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Grundlagen der HiFi-Technik XIV (14)

Der Inhalt des Kompendiums steht hier ..

Anmerkung :

Die gesamten Ausführungen über die Magnetbandtechnik beziehen sich nur noch auf die Technik der Kassetten-geräte nach dem Philips CC System. Die großen Bandmaschinen sind seit 1984 Auslaufmodelle und werden (mit ein paar Ausnahmen) nicht mehr hergestellt.

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HiFi-Grundwissen Magnetische Speicherung - Kapitel 14

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Rückblick auf die vorangegangenen Technik-Kapitel

Die bisherigen Folgen der „Grundlagen der HiFi-Technik" erklärten die physikalischen Grundlagen der Elektronik, die Funktionen der verschieden passiven und aktiven Bauteile, die einzelnen Komponenten der HiFi-Anlage im Überblick, die Fachausdrücke für die Meßgrößen, die Grundlagen der magnetischen Speicherung, Funktion und Aufbau des Ohrs, wie auch dessen Einfluß auf die Bewertung der Meßergebnisse.

Die beschriebenen Verstärker-Grundschaltungen erlauben sicherlich noch keinen HiFi-tüchtigen Verstärker zu bauen, aber die Kenntnis der sich hinter den Fachwörtern verbergenden Zusammenhänge und Meßmethoden fördert die richtige Interpretation der Daten und damit den sinnvollen Einsatz der Geräte.

Kein HiFi-Gerät für sich allein garantiert hochwertige HiFi-Wiedergabe schlechthin. Erst das harmonische Zusammenspiel der einzelnen Komponenten und die Abstimmung auf die Bedürfnisse der Hörpraxis schaffen hochwertigen Musikgenuß.

Der versierte HiFi-Fan kann mit seinem Wissen auch mit weniger kostspieligen Geräten gute Ergebnisse erreichen und dabei schlecht gehandhabte teurere Geräte in der Klangqualität distanzieren. Fehler durch falsches Aussteuern von Magnetbandaufnahmen oder durch Dejustage von Tonarmen fallen besonders auf.

Jetzt also ein neues Thema mit Kapitel 14 :
"Dynamik zwischen Rauschen und Verzerrung"

In dieser Folge werden einige wichtige Grundbegriffe der Elektroakustik noch einmal aufgegriffen und die Entsprechung des Meßwerts mit der Hörempfindung beim praktischen Umgang mit der HiFi-Anlage diskutiert.

0,1% Klirr schlimmer als 3 Prozent !

Einige (vermeintliche) Ungereimtheiten führen immer wieder zu Verwunderung, werden einfach so akzeptiert oder aber zu falschen Schlüssen verarbeitet. Warum sollen Verstärker weniger als 0,1 Prozent klirren, wenn Tonbandgeräte ungestraft 3 Prozent verzerren dürfen ?

Ist nicht ein Cassettentonbandgerät mit der Rauschverminderung Type „D-Com-xz" mit 100 Dezibel angegebenem Dynamikumfang besser als eine Amateur-Spulenmaschine mit (nur) 76 dB Dynamik? Bei einem Rundfunkbandlaufwerk lautet dann schließlich das Datenblatt sogar auf nur 60 dB Ruhegeräuschspannungsabstand (so heißt die Meßgröße nach DIN). Ein CD-Spieler wiederum schafft 96 dB, klingt aber um Welten besser als der erstgenannte Recorder mit 100 dB.

Ein alter Röhrenverstärker soll mit über 0,3 Prozent Klirr im üblich genutzten mittleren Pegelbereich in der Praxis "schöner" klingen als ein älterer Transistorverstärker, der mit maximal 0,05 Prozent bis hinauf zur vollen Nennleistung überlegen scheint.

Unterschiede zwischen Rauschverminderern

Ein Rauschverminderungssystem „abc" mit 20 dB (gemessener) Verbesserung liefert rauschfreiere Musik als die Konkurrenz „xyz" mit nur 8 dB. Das ist zu erwarten. Es verwundert jedoch, daß dieses vielleicht bei Mozarts Streichquartetten gilt, nicht jedoch beim Oscar Peterson Trio. Dann ist stärkeres Rauschen beim „abc"-System noch mitzuhören.

Warum führen schließlich Klirrmessungen bei Cassettenrecordern oberhalb von 2 Kilohertz, bei Tunern oberhalb 5 Kilohertz und bei CD-Spielern oberhalb 6,3 Kilohertz zwar zu günstigen Ergebnissen, sagen aber nichts über den Höreindruck aus und sind sogar in den letzten beiden Fällen grob falsch?

