmal möglich sein, die Richtung der Bühne zu bestimmen.

Natürlich ist dies nicht der Fall. Ein Instrument sendet kontinuierlich neue akustische Signale aus. Jedes Signal erreicht zunächst unsere Ohren auf dem kürzesten, direkten Wege. Einen Bruchteil von tausendstel Sekunden später hören wir das Signal als reflektierte Wellen im nachhallenden Feld noch einmal.

Es ist erwiesen, daß wir mit der direkten Welle - also dem direkten Feld - die Plazierung der Schallguelle orten. Selbst wenn der Schalldruck weit geringer ist als der des nachhallenden Feldes.

Das nachhallende Feld spielt eine sehr wichtige Rolle bei der Wahrnehmung des musikalischen Timbres. Da dieses Feld dominiert, bestimmt es die Relation zwischen den Grund- und Obertönen eines Instruments und somit auch das Klangbild. Auch die Einfallswinkel und die zeitlichen Aspekte beeinflussen stark diese Fähigkeit der Wahrnehmung. Auch diese Kriterien werden mehr von den nachhallenden Feldern bestimmt.

Sound Recording and Reproduction (Teil 8)

Der entscheidende Schritt.

Unsere Untersuchungen mit binauralen Aufnahmen hatten bewiesen, daß der scharfe, schrille Klang der Lautsprecher auf die direkte Abstrahlung des Schalls zum Hörer zurückzuführen war.

Die folgenden Experimente im Konzertsaal zeigten dann auch eindeutig, daß bei einer Originalaufführung der Schall aus vielen verschiedenen Einfallswinkeln gleichmäßig zum Kopf des Zuhörers gelangt.

Unsere Absicht mußte es also sein, einen Lautsprecher zu entwickeln, der nur einen kleinen Teil der Schallenergie direkt auf den Hörer abstrahlt. Der überwiegende Teil dagegen sollte die Wände des Hörraumes quasi "abgrasen". Wir wollten eine Schallverteilung im Wohnraum erreichen, vergleichbar der im Auditorium.
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Energieverteilung des BOSE 901

Beim Experimentieren mit diesem Konzept erzielten wir ausgezeichnete Resultate bei ca. 10% direkter und ca. 90% indirekter Abstrahlung, wobei die indirekte Schallenergie in einem Winkel von 30° gegen die Rückwand gerichtet wurde.

In die Praxis umgesetzt sah das so aus: 1 Lautsprechersystem wurde auf der Frontseite des Gehäuses plaziert. Auf den 30° abgewinkelten beiden Flächen der Rückseite wurden je 4 Einzelsysteme montiert.

Die Wand hinter dem Lautsprecher übernahm also die Aufgabe der Bühnenrückwand im Konzertsaal.

Fassen wir nun an dieser Stelle alle Forschungsergebnisse zusammen.
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Grundlagen des Konzeptes der BOSE 901

Damit wird zugleich das Konzept unseres Lautsprechers formuliert.
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  • 1. Die Vielzahl von Breitbandsystemen.
    Aus dem Experiment mit der Funkenentladung haben wir gelernt, daß Verzerrungen, Resonanzen oder andere Unregelmäßigkeiten im Frequenzverlauf beseitigt, d. h. unhörbar werden, wenn man mehrere, akustisch gekoppelte Breitbandsysteme verwendet.

  • 2. Direkter und reflektierter Schall.
    Unsere Studien der räumlichen Charakteristik eines Schallfeldes haben bewiesen, daß wir einen Lautsprecher entwickeln müssen, der den Hörer quasi in das dominierende, nachhallende Feld versetzt. Das ist durch eine bestimmte Verteilung des direkten und reflektierten Schalls zu erreichen.

  • 3. Gleichmäßige Energieverteilung
    Wir haben weiter festgestellt, daß das Frequenzspektrum des nachhallenden Feldes von dem Spektrum der gesamten abgestrahlten Schallenergie der Schallquelle oder des Lautsprechers bestimmt wird.
    Wenn wir also erreichen wollen, daß die Ausgewogenheit des Frequenzspektrums im Hörraum mit der einer Livedarbietung im Auditorium übereinstimmt, dann muß der Lautsprecher nach dem Kriterium der gleichmäßigen Schallenergieverteilung konzipiert werden, aber nicht nach dem Kriterium flacher Frequenzgang längs der Achse.

