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stereoplay Kompendium 1988 - "Grundlagen der HiFi-Technik"
Es müsste aber "Grundlagen der Akustik" heißen.

von Gert Redlich im Januar 2014 - Unter der Chefredaktion von Karl Breh wurden ab 1984 bis etwa 1988 in jede Ausgabe der stereoplay so ziemlich in der Mitte blaue Seiten mit Grundlagen-Wissen eingeklebt. Diese Seiten wurde später nach Abschluß der ganzen Artikel in einem Kompendium zusammengefaßt. Nach meiner Meinung sind diese Artikel hier nicht Hifi spezifisch sondern allgemeine akustische Grundlagen. Einige Artikel verlangen volle Aufmerksamkeit und gezieltes "Verstehen Wollen" für diese hochkomplexe Materie. Die einzelnen Verfasser haben sich dennoch bemüht, immer wieder mit plausiblen Beispielen nachzuhelfen. Der Inhalt des Kompendiums steht hier.

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Grundlagen der HiFi-Technik X (10)
Über das Hören III

Zielsetzung der High Fidelity ist die vollendete Wiedergabe von auf Tonträgern aufgezeichneter Musik in der Privatsphäre des Menschen. Dabei darf das musikalische Werk nicht nur nichts von seiner Substanz einbüßen, es sollen vielmehr auch seine subtilsten klanglichen Reize voll zur Entfaltung gelangen. Dies läßt sich nur unter Berücksichtigung der in den Folgen I und II in stereoplay 9 und 10/1984 beschriebenen Eigenschaften des menschlichen Gehörs verwirklichen.

Künstliche Obertöne verändern die Klangfarben

In allen an der Übertragungskette von der Originalaufführung bis zur Wiedergabe im Wohnraum beteiligten Komponenten können künstliche Obertöne entstehen, die im Originalklang nicht vorhanden waren. Da die Verteilung und die Amplituden der im Klang eines Instruments enthaltenen Obertöne dessen Klangfarbe bestimmen, müssen künstliche Obertöne eben diese Klangfarbe verändern. Allerdings nur, wenn ihre Amplituden einzeln oder in der Summe bestimmte Werte überschreiten und um so hörbarer, je höher deren Ordnungszahl ist.

Unerwünschte Obertöne heißen auch Klirrfaktor oder Klirrgrad

Maße für diese künstlichen Obertöne sind je nach angewandtem Meßverfahren der Klirrfaktor, der Intermodulationsgrad oder die meist höhere Ordnungszahlen aufweisenden dynamischen Verzerrungen (Transient Intermodulation, abgekürzt TIM), die in Transistorverstärkern auftreten können. Sie sind besonders unbeliebt, weil sie sich unter Umständen auch dann schon gehörmäßig bemerkbar machen, wenn ihre Amplituden so klein sind, daß es Mühe macht, sie überhaupt zu messen.

Diese künstlichen Obertöne auszumerzen oder sie zumindest so niederzuhalten, daß sie auch dem geschultesten Ohr verborgen bleiben, galt und gilt immer noch das trickreiche Sinnen aller Entwickler von HiFi-Komponenten.

Dabei müssen Wandler und Verstärker auch noch so schnell und trägheitsarm reagieren, daß sie steilen Impulsen des Schallereignisses und dem komplizierten, klangbestimmenden Tonansatz der verschiedenen Instrumente flink genug folgen können. Auch dies ist eine stete Herausforderung für die Entwickler von Tonabnehmern, Verstärkern, Mikrophonen und ganz besonders von Lautsprechern.

Der Lautsprecher, Erzeuger von artfremden Formanten

Eine elementare Qualitätsforderung an jede Komponente der HiFi-Übertragungskette ist die Geradlinigkeit des Frequenzgangs: Ein am Eingang beispielsweise eines Verstärkers eingespeister Sinuston konstanter Amplitude, der alle Frequenzen des Übertragungsbereichs von 20 bis 20.000 Hertz durchläuft, stellt sich im Amplituden-Frequenz-Diagramm, am Verstärkereingang gemessen, als Parallele zur Frequenzachse dar.

Der Frequenzgang des Verstärkers ist dann linear, wenn an seinem Ausgang das eingespeiste gleitende Sinussignal wieder als exakte Parallele zur Frequenzachse erscheint. Bei den meisten elektronischen Komponenten, übrigens auch beim CD-Spieler, ist die Linearität des Frequenzgangs heute kaum mehr ein Problem. Lediglich manche Tonabnehmer und Cassettengeräte spielen oft nicht mit — Tonzellen sind auf den richtigen Abschluß und Recorder auf die exakte Einmessung beziehungsweise die passende Cassette angewiesen.

