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1965 - Stereo-Ambiofonie in Zweikanaltechnik

FUNKSCHAU 1965, Heft 23 - Seite 645 - PROF. DR.-ING. LOTHAR KEIBS (Adlershof)
Der Verfasser ist Direktor im "Rundfunk- und Fernsehtechnischen Zentralamt" der Deutschen Post, Berlin-Adlershof (gehört zu Ost-Berlin).

Zum guten Gelingen der Stereofonie im Rundfunk gehört auch das technisch richtig inszenierte Stereo-Hörspiel. Einige Verantwortliche im Hörfunk befürchten allerdings ein Abgleiten in billige Links/Rechts-Effekte und in allerlei Schallspielereien.

Wir haben auf dieses Problem durch den auszugsweisen Abdruck eines Referates von Dr. Heinz Schruitzke, Leiter der Hauptabteilung Hörspiel im Norddeutschen Rundfunk, aufmerksam gemacht (funkschau elektronik expreß Nr. 15 vom 5.8.1965, 3.Seite) und dort auch auf die Ambiofonie hingewiesen, mit deren Hilfe Stereoinformationen aus dem weitgehend direkten und Rauminformationen aus dem weitgehend indirekten Schallfeld bewußt getrennt werden, um u.a. den „Rampeneffekt" bei der Hörspielwiedergabe im Wohnzimmer des Hörers zu vermeiden.

Im folgenden Beitrag aus dem Rundfunk- und Fernsehtechnischen Zentralamt der Deutschen Post, Berlin-Adlershof, werden die Grundlagen der Stereo-Ambiofonie erläutert.

Was ist Stereo-Ambiofonie ?

Die Aufgabe der elektroakustischen Übertragungstechnik sollte es stets sein, dem Hörer eine bestmögliche Vorstellung des jeweiligen Schallereignisses zu vermitteln. Eine Übertragung kann dann als optimal angesehen werden, wenn sie die ästhetische Erwartung des Hörers voll befriedigt.

Ein wesentlicher subjektiver Parameter zur Kennzeichnung des zum jeweiligen Charakter der Darbietung passenden Eindrucks (Imagination] ist die Hörperspektive, die den Erlebniswert verschiedenartig beeinflussen kann. Dieser von Fletcher geprägte Begriff läßt sich vielleicht in folgende drei Teilparameter aufgliedern:
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  • a) den Hörwinkel - das ist derjenige Öffnungswinkel, unter dem das fiktive Schallbild dem Hörer erscheint;
  • b) die stereofone Auflösung - das ist die subjektiv empfundene Richtungslokalisierung von Elementen des fiktiven komplexen Schallbildes innerhalb des Hörwinkels relativ zueinander;
  • c) die akustische Atmosphäre - das ist die subjektiv empfundene Wirkung, die den Hörer in den Raum des Geschehens mit einbezieht, d. h. die bei ihm die Vorstellung erweckt, selbst im Ursprungsraum mit anwesend zu sein. Die Technik, die dieses ermöglicht, wird als Ambiofonie bezeichnet.

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Der Hörwinkel

Bei der klassischen monofonen Übertragungstechnik ist die Hörperspektive im wesentlichen durch den Hörwinkel gekennzeichnet. Darüber hinaus vermittelt die monofone Technik noch eine Vorstellung über die Tiefenstaffelung der Einzelschallquellen und über die Halligkeit sowie in gewissem Maße auch über die Dimensionen des Aufnahmeraumes (durch Wahrnehmung der ersten Reflexionen von den Studiowänden).

Die weitere Vervollständigung des „gehörten Bildes" bleibt der Phantasie des zum bewußten Miterleben bereiten Hörers überlassen.

Der Hörwinkel kann hierbei auf der Wiedergabeseite durch die Art der verwendeten Abhöreinrichtung in gewisser Weise beeinflußt werden, wobei der beim Hörer entstehende Eindruck vom „Loch in der Wand" bei Verwendung eines normalen Einzellautsprechers über die Verbreiterung zu „einem offenen Fenster" bei Verwendung von zwei oder mehr in Abstand zueinander gestellten Lautsprechern bis zu einem „anonymen Räumlichkeitseindruck" bei Verwendung eines Kugellautsprechers variieren kann.

Die stereofone Zweikanaltechnik

Demgegenüber eröffnet die Zweikanaltechnik die Möglichkeit, zusätzlich die stereofone Auflösung in der Horizontalen, die zu einer richtungsgerechten Empfindung führen soll, zu übertragen und außerdem die akustische Atmosphäre, die hervorragend gekennzeichnet ist durch die Umfließung des Hörers mit Informationen aus dem diffusen Schallfeld des Ursprungsraumes.

Verfahren zur Abbildung einer richtungsmäßigen Auflösung in entsprechenden mit den Verhältnissen im Wohnraum verträglichen Basisbreite sind vielfach behandelt worden, sowohl in Laufzeit - als auch in Intensitätsstereofonie, wobei auch Kombinationen beider Verfahren möglich sind.

Die Vorstellung, im Ursprungsraum anwesend zu sein

In der Literatur fehlt es nicht an zahlreichen Hinweisen und Auffassungen, wonach der Abbildung der akustischen Atmosphäre des Ursprungsraumes bzw. der Erzeugung eines Raumeindrucks beim Hörer - der diesem die Vorstellung vermittelt, im Ursprungsraum anwesend zu sein - mindestens eine gleiche, wenn nicht gar eine größere Bedeutung zukommt als der Abbildung der richtungsgerechten Auflösung der komplexen Schallquelle.