  • 4. Equalisation. (Entzerrung)
    Das Kriterium gleichmäßige Energieverteilung wird von konventionellen Lautsprechern nicht erfüllt, weil man am überkommenen Konstruktionsmodell des "geradlinigen Frequenzganges" festhält.


Durch exaktes Equalisieren lassen sich indes die Frequenzen des elektrischen Eingangssignals am Lautsprecher so abgleichen, daß die in akustische Signale umgewandelte Energie weitgehend dem Kriterium der gleichmäßigen Verteilung (also eine geradlinige Energieverteilung über den gesamten hörbaren Frequenzbereich) entsprechen. Als elektronisches Hilfsmittel bedient man sich dabei am besten sog. aktiver Frequenzregelnetzwerke.


Ein Grundproblem: der Klangraum

Alle diese wichtigen Forschungsergebnisse hatten wir in der Konzeption unseres Lautsprechers einbezogen.

Trotzdem blieb ein Grundproblem: der Klangraum (s. HiFi-Stereophonie, März 1976: Schall und Raum).

Es gibt keine objektiven Meßmethoden, ihn zu erfassen. Folglich auch keinen objektiven Weg, der uns sagen kann, ob ein Lautsprecherkonzept einem anderen überlegen ist oder nicht. Ganz abgesehen davon, welches System das Optimum überhaupt ist.

Fest stand nur eines: Basierend auf unseren akustischen und psychoakustischen Forschungen mußte jedes der 4 Konzepte in dem neuen Lautsprecher ein Schritt zu einer wirklichkeitsnäheren Musikwiedergabe sein. Wir besaßen aber keine objektiven Mittel, um vorauszusagen, ob diese Schritte klein oder von eminenter Bedeutung waren in Hinblick auf die hörbare Wahrnehmung.
Dies Urteil würde letztlich die Öffentlichkeit fällen.

Im Jahre 1968 begannen wir mit der Fabrikation unseres Lautsprechers. Das Echo war enorm. Das Konzept seitdem unbestritten.
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Sound Recording and Reproduction (Teil 9)

Die Zukunft der Musikwiedergabe (Teil 1)

Können wir in Zukunft bessere Systeme zur Wiedergabe von Musik erwarten?

Die Antwort ist selbstverständlich „Ja". Denn es ist ein ungeschriebenes Gesetz, daß weitere Forschungen neue Erkenntnisse an den Tag bringen, die zu entscheidenden Verbesserungen führen werden. Allerdings können die Wege in ganz andere Richtungen gehen, als wir heute annehmen.

Auf Grund dessen, was bisher getan wurde und was noch zu tun ist, ergeben sich 3 Problemgruppen.

  • 1. Spektrale Probleme
    Darunter fallen die Themen Frequenzverlauf, Verzerrungen und Einschwingverhalten.

  • 2. Räumliche Probleme
    Sie schließen die Verteilung der Schalleinfallswinkel auf den Zuhörer ein. Dieses Thema ist nicht zu verwechseln mit der Ortung von Instrumenten, die mit der Aussteuerung der Stereokanäle im Aufnahmeprozeß zusammenhängt. Unter räumlichen Problemen sind geometrische Faktoren zu verstehen, die sich auf die Lautsprecher, den Hörraum und den Hörer beziehen.

  • 3. Zeitliche Probleme
    Hierunter fällt z. B. die Charakteristik der Umgebung, die es ermöglicht, die Akustik einer großen Halle von der eines kleinen Raumes zu unterscheiden.

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1. Spektrale Probleme

Betrachten wir zunächst die erste Problemgruppe. Bei der Musikwiedergabe haben wir die spektralen Probleme bereits gelöst. Das Differenzexpenment mit der ideal pulsierenden Sphäre hat bewiesen, daß mittels gekoppelter Breitbandsysteme und durch Equalisieren die dann noch vorhandenen Verfärbungen unter der Schwelle des Hörbaren liegen. Verbesserungen wird es nur in der Produktion geben, bei der verfeinerte Methoden zu engeren Toleranzen führen werden.
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2. Räumliche Probleme

Entscheidende Verbesserungen sind sicher auf dem Gebiet der räumlichen Probleme möglich. Immerhin haben wir bereits recht gute Ergebnisse erzielt, um den Klang eines großen Orchesters mittels zweier Lautsprecher im Wohnraum zu reproduzieren. Doch erwarten wir keine großen Verbesserungen hinsichtlich der räumlichen Wiedergabequalität eines Systems des Typs, wie es im Laufe unserer Forschungen entwickelt wurde (BOSE 901).
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Vielleicht ließen sich durch eine übergroße Abstrahloberfläche, welche die gesamte vordere Wohnraumwand bedeckt und auf die seitlichen Wände übergreift, erstaunliche Ergebnisse erzielen - eine äußerst unpraktische Lösung.