Das menschliche Gehör ist der Maßstab

Ein wesentlicher Einflußfaktor ist das menschliche Gehör mit seinen bereits beschriebenen unterschiedlichen Hörschwellen und der dadurch bedingte Verdeckungseffekt (siehe Folge 10).

Aber auch physikalische Grenzen und unterschiedlichste Meßnormen haben starken Einfluß. Allein schon der Begriff der Dynamik führt immer wieder zu fehlerhaften Vorstellungen, daher hier nochmal zurück zu diesem höchstdynamischen Thema, wobei die Basis-Maßeinheit der Elektroakustik an erster Stelle steht.

Das Verhältnis von Prozent - Dezibel - Phon

Das Ohr beurteilt bei einem Lautstärkevergleich immer die Verhältnisse zweier Schalldrücke zueinander. Einem Schalldruck entspricht in den elektronischen Schaltungen einer HiFi-Anlage eine Spannung. Für die unterschiedliche Hörbarkeit ist also das Verhältnis von Spannungswerten zueinander ausschlaggebend.

Eine doppelte Abhörlautstärke oder genauer Lautheit bedeutet, eine 3,16fach so hohe Spannung am Lautstärke-Potentiometer einzustellen. Der halben Lautheit entspricht genauso das 0,316fache. Bei einer Steigerung auf die vierfache Lautheit ist die 3,16 • 3,16 = l0fache Spannung erforderlich.

Das ist doch alles viel zu kompliziert

Mit diesen Verhältniszahlen möchte natürlich keiner gerne umgehen. Prozentangaben helfen aber auch nicht weiter. Bei vierfacher Lautheit ist die Spannung um 8OO% auf 900% zu erhöhen oder bei einem Viertel der Lautheit um 90% auf 10% zu erniedrigen. Abgesehen davon, daß das Rechnen mit Prozenten noch schwerer fällt, ist genug Möglichkeit für eine falsche Interpretation der Prozentzahlen gegeben, auf die klärenden Wörtchen „auf" und „um" wird zu oft verzichtet.

Das Dezibel (Dezi-Bel) vereinfacht das Kopfrechnen enorm. Es ist ein "logarithmisches" (nichtlineares) Maß. Eine Logarithmierung ersetzt die Multiplikation und die Division durch die Addition und die Subtraktion.

Es ist das Prinzip des Rechenschiebers: Die Addition der logarithmisch geteilten Skalenstrecken bedeutet eine Multiplikation. Eine 3,16fache Spannung entspricht +10dB, eine lOfache Spannung +20dB (3,16 • 3,16 = 10 oder in Dezibel: +10dB + +10dB ergeben +20dB).

Verdoppeln oder halbieren - ganz einfach

Wesentliche Lautstärkeunterschiede bedeuten eine Änderung um 10dB (Verdoppelung oder Halbierung der Lautheit). Änderungen von 1dB können üblicherweise noch gerade wahrgenommen werden. Besteht die Möglichkeit des direkten Vergleichs (schnelle Umschaltung zwischen A und B), so sind auch Unterschiede im Bereich 0,3 dB (zirka 3 Prozent) für geschulte Hörer noch feststellbar. Mit zunehmendem zeitlichen Abstand zwischen den Hörereignissen A und B vermindert sich die Unterscheidungsfähigkeit.

Wirkliche Unterschiede zwischen Leistungsverstärkern bedeuten daher auch eine lOfache Ausgangsleistung. Unterschiede von 80W zu 100W sind bei Verstärkern gerade erst hörbar (1dB). Bei Werten von 1dB und weniger gilt als einfache linearisierte Näherungsformel:

0,1 dB = 1%

Das Verhältnis der beiden Schallintensitäten

Große Werteverhältnisse sind durch das Dezibel mit sinnvollen Zahlengrößen darstellbar. Für das Ohr gilt (siehe Folge 9) ein Verhältnis von 1 zu 1.000.000.000.000 (1 Trillion) für die Hörschwelle und die Schmerzgrenze.

Das Verhältnis der beiden Schallintensitäten beträgt eine Trillion (eine 1 mit 12 Nullen). Das logarithmische Dezibel-Maß liefert eine übersichtlichere Zahl von 120dB, und zwar unverändert für Schalldruck und für Schallintensität, was Fehlinterpretationen verhindert.