Die ambiofone Wirkung im Wiedergaberaum

Zum Erzielen einer ambiofonen Wirkung im Wiedergaberaum sind verschiedentlich Möglichkeiten erörtert worden, aus dem Primärsignal einer Übertragung durch künstliche Verzögerung einzelne Reflexionen abzuleiten und diese mit oder ohne zusätzliche Verhallung mit verschiedenen Laufzeiten durch im Wiedergaberaum verteilte Lautsprecher abzustrahlen.

Dieses Verfahren wurde von Vermeulen in Verbindung mit seinen Untersuchungen über „Stereonachhall" zur Verbesserung der Hörsamkeit größerer Räume angewendet (z. B. Philips-Theater in Eindhoven, Mailänder Scala).

Ein solches Verfahren für den Hörer im Wohnraum angewendet, wäre aber sehr aufwendig und unökonomisch wegen der erforderlichen Geräte zum Erzeugen der verschiedenen Einzelreflexionen. (Anmerkung : Wir sind noch in 1965. Das änderte sich in 1994.)

Außerdem hat Lauridsen bereits darauf hingewiesen, daß die steilen Einsatzfronten vieler Instrumente, wenn man sie unter Nachbildung von Einzelreflexionen verzögert wiedergibt, unwirklich stark zerklüftete Hüllkurven für den künstlichen Raumschall ergeben.

Die ausgeglichenen Hüllkurven .....

Aus diesem Grunde verwendete Lauridsen bei seinen Untersuchungen der M/S-Technik (Anmerkung : M und S bedeutet Mitte und Seite) zur Abbildung der Rauminformation über den zweiten Kanal als S-Signal wahren Raumschall, der gegenüber dem aus Einzelreflexionen imitierten künstlichen Raumschall mehr ausgeglichene Hüllkurven hat, wodurch verwischte Konturen hervorgerufen werden, die subjektiv als angenehmer empfunden werden.

Die Frage der Einbeziehung des Hörers in den Ursprungsraum bzw. die Frage der sogenannten Ambiofonie ist eng verknüpft mit der Abbildung der Verhältnisse des indirekten Schallfeldes im Aufnahmeraum in den Wiedergaberaum, d. h. der Verhältnisse, die am Ort eines Beobachters im Aufnahmeraum nach dem Eintreffen der ersten Wellenfront vorliegen.

Die Charakterisierung des Raumeindrucks

Der maßgeblichste Parameter zur Charakterisierung eines bestimmten Raumeindrucks ist das Energieverhältnis von reflektiertem Schall zu direktem Schall an einem bestimmten Raumpunkt, nachfolgend als Refl./Dir.-Verhältnis bezeichnet, und sein zeitlicher Verlauf.

Es kann als Maß für die Einbeziehung des Hörers in den Raum in einem entsprechenden Abstand zur Schallquelle gewertet werden.

Die Abhängigkeiten

Bild 1. Verlauf des R/D-Verhältnisses in einem Rechteckraum von 10.000 m3 in Abhängigkeit von der Lautzeitdifferenz At gegenüber dem Direktschall für einen Abstand von 24m zwischen Schallquelle und Beobachter
Bild 2. Verlauf des R/D-Verhältnisses wie Bild 1, jedoch beträgt der Abstand von der Schallquelle zum Beobachter jetzt 10m
Bild 3. Verlauf des R/D-Verhältnisses in einem

An Hand von Betrachtungsmethoden der geometrischen und der statistischen Raumakustik kann nachgewiesen werden, daß der zeitliche Verlauf des R/D-Verhältnisses vom Volumen und von der Nachhallzeit des Aufnahmeraumes und vom Abstand des Beobachters zum Schallereignis abhängt.

Um sich eine Vorstellung vom zeitlichen Verlauf der Rauminformationen in einem großen Raum zu machen, ist in Bild 1 und 2 für einen Rechteckraum von 10.000 m³ die Schallenergie der einzelnen Reflexionen, bezogen auf die Energie des direkten Schalles, als Funktion der Laufzeitdifferenz dargestellt, und zwar in Bild 1 für einen Abstand des Beobachters von 24m von der Schallquelle, also z. B. im hinteren Parkett, und im Bild 2 für einen Abstand des Beobachters von 10m von der Schallquelle, also z. B. im vorderen Parkett.

Im Vergleich hierzu ist in Bild 3 der R/D-Verlauf in einem Wiedergaberaum von nur etwa 100 m³ mit einer Nachhallzeit von etwa 0,5sec angegeben.
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Eine Gegenüberstellung der Bilder zeigt

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  • 1. daß die Hüllfunktion für die Rückwürfe verschieden steil verläuft, für den kurzen Abstand bedeutend steiler als für den großen Abstand zur Schallquelle;
  • 2. daß die Dichte der Rückwürfe im Zeitintervall der Verwischungsschwelle des Ohres (ca. 50 msec) im Falle der großen Entfernung bedeutend größer ist als bei der kurzen Entfernung.

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Im zweiten Fall liegt beim gewählten Beispiel des Aufnahmeraumes innerhalb der ersten 30 msec nur eine einzige Reflexion unmittelbar nach dem direkten Schall vor. Alle weiteren Reflexionen treffen erst nach dieser Zeit ein.

Will man die verfälschende Eigenakustik des Wiedergaberaumes, wie sie sich beim Vergleich der Bilder 1 und 2 mit dem Bild 3 ergibt, überwinden, so