Praktischer hingegen wäre ein zweites Lautsprecherpaar, das in einem Winkel von 30° bis 45° vor dem Hörer aufgestellt wird (siehe Abbildung). Dadurch erzielt man eine durchaus befriedigende Steigerung in der räumlichen Wiedergabe.

3. Die zeitlichen Probleme

Die größten Möglichkeiten eröffnen sich in der dritten Problemgruppe: die zeitlichen Probleme. Sie entziehen sich dem Einfluß des Lautsprecher Konstrukteurs.

Zum besseren Verständnis der zeitlichen Parameter denken wir uns folgendes Experiment. Stellen Sie sich vor, Sie werden mit verbundenen Augen in eine Konzerthalle und dann in einen kleinen Raum geführt. In beiden Räumen sollen Sie sprechen, oder sich ein Musikinstrument anhören. Dann sollen Sie beurteilen, ob Sie sich in dem Konzertsaal oder in dem kleinen Raum aufhalten. Sie werden mit Bestimmtheit richtig antworten.

Über die äußerst difizile Wahrnehmung der Ohren

Gelegentlich wird behauptet, daß die Unterscheidung auf Grund verschiedener Nachhallzeiten möglich ist. Obwohl Sie die Zeitunterschiede wahrnehmen, ist dies nicht der dominierende Faktor. Beispielsweise werden Sie in einem gekachelten Bad von ca. 4,5 bis 6m Länge mit Sicherheit sagen, Sie stünden in einem kleinen Raum. Und das trotz der erwiesenen Tatsache, daß solche Räume oft wesentlich längere Nachhallzelten haben als Konzertsäle.

Heute wissen wir, daß die Zeitspanne zwischen einzelnen Schallreflexionen der dominierende Parameter ist, um die Größe eines Raumes zu bestimmen. Die ist im Konzertsaal weit größer als im Wohnraum.

Hier ergibt sich ein äußerst wichtiger Aspekt für die Wiedergabeanlage, die der Livedarbietung nahe kommen soll. Der gesamte, abgestrahlte Schall „springt" im Wohnraum herum und wird vielfach reflektiert. Die Zeitspannen zwischen den einzelnen Reflexionen betragen je nach Raumgröße 7 bis 12 Millisekunden.

Also nur ein Bruchteil der Zeitspannen im Konzertsaal. Es ist daher unmöglich, mit einem Lautsprecher die gleichen Zeitintervalle zu erzeugen, die den Eindruck einer Originalaufführung im Konzertsaal ausmachen.

Wie läßt sich das Problem vielleicht lösen? Nach unseren bisherigen Forschungsergebnissen zu urteilen, müßten zusätzliche Übertragungskanäle eingeführt werden. Als mißlungenen Versuch in dieser Richtung muß man heute die (analoge 4-Kanal) Quadrophonie bezeichnen.

Sound Recording and Reproduction (Teil 10)

Die Zukunft der Musikwiedergabe (Teil 2)

Der typische Klangeindruck einer Konzertsaalaufführung hängt wesentlich von der Zeitspanne zwischen den einzelnen Reflexionen ab. Im Wohnraum sind die Zeitintervalle geringer und nicht zu verwirklichen.

Der Konzertsaal im Wohnzimmer - eine beliebte Formulierung der Werbung - ist und bleibt Utopie. Zu einem geringen Grade lassen sich Nachhallvorgänge in die Aufnahme einspiegeln. Der gewünschte Effekt ist jedoch sehr begrenzt.
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Aus folgenden Gründen:

Der nachhallende Schall wird zusammen mit dem Ursprungssignal von dem Lautsprecher ausgestrahlt. Beide Signale „springen" gleichzeitig im Wohnraum umher. Das Resultat: Beide Signale neigen dazu, an Definition zu verlieren.