Das Dezibel und die Maßeinheit Phon

Die Maßeinheit Phon ist eine dem Ohr noch besser angepaßte Meßgröße. Bei 1 Kilohertz entspricht die Phon-Skala der dB-Skala, wenn 0dB gleich der Hörschwelle gesetzt wird, die Schalldrücke und -intensitäten also immer auf die Hörschwelle bezogen werden. Lautstärken in Phon zu messen, ist sehr schwierig, da die Empfindlichkeit des Ohrs je nach Frequenz variiert. Und dieser Ohr-Frequenzgang verändert sich auch noch für verschiedene Ton- oder Geräuscharten. Ersatzweise wird das dB-A verwendet (siehe unten).

Fertigbespielte MusiCassetten, die an sehr lauten Stellen etwas übersteuert sind, rauschen bei High-End-Wiedergabe. Bei starken Umgebungsgeräuschen genügt die Systemdynamik fast, Rauschen wird vollständig verdeckt, jedoch klingen laute Stellen unsauber.
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5 mal der Begriff Dynamik, berauschend oder verrauscht

Dynamik - ein Wort, dessen genaueres Verständnis beim Vergleich von HiFi-Geräten wie auch beim Aufnehmen von Musik auf Band weiterhilft. Aber es gilt zu unterscheiden. Denn allzu oft purzeln verschiedene Dynamikbegriffe durcheinander.

Ein Lexikon wird zu diesem aus dem Griechischen abgeleiteten Begriff schreiben: Lehre von der Bewegung der Körper (Physik), Veränderung der Ton- und Klangstärke (Musik). Als Gegensatz gibt es die Statik, das Starre, Bleibende. In der Tontechnik ist Dynamik das Auf und Ab der Lautstärke und der Dynamikbereich (kürzer aber eben auch nur Dynamik genannt) der Spielraum für die Lautstärkeänderung. Aber für welche Lautstärkeänderung? Pianissimo bis Fortissimo, Störgeräusch bis Verzerrung, Flüsterton bis Preßlufthammer?

Das Gras wachsen hören ??

Grenzen setzt das Ohr: Unten die Hörschwelle, das Wachsen von Gras ist nicht mehr hörbar. Oben die Schmerzgrenze. Die akustischen Meßgrößen für diese Lautstärkegrenzen betragen 0 und 120 Phon.

Das Dezibel (ohne Zusatzkennzeichnung) beschreibt dagegen stets Lautstärkeunterschiede (genauer: Lautstärke-Verhältnisse). Der Hörbereich zwischen 0 und 120 Phon umfaßt also 120 dB, die Ohr-Dynamik. Alle anderen Dynamikwerte müssen da hineinpassen.

Zweimal Original-Dynamik, produziert oder gehört

Große Orchester erzeugen im Saal bis zu 100 Phon, und da leise Stellen im Umgebungsgeräusch eines besonders ruhigen Konzertsaales von 25 Phon untergehen, bedeutet das einen Unterschied von 75 dB.

Das Musikstück selbst hat allerdings eine geringere Dynamik. Die Pianissimo-Stellen liegen über 30 Phon. Die Original-Dynamik der Musik im Konzertsaal beträgt so bei großem Orchester etwa knapp 70 dB.

Zusätzlich wirken auf den Zuhörer aber auch noch Feinheiten der Musik ein, die, obwohl leiser als die Störgeräusche, trotzdem noch wahrgenommen werden können. So ergeben sich bis zum Störgeräuschniveau 75 dB oder als Extremfall bis zur Hörschwelle 100 dB. Diese gehörte Original-Dynamik sollte eine HiFi-Anlage im Idealfall übertragen.

Das obige Beispiel zeigt eher einen Extremfall auf, da andere Musikarten einen kleineren Dynamikumfang besitzen. Ein Streichquartett erzeugt geringere Maximallautstärken. Eine Holzhacker-Rockgruppe spielt selten wirklich leise Details, so daß die Minimallautstärke nach oben rutscht.