Die Schalldruckkurve beim Lautsprecher

Noch kritischer verhält sich der Lautsprecher und auf kompliziertere, aber dennoch einfacher zu beherrschende Weise auch der Kopfhörer. Beim Lautsprecher heißt der Frequenzgang jetzt "Schalldruckkurve". Der ideale Lautsprecher würde unter anderem den gleitenden Sinus in eine geradlinige Schalldruckkurve umwandeln. In voller Strenge gibt es diesen Lautsprecher bis heute nicht.

Weniger gute Vertreter ihrer Gattung produzieren gelegentlich im Baßbereich ausgeprägte Resonanzen, das heißt mehr oder weniger steile Anhebungen in der Schalldruckkurve, was die Baßwiedergabe verfälschen muß.

Der empfindliche Hörbereich

Besonders kritisch reagiert das Ohr auf Anhebungen oder Dellen in seinem empfindlichsten Hörbereich von etwa 1.000 bis 5.000 Hertz. Sie wirken wie das Auftreten oder Fehlen von Formanten, verfärben eine Flöte in Richtung Oboe und umgekehrt oder verändern das Timbre einer Gesangsstimme. Bach sagte: „Macht mir die Quinten rein." Der Lautsprecherentwickler postuliert in Abwandlung: „Macht mir die Mitten sauber."

High Fidelity und das Problem des sozialen Wohnungsbaus

Das Ohr ist nicht gerade ein idealer HiFi-Empfänger. Von geradlinigem Frequenzgang keine Spur. Je geringer die Lautstärke, desto unempfindlicher reagiert es auf Bässe, und desto mehr verschiebt sich die Klangbalance zu den Mitten hin, denn auch die Höhen treten zurück, wenn auch nicht so stark (Kurven gleicher Lautstärkepegel, stereoplay 1984). Die Konsequenz dieses Sachverhalts: HiFi-Wiedergabe im strengen Sinne ist nur bei annähernd Originallautstärke möglich.

90dB im Wohnblock - das gibt Krieg

Wer aber - außer dem Eigenheimbewohner möglichst in abgeschiedener Lage - kann es sich schon leisten, seine Popmusik, seinen Bruckner oder donnernde Liszt-Transkriptionen vom Bösendorfer Imperial mit satten 80, 90, in den Spitzen gar 100 Phon abzuhören, ohne den permanenten Kriegszustand mit seinen Nachbarn zu riskieren? Abgesehen vom Kopfhörer, dessen Hörproblematik hier zunächst einmal übergangen sei, schafft die gehörrichtige Lautstärkeregelung erste Hilfe.

Ein Trick ist die Loudness-Korrektur

Viele HiFi-Verstärker verfügen über eine solche "physiologische" Lautstärkekorrektur, abgekürzt auch "Loudness" genannt. Allerdings sind die der selektiven Ohrempfindlichkeit Rechnung tragenden Kennlinien längst nicht bei allen Geräten ideal ausgelegt. Die Bilder 1 und 2 zeigen zwei Vorschläge für optimale Auslegung, das erste für den Fall, daß Loudness und Pegelsteller (Volume) getrennt wirken, das zweite, wenn beide in üblicher Weise gekoppelt sind.

Auch beim lauten Bass gibt es Probleme

Wer lauter hört, als es dem Original entspricht, muß übrigens ebenfalls korrigieren: Im Baßbereich rücken die Kurven gleicher Lautstärke dichter zusammen. Somit bewirkt eine Pegeländerung im Baß eine größere Lautstärkeänderung als bei höheren Frequenzen. Eine Steigerung des Schalldruckpegels bei 50 Hertz von 60 auf 90 Dezibel entspricht einer Lautstärkezunahme von 35 auf 75 Phon, bei 1000 Hertz dagegen nur von 60 auf 90 Phon. Die Folge: Bei Überlautstärken wird das Klangbild baßlastig, ohne daß die Lautsprecher etwas dafür können.

Das 100-Mann-Symphonieorchester im normalen Wohnraum geht fast nicht

Das dreifache Pianissimo eines voll besetzten Symphonieorchesters verhaucht im akustischen Untergrund des Konzertsaals, der, auch, wenn das Publikum extrem diszipliniert ist, kaum unter 40 Dezibel absinkt. Im Fortissimo-Ausbruch aller Instrumente erreicht dieses Symphonieorchester Schallpegel über 100 Dezibel. Der Dynamikumfang überschreitet demnach gut und gerne 60 Dezibel.