Zum anderen können durch diese Aufnahmetechnik unerwünschte Effekte auftreten. Und zwar bereits lange vor dem Zeitpunkt, bei dem hinzugefügte Hallanteile die Größenordnung des Halls im Konzertsaal erreichen.

Schauen wir 10 Jahre nach vorne

Zweifellos werden die nächsten 5 bis 10 Jahre große Fortschritte bringen. Den Konzertsaaleindruck im Wohnraum wird man besser simulieren können. Es scheint, daß zusätzliche Lautsprecher weiter hinten im Wohnraum der Lösung am nächsten kommen. Nur müßten ihnen ganz bestimmte Signale eingegeben werden. So würde der Hörer einen Eindruck bekommen, was von Bühnenrückwand und Seitenwänden des Konzertsaals ausgeht.

Selbstverständlich müssen sich diese Signale von den Stereosignalen der vorderen Kanäle unterscheiden. Zudem ist für jeden Lautsprecher ein getrennter Kanal erforderlich.

Daraus folgert jedoch nicht, daß die Signale für die Zusatzkanäle aus Aufnahmen im hinteren Teil des Konzertsaals stammen. Solchen Aufnahmen würde bei der Wiedergabe der Nachhall des Wohnraums hinzugefügt.

Ein unerwünschtes Resultat.

Nach unseren bisherigen Forschungen zu urteilen, müßten die Signale für weitere Kanäle aus der Stereoaufzeichnung abgeleitet werden. Stereoaufnahmen selbst sollten, wie heute vielfach praktiziert, nahe am Orchester erfolgen.

Nach einer entsprechenden Umformung (Computer Processing) könnte bei der Wiedergabe über zusätzliche Lautsprecher im Wohnraum etwas vom Konzertsaaleindruck reproduziert werden.

Noch sind wir nicht ganz sicher. Auf Grund der Forschungsergebnisse sind die Aussichten jedoch gut.

Die Zukunft der integrierten Schaltkreise

Allerdings nicht mit den heutigen Techniken. Der Geräteaufwand für eine mehrkanalige Musikanlage wäre zu aufwendig. Die schnelle Entwicklung integrierter Schaltkreise könnte in einigen Jahren zu Geräten führen, deren Größe und Preis mit den heutigen Receivern vergleichbar wären.

Über die Quadrophonie

Ein System mit zusätzlichen Kanälen ist kommerziell unter dem Namen Quadrophonie bekannt. Während das Grundprinzip ausgezeichnete Zukunftsaussichten hat, lassen die jetzigen Systeme viel zu wünschen übrig.

Insbesondere die Matrixverfahren, bei denen 4 Kanäle zunächst in 2 Kanäle verschachtelt und im Verstärker wieder getrennt werden (Pseudoquadrophonie, wobei aus 2 normalen Stereo-Kanälen künstlich 4 Kanäle werden, ist ohnehin indiskutabel).

Das Problem der Matrixmethoden, 4 Kanäle in 2 Kanäle zu pressen, ohne die Bandbreite und Dynamik zu vergrößern, ist den Problemen der Fernsehtechnik vor 25 Jahren analog.

Damals stand man vor der Aufgabe, die zusätzlichen Informationen für Farbfernsehen in den Bandbreiten des Schwarz/Weiß-Fernsehens unterzubringen

Allerdings hat die Femsehindustrie einen wesentlich größeren Forschungsaufwand mit wirklich kompetenten Wissenschaftlern betrieben

Nicht so die HiFi-Industrie.

Mit Sicherheit kann man deshalb sagen, daß keine der Matrixmethoden technologisch fundiert ist und dem Stand heutiger Entwicklungsmöglichkeiten entsprechen. Ein Schulbeispiel dafür, wie gefährlich es ist, wenn Marketingabteilungen erlaubt wird, etwas auf den Markt zu werfen, was noch im ersten Forschungsstadium ist. Die Bauchlandung der Industrie beim Verbraucher kam nicht von ungefähr. (Stand 1976)

Sound Recording and Reproduction (Teil 11)

Die Zukunft der Musikaufnahme. (Teil 1)

Der Blick auf zukünftige Entwicklungen von HiFi-Anlagen verlangt auch eine kritische Betrachtung der Aufnahmetechniken. Aufnahme und Wiedergabe lassen sich nicht voneinander trennen.

Bei der Aufnahme von Musik dominieren zwei Problemkreise:

  • 1. Welche Grenzen werden durch die technischen Einrichtungen gesetzt?
  • 2. Welche Grenzen sind durch die Akustik des Aufnahmeraums gegeben?