Programmierter Krieg ab 90 Phon

Zu Hause liegt das Umgebungsgeräusch oft genug bei 40 Phon, und der Nachbar fühlt sich spätestens ab 90 Phon Abhörlautstärke gestört. Diese 90 Phon ergeben dann bei ihm in der Nachbarwohnung, durch die Wand um 50dB gedämmt, immerhin 40 Phon.
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So bleiben also maximal 50dB Dynamik überig

Die mögliche Wiedergabe- oder besser Abhör-Dynamik beträgt dann nur noch 50dB. Die Musik wird leiser als im Konzertsaal abgehört, und Pianissimo-Partien könnten im Umgebungsgeräusch untergehen. Die Original-Dynamik kann so sehr oft gar nicht abgebildet werden. Das gilt auch für ein Streichquartett. Mit 80 Phon bereits als recht laut empfunden, bleiben als Wiedergabe-Dynamik im Wohnraum nur noch 40dB übrig. Da es bis auf Ausnahmen unsinnig wäre, die Originaldynamik in den Wohnraum und erst recht in Küche und Auto uneingeschränkt zu übertragen, wird insbesondere auch beim Rundfunk die Originaldynamik für den Hörer mehr oder weniger sinnvoll aufbereitet, das heißt, der Tontechniker stellt sich Durchschnittshörbedingungen vor.

Der Idealfall im Wohnraum und die Musik

Das Musikstück sollte im Idealfall im Wohnraum ohne merkbare Einbuße ankommen. Technische Unzulänglichkeiten des Sende- oder Speicherungssystems dürfen die Programm-Dynamik weder durch Störgeräusche unten noch durch hörbare Verzerrungen oben beschneiden. Und wie auch die gesamte gehörte Original-Dynamik größer als der originale Dynamikumfang der Musik ist, so muß die System-Dynamik auch deutlich größer als die Programm-Dynamik sein.
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Hier jetzt die 5 Dynamik Begriffe

Die verschiedenen Dynamikwerte gleichen einem Kofferset. Der Mini-Koffer „Abhördynamik" (1) muß in die „Programmdynamik" (2) hineinpassen, diese wiederum in die „Systemdynamik" (3), diese in die „Originaldynamik" (4) und diese wiederum in die „Ohrdynamik" (5) als Superkoffer.

Die System-Dynamik

Die System-Dynamik ist es dann, die beim Kauf von HiFi-Geräten die große Rolle spielt. Die Meßgrößen für die Dynamik haben bei HiFi-Geräten verschiedene Namen, sie können unterschiedlich gemessen werden und sind auch bei gleicher Meßmethode zwischen verschiedenen Gerätegattungen nur mit Vorsicht vergleichbar.

Das Potential der CD ist groß

Die Compact-Disc hat oben und unten Reserven. In Pkw oder Küche bietet sie eher eine zu große Systemdynamik. Im leisen Wohnraum geht das Rauschen unter in dem aus dem Konzertsaal übertragenen und dem im Wohnraum hinzukommenden Hintergrundgeräusch. Die Anlage darf nicht zu früh übersteuern.

Nur die Spannung begrenzt die Dynamik

Technisch ist der Dynamikbereich nach oben durch die Spannung begrenzt, bei der gerade noch keine deutliche Tonverfälschung (nichtlineare Verzerrung, siehe auch Folge 12) auftritt, nach unten durch die Spannung, die durch musikfremde Störsignale hervorgerufen wird. Das logarithmische Verhältnis dieser Spannungswerte wird als „Abstand" in „dB" angegeben. Diese Abstände sollten möglichst groß sein.

UKW-Empfang und der Cassetten-Recorder sind kritisch

Kritische Bereiche sind heute einmal der UKW-Empfang und der Recorder. Bei den Rundfunkanstalten könnte man sich rauschärmere Bänder und bessere Tonabnehmer (neue Nadelschliffe, von den Studioausrüstern längst angeboten) wünschen. Viel zu häufig liegt die Ursache in einer völlig unzureichenden Empfangsantenne (die PostVerkabelung ist zwar besser als manche Gemeinschaftsantenne, aber keineswegs ideal, die Klagen von HiFi-Fans häufen sich zumindest in manchen Orten).

Warum Kompander von Kindern getestet werden sollten

Cassetten-Recorder können es trotz wesentlich verbessertem Bandmaterial und Rauschverminderungssystemen (Kompandern) mit Zweispur-Spulengeräten noch nicht aufnehmen. Das Rauschen in den Musikpausen (als Meßwert der Ruhegeräuschspannungsabstand) stört kaum, eher trübt durchhörbares Hintergrundrauschen in leisen Musikpassagen den Genuß, und da schweigen sich Prospekte aus. Die volle Wirkung von Rauschverminderungssystemen gilt nur in den Pausen.