Bei Compact Discs beträgt der übertragbare Dynamikumfang, sofern auch digital aufgezeichnet wurde, 80 Dezibel. Eine leistungsfähige HiFi-Anlage vermag demnach im wahrsten Sinne des Wortes spielend die Originaldynamik eines ausgewachsenen Symphonieorchesters in den Wohnraum zu projizieren.

Der Toningenieur regelt auf „Heim-Dynamik" runter

Weil die Mitmieter in der Regel dagegen Einspruch erheben, hilft der Toningenieur schon bei der Aufnahme, eine natürlich wirkende „Heim-Dynamik" herzustellen.

Das erreicht er auf trickreiche Weise dadurch, daß er den Pegel vor einem Fortissimo-Ausbruch sanft und somit fast unmerklich reduziert, um so dem Fortissimo die erforderliche Kontrastwirkung zu verschaffen. Um ein Pianissimo dramaturgisch zu unterstützen, hebt er umgekehrt die Lautstärke der vorausgehenden Passage an. Auf diese Weise bleibt die psychoakustische Wirkung der Dynamik weitgehend erhalten.

Bewertungsfilter ermöglichen ohrgerechte Messungen

Die einzige rein objektive Vergleichsmöglichkeit zwischen HiFi-Komponenten bietet die Messung. Um sie in einen realistischen Bezug zu den durchschnittlichen Eigenschaften des Ohrs zu bringen, sind Bewertungsfilter erforderlich. So ist, wie aus „Über das Hören II" (stereo-play 10/1984) hervorging, die Empfindlichkeit des Ohrs gegenüber Tonhöhenschwankungen am größten, wenn die Modulationsfrequenz 4 Hertz beträgt. Tonhöhenschwankungen unter oder über 4 Hertz registriert das Ohr weniger kritisch. Liegen sie über 4 Hertz, führen sie zu einer Art Rauhigkeit des Klangs.

Warum wird gerade mit 3.150 Hertz gemessen

Die in stereoplay 10/1984 abgebildete Kurvenschar zeigte ferner, daß die Empfindlichkeit des Ohrs gegenüber Tonhöhenschwankungen am größten ist, wenn die schwankende Trägerfrequenz zwischen 1 und 4 Kilohertz liegt. Aus diesem Grunde erfolgt die Messung der Tonhöhenschwankungen von Plattenspielern und Tonbandgeräten mit der Trägerfrequenz von 3.150 Hertz, wobei zwischen das zu messende Gerät und das Meßgerät ein Bewertungsfilter geschaltet ist.

Bild 3 zeigt die Kennlinie dieses Bewertungsfilters. Es läßt Tonhöhenschwankungen von 3 bis maximal 4 Hertz passieren und bedämpft höher- und tieferfrequente progressiv nach Maßgabe der Ohreigenschaften.

Die Rumpel-Geräuschspannung
und die Rumpel-Fremdspannung

Auch zur Messung der Rumpel-Fremdspannung und der Rumpel- Geräuschspannung von Plattenspielern kommen Bewertungsfilter zum Einsatz. Bild 4 zeigt die Bewertungskurven.

Bei der ohrgerechten Messung der Rumpel-Geräuschspannung läßt das Filter Rumpelspannungen zwischen 250 und maximal 400 Hertz zum Meßgerät durch, während es die für das Ohr weniger auffälligen höher- und tieferfrequenten mit einer Flankensteilheit von 12 Dezibel je Oktave bedämpft.

Die Messung der Rumpel-Fremdspannung nimmt auf die abnehmende Empfindlichkeit des Ohrs zu tiefen Frequenzen hin keine Rücksicht. Deshalb verläuft die Filterkennlinie bis herab zu 8 Hertz linear. Generell sind alle als Geräuschspannungen ausgewiesenen Meßergebnisse mittels Filter ohrbezogen, die als Fremdspannungen bezeichneten hingegen nicht.

Hier beginnt eine neues Kapitel

Über das Ohr

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Das Ohr, ein raffiniertes Wunderwerk des Mikrophonbaus

Bild 5 zeigt eine schematische Darstellung des äußeren, mittleren und inneren Ohrs. Das Trommelfell, eine etwa 1 Quadratzentimeter große dünne Membran, schließt den äußeren Gehörgang gegen das Mittelohr ab. Dahinter befindet sich ein mit Luft gefüllter Hohlraum, die "Paukenhöhle". Dieser wiederum steht durch eine enge Röhre, "Tuba Eustachii" genannt, mit dem Rachen in Verbindung und wird bei jedem Schluckvorgang von dort belüftet.