Bei den technischen Einrichtungen ist der Dynamikumfang das Kernproblem, weil der störende Geräuschpegel mit aufgenommen wird. Das zeigt sich besonders bei sehr leisen Musikpassagen. Schon das kleinste hörbare Zischen auf einer Aufnahme schmälert merklich die Wiedergabequalität.

Bei Forschungsexperimenten treten diese Probleme weniger auf. Einmal werden nur wenige Kopien vom Mutterband gezogen - im Gegensatz zu kommerziellen Aufnahmen. Zum anderen kann man vor der Aufnahme spezielle Messungen durchführen, um das Experiment nicht zu gefährden. Solche Musikaufnahmen sind nahezu geräuschfrei.
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Experimentelle und kommerzielle Aufnahmen

Der Vergleich zwischen experimentellen und kommerziellen Aufnahmen ist deshalb verblüffend. Selbst bei kommerziellen Aufnahmen mit sehr geringem Geräuschpegel ist der Effekt auf den Hörer größer als erwartet.

In den letzten Jahren wurden aber große Fortschritte erzielt. Die Qualität magnetischer Aufzeichnungsverfahren hat sich durch bessere Magnetbänder enorm gesteigert. Zudem wurden wirkungsvolle Systeme zur Reduzierung des Grundrauschens entwickelt. Bald ist es möglich, völlig geräuschlose Aufnahmen zu produzieren.

Die Aufnahme eines Violinsolos

Wesentlich schwieriger sind dagegen die Probleme auf dem akustischen Gebiet. Sie verlangen noch viel grundlegende Forschungsarbeit.

Schneiden wir hier nur ein typisches Problem an: die Aufnahme eines Violinsolos. Wie bei vielen Instrumenten wird die polare Abstrahlcharakteristik sehr komplex, wenn die Wellenlänge der Töne klein in Relation zur Größe des Instrumentes wird.

Abbildung 1 zeigt das Polardiagramm des 660 Hz Grundtons der E-Seite und Abbildung 2 die 9. Harmonische von 6.000 Hz.

Erinnern wir uns: Das Frequenzspektrum des nachhallenden Schallfeldes im Konzertsaal wird hauptsächlich durch das Frequenzspektrum des gesamten Schallfeldes bestimmt. Nur zu einem ganz geringen Bruchteil von der direkten Komponente auf Achse. Um die gesamte abgestrahlte Schallenergie der 9. Harmonischen zu erfassen, müßten folglich für viele Ebenen je ein Polardiagramm erstellt werden. Erst dann hätten wir eine sphärische Oberfläche mit der Violine im Zentrum. Und auch das nur für eine einzige Frequenz (!).

Doch auch in einer einzigen Ebene sind die Probleme schon groß genug. Wenn wir unser Aufnahmemikrofon nahe an der Violine aufstellen, so, daß es überwiegend direkten Schall aufzeichnet, dann variiert der Schalldruck leicht bis zu 20dB und mehr. Je nach dem Aufnahmewinkel. Bei 90° messen wir rund 30dB. Bei 70° dagegen knapp 10dB. Bei anderen Frequenzen wiederum ist die Situation völlig anders. Für 660 Hz spielt der Winkel kaum eine Rolle. Für 70° und 90° ist der Schalldruck so gut wie gleich.

Sound Recording and Reproduction (Teil 12)

Die Zukunft der Musikaufnahme. (Teil 2)

Fazit:
Es gibt keinen bestimmten Winkel für die Mikrofonplazierung, der für alle Frequenzen Signale aufzeichnet, die den Signalen des gesamten abgestrahlten Schalls entsprechen.

Oder mit anderen Worten: Steht das Mikrofon hauptsächlich im direkten Schallfeld, dann kann es nicht das ausgeglichene Frequenzspektrum des nachhallenden Schallfeldes aufnehmen. Gerade das nachhallende Feld im Live-Konzert bestimmt aber in erster Linie den Höreindruck.

Nun gut. Stellen wir das Mikrofon eben weiter entfernt im nachhallenden Schallfeld auf. Leider läßt sich das Problem so einfach auch nicht lösen.