Es gibt da nämlich Schwächen

Das Hintergrundgeräusch kann bei einem in den Pausen stark wirkenden System bei einigen Musikarten durchaus mehr stören als bei einem von Haus aus sanfter wirkenden System. Ein stark wirkendes System fällt in der Praxis oft qualitativ ab, weil das Eigengeräusch der Eingangsverstärker (speziell bei Mikrofoneingängen) so hoch ist, daß das Rauschverminderungssystem erst gar nicht voll zum Zuge kommen kann.

und es hängt vom Alter ab

Die Hörbarkeit des Hintergrundrauschens hängt stark vom Alter ab. Kompander- Konstrukteure tun gut daran, Jugendliche hinzuzuziehen. Die Empfindlichkeit gegenüber diesem feinen hohen Rauschen nimmt im Alter ab. Dieses Rauschen kann dazu noch auf- und abschwellen ; (Rauschmodulation) und beim Ausklingen eines Tones ein nachgeschlepptes, hörbar verklingendes fff . . uuh oder chchch . . uuh erzeugen (Rauschschleppe).

Neu : die Höhendynamik

Laute hohe Töne, wie Stimme, Schlagzeug und Synthesizer, klingen allzuoft unsauber und dumpf. Dagegen könnte nur eine deutlich schwächere Aussteuerung helfen, aber dann stört das Rauschen bei einigen Geräten wieder zu stark. Hier hat sich allerdings eine sinnvolle Meßgröße durchgesetzt: die Höhendynamik, die für den Hochtonbereich bei 10 Kilohertz oder 14 Kilohertz gilt. Sie sollte wie die sonstigen Abstände möglichst groß sein. Spulengeräte sind im Hochtonbereich besser, dadurch wird ihre nutzbare Dynamik bei hochtonreicher Musik weniger stark eingeschränkt als bei üblichen Cassettenrecordern.

Das Rauschen effektiv auf die Spitze getrieben

Die Störspannungen, vornehmlich das Rauschen, aber auch der Brumm, können auf sehr unterschiedliche Weise bestimmt werden. In Folge 10 wurden die Bewertungsfilter für solche Messungen vorgestellt. Für die Rauschspannung wird nach DIN 45 500 ein A-Filter verwendet. Dessen Frequenzgang ist der Phon-Kurve bei kleinen Lautstärken nachempfunden. Solch eine Bewertung liefert sinnvolle Ergebnisse für die Rauschbewertung in Musikpausen, nicht jedoch für das bei leiser Musik noch durchhörbare Hintergrundrauschen.

Früher verwendete die DIN ein anderes Filter; die wesentlich besseren A-Zahlenwerte in japanischen Prospekten führten jedoch dazu, daß sich die Normenkommissionen dem ungeheueren Marktdruck der ausländischen Konkurrenz anpassen mußten und auf die A-Kurve einschwenkten.

Gleichzeitig stellten sie auch auf eine Effektivwertmessung (siehe Kasten) um.

Die Auswahl des Filters ist wichtig

Wird das Störgeräusch statt nach der HiFi-Norm mit A-Effektiv entsprechend der DIN-Studio-Norm als Spitzenwert mit dem Filter CCIR 468 bestimmt, so ergeben sich bei Tonbandgeräten ungefähr 10 Dezibel ungünstigere Zahlenwerte für den Ruhegeräuschspannungsabstand. Da bei Studiogeräten der Störabstand auf den Bezugsbandfluß statt auf die höher liegende Vollaussteuerung (mit 3% Klirr) bezogen wird, wartet ein Studiogerät (z.B. ein Telefunken M15) mit 16 Dezibel schlechteren Werten als eine Amateurmaschine auf, obwohl es besser ist. Die Unterschiede durch abweichende Meßmethoden sind also gewaltig (und lügen uns etwas vor).

Werden andersartige Geräte mit unterschiedlich strukturiertem Rauschen (veränderte Frequenz- und Pegelverteilung) miteinander konfrontiert, so versagt die A-Effektivwert-Methode weitgehend, es würden dann Äpfel mit Pflaumen verglichen, stereoplay hat daher zum Beispiel bei dem Test von "High-Com FM" (im Mai 1983) die Vergleichsmessungen mit diesem CCIR 468-Filter durchgeführt. Bei einem Vergleich von Cassetten-Recordern untereinander ist die DIN-Methode mit A-Filter aber ausreichend (und normgemäß).

Arndt Klingelnberg

In der nächsten Folge: Die obere Grenze der Dynamik-Verzerrungen (unterschiedliche Auswirkungen, Meßmethoden und Hörbarkeiten)

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