Wäre dies nicht so, würde jede langsame Änderung des Luftdrucks, beispielsweise in einem Flugzeug, zu dem bekannten „Druck auf den Ohren" führen, der ja auch tatsächlich auftritt, wenn der Druckausgleich infolge einer Schleimhautschwellung nicht funktioniert.

Da gibt es Hammer, Amboß und Steigbügel

In der Paukenhöhle sitzen drei Gehörknöchelchen: Hammer, Amboß und Steigbügel. Der Hammer ist mit einem seiner Fortsätze am Trommelfell angewachsen. Das Trommelfell wirkt ähnlich wie eine Mikrophonmembran, indem es durch die Druckschwankungen des Schalls in Schwingungen versetzt wird. Über Hammer, Amboß und Steigbügel, dessen Fußplatte sich in eine Knochenöffnung, das ovale Fenster, einfügt, werden die Schallschwingungen wie über eine Leiterkette vom Trommelfell zum ovalen Fenster und somit an das Innenohr übertragen.

Dann haben wir noch ein "Felsenbein"

Das innere Ohr liegt eingebettet im Knochen des "Felsenbeins". Es besteht aus zwei Teilen, dem Gleichgewichtsorgan und dem Hörorgan, wegen seiner Form "Schnecke" (Cochlea) genannt. Sie besteht aus drei übereinanderliegenden schlauchförmigen Kanälen, die spiralartig in etwa zweieinhalb Windungen aufgewickelt sind.

"Scala vestibuli", "Scala media" und "Scala tympani"

Bild 6 zeigt einen grob schematischen Schnitt durch die menschliche Schnecke und Bild 7 den eingezeichneten Ausschnitt aus der oberen Windung. Die spiralig aufgewickelten Kanäle sind mehrfach angeschnitten. Sie tragen die Bezeichnungen "Scala vestibuli", "Scala media" und "Scala tympani".

Alle sind mit Flüssigkeit gefüllt

Der Steigbügel grenzt mit seiner Fußplatte über das ovale Fenster an die mit Flüssigkeit gefüllte Scala vestibuli. Auch die anderen beiden Scalen sind mit Flüssigkeit gefüllt, vestibuli und tympani mit Perilymphe, die Scala media mit Endolymphe.

Die Perilymphe enthält viele Natrium-Ionen, während die Scala media kaliumreich ist. Über das Helicotrema stehen die Scala vestibuli und die Scala tympani miteinander in Verbindung. Während die Scala vestibuli am ovalen Fenster durch den Steigbügel verschlossen und durch das Ringband abgedichtet ist, besitzt die Scala tympani zur Paukenhöhle hin eine Öffnung, das runde Fenster.

Das Innenohr, Sitz der eigentlichen Sinneszellen

Dem vergrößerten Ausschnitt der Schnecke (Bild 7) ist zu entnehmen, daß die Grenze zwischen Scala vestibuli und Scala media durch die Reissnersche Membran gebildet wird. Die Basilarmembran bildet die Grenze zwischen Scala media und Scala tympani. Auf ihr befindet sich der eigentliche "sensorische Apparat", das Cortische Organ. In Stützzellen eingebettet, liegen dort die Rezeptorzellen.

Die Haarzellen

Sie tragen Stereocilien, das sind submikroskopische haarförmige Fortsätze, weswegen sie auch als Haarzellen bezeichnet werden. Es gibt äußere und innere Haarzellen. Die äußeren sind in drei Reihen angeordnet, die inneren bilden nur eine einzige Reihe.

Über dem Cortischen Organ liegt eine gallertartige Masse, die Tectorialmembran. Sie ist an der inneren Seite der Schnecke befestigt und berührt die Cilien der Haarzellen, zu denen sie in relativ festem Kontakt steht.

Der Energieversorger der "Schnecke"

Die Stria vascularis, eine gefäßreiche Region, befindet sich an der äußeren Begrenzung der Scala media. Sie ist der Energieversorger der Schnecke und hält die Kalium-Ionen-Konzentration der Endolymphe aufrecht.

Die Receptorzellen am Cortischen Organ bilden als sekundäre Nervenzellen selbst keine Nervenfortsätze aus. Vielmehr stehen sie mit Nervenfasern in Verbindung, deren Ursprungszellen im Ganglion spirale liegen, das seinerseits inmitten der Schnecke spiralförmig aufgewunden ist.