Die Aufnahme im nachhallenden Feld enthält alle Einflüsse durch die sogenannten Normalfrequenzen - also die Resonanzen des Aufnahmeraums. Werden sie im Hörraum (und das ist in der Regel der Wohnraum) reproduziert, so überlagern sich selbstverständlich dessen Normalfrequenzen. Das „Resultat" wären Klänge wie aus einem Topf, die nun wirklich nicht erwünscht sind.

Also - wie soll er's machen ?

Eine fatale Zwickmühle für den Toningenieur. Stellt er sein Mikrofon in das direkte Schallfeld, dann nimmt er einen Frequenzverlauf auf, der von der Mikrofonposition bestimmt wird, jedoch nicht das ausgeglichene Spektrum des nachhallenden Feldes. Stellt er sein Mikrofon in das nachhallende Feld, dann zeichnet er zwar dessen Spektrum auf, hat aber Probleme mit den Normalfrequenzen.

Es ist recht interessant zu erfahren, daß viele Toningenieure (ohne sich der Problematik bewußt zu sein) genormte Richtmikrofone an einer Stelle plazieren, an der die Pegel des direkten und indirekten Schallfeldes nahezu gleich sind. Auf diese Weise wird das aufgenommene Spektrum bis zu einem gewissen Grad vom Spektrum des nachhallenden Feldes beeinflußt, ohne daß allzu große Probleme bei der Wiedergabe durch die Normalfrequenzen entstehen. Der beste Kompromiß zwischen zwei schlechten Alternativen.

Wir von BOSE streben eine andere Lösung an:

Aufnahmen, die das Spektrum der gesamten abgestrahlten Schallenergie enthalten, aber nicht von den Normalfrequenzen des Aufnahmeraums beeinflußt sind!

Noch untersuchen wir die Möglichkeiten, akustische Umgebungen zu entwerfen, die in diese Richtung führen. Es würde uns nicht überraschen, daß Aufnahmen zukünftig in recht eigenwillig gestalteten Räumen stattfinden werden. Räume, die als „akustische Linsen" fungieren und den abgestrahlten Schall bündeln. Die Aufnahmen müßten anschließend in einen Computer gegeben werden, der die Signale so aufbereitet, daß bei der Reproduktion im Wohnraum viel von der Akustik großer Konzerthallen wiederersteht.

Wie wir die Zukunft sehen:

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  • 1. Der Stand der Technik bei den einzelnen HiFi-Bausteinen ist heute so hoch, daß große Verbesserungen mit Ausnahme des Dynamikumfangs kaum zu erwarten sind. Die Kriterien für die Entwicklung sind lediglich Zuverlässigkeit, Größe, Gewicht und Herstellungskosten.
  • 2. Wir erwarten gewaltige Verbesserungen hinsichtlich der Gesamtheit der Systeme. Allerdings nicht durch die Entwicklung einzelner Bausteine, sondern durch neue Systemkonstruktionen. Und zwar solche, die alles umfassen, von der Aufnahme bis zur Wiedergabe. Wir denken weiter an bestimmte Signalprozeßtechniken, die in Verbindung mit vorhandenen Geräten oder modifizierten Versionen in der gesamten Kette die Signale so beeinflussen, daß wirklich herausragende „Super-HiFi-Systeme entstehen.

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„Des Kaisers neue Kleider"

Genau diesen Weg ging die Elektronik-Industrie. Es wurden zunächst eigenständige Schaltkreiselemente entwickelt und in neuen Schaltkreisen zusammengesetzt. Und heute werden sie zu kompletten Schaltungsblöcken kombiniert, um Hochleistungssysteme für alle technischen Bereiche zu haben. Angefangen von der Prozeßsteuerung bis zu Leitsystemen für Raumfahrzeuge. Auch für die HiFi-Industrie ist diese Zeit jetzt endlich gekommen.

Die Wege dieser Industrie waren und sind zum Teil noch immer sehr verworren. Man lese „Des Kaisers neue Kleider" von Christian Andersen und ersetze jedesmal das Wort „Kleider" durch „HiFi". Das Resultat ist ein charakteristisches Bild vieler Entwicklungs- und Bewertungsklimmzüge in der HiFi-Industrie. Aber - kein gutes.

Doch vielleicht sind wir heute an einem Wendepunkt und gehen den Weg ernsthafter und zwangsläufig erfolgreicher Forschung.

Der Lohn werden HiFi-Systeme sein, die vielen Menschen ein Musikverständnis geben, was heute noch unvorstellbar ist.

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