Die Nervenzellen als Bipolarzellen

Die Nervenzellen dieses Ganglions sind Bipolarzellen. Ihr einer Fortsatz läuft zu den Rezeptorzellen, der andere zum Nervus acusticus des Zentralnervensystems. Innere und äußere Haarzellen sind getrennt mit Nerven versorgt. Zu den inneren Haarzellen laufen viele Nerven, wobei wahrscheinlich jeder Haarzelle ein Nerv zugeordnet ist. Dagegen verzweigen sich die für die äußeren Haarzellen zuständigen Nervenfasern vielfach, und jede versorgt viele äußere Haarzellen. Der überwiegende Teil der Fasern des Nervus acusticus kommt daher von den inneren Haarzellen.

Die Schallübertragung funktioniert doppelt

Außer durch die Knochenleitung, die nur beim Hören der eigenen Stimme eine wesentliche Rolle spielt, erfolgt die Schallübertragung durch die Luftleitung vom Trommelfell über die Gehörknöchelchen zur Perilymphe des Innenohrs. Die weitverbreitete These, wonach höhere Frequenzen durch Knochenleitung an das Innenohr gelangen, ließ sich nach R. Klinke, „Physiologie des Hörens" (in „Grundriß der Sinnesphysiologie", Springer-Verlag) experimentell nicht bestätigen.

Der Transformator im Hörorgan —
die Natur überlistet die Physik

Bei der Luftleitung, also dem normalen Hörvorgang, muß der Schall von Luft in die Flüssigkeit des Innenohrs übertreten. Normalerweise reflektiert die Grenzfläche zwischen Luft und Flüssigkeit den größten Teil der Schallenergie. Um die Physik zu überlisten und diese Reflexionsverluste möglichst gering zu halten, erfand die Natur den komplizierten Mechanismus aus Trommelfell und Gehörknöchelchen. Er paßt den Schallwellenwiderstand der Luft an den des Innenohrs an und verringert so die Reflexionsverluste ganz erheblich, und zwar um 15 bis 20 Dezibel.

Zur Druckerhöhung tragen sowohl die Hebelarme der Gehörknöchelkette bei als auch die Tatsache, daß die Fläche des Trommelfells erheblich größer ist als die Fußplatte des Steigbügels. Nach dem Gesetz „Druck gleich Kraft durch Fläche" ist der Druck am ovalen Fenster bereits größer als am Trommelfell. Das Ohr verfügt auf diese Weise über einen akustischen Transformator.

Einortstheorie: Jede Frequenz erregt eine Sinneszelle

An der Schallaufnahme im Innenohr beteiligen sich die Perilymphe der Scala vestibuli, das runde Fenster als Druckausgleichsmembran, die Scala media mit Basilar-membran und die Reissnersche Membran. Die Schwingungen in diesen Teilen des Innenohrs führen zur Ausbildung von Wanderwellen, die vom Steigbügel (Stapes) zum Helicotrema verlaufen (Bild 8).

Die Amplituden dieser Wanderwellen nehmen zunächst zu und werden später wieder gedämpft, bis sie gänzlich verschwinden. Dies geschieht aufgrund der physikalischen Eigenschaften der von der Wanderwelle durchlaufenen Substanzen.

Jede Frequenz erregt eine (andere) Sinneszelle

Zwischen Ursprungsort am Steigbügel und dem Auslaufen der Welle auf dem Weg zum Helicotrema entsteht so notwendigerweise irgendwo ein Schwingungsmaximum. Dieses Maximum bildet sich für jede Frequenz an einem anderen Ort aus: bei hohen Frequenzen mehr in der Region des Steigbügels, bei tiefen Frequenzen näher beim Helicotrema. Die Anregung der Sinneszellen erfolgt in erster Linie an der Stelle des Maximums: Jede Frequenz erregt daher eine andere Sinneszelle.

Angenehm : ein Dauerton mit Vibrato

Hier ergibt sich eine Erklärung für die Tatsache, daß das Ohr einen lang ausgehaltenen Ton als angenehmer empfindet, wenn er mit Vibrato, also mit einer Modulation um die Grundfrequenz versehen ist: Es wird nicht nur eine Sinneszelle belastet, sondern mehrere benachbarte Sinneszellen; der Ermüdungseffekt ist herabgesetzt.

Übrigens empfindet das Ohr nur Vibratofrequenzen zwischen 5 und 8 Hertz mit Schwankungen um ±20 bis ±80 cents als ästhetisch optimal. Vibrato unter 5 Hertz verunklart die Intonation, über 8 Hertz verleiht es dem
Klang ein Übermaß an Erregtheit.

Karl Breh

In der nächsten Folge:
Was das Gehirn zum Hören beiträgt — warum Frauenchöre manchmal so schrill klingen. Wie Transistoren Signale verstärken, warum kein HiFi-Verstärker ohne Gegenkopplung auskommt und welche Baugruppen ein Verstärker enthält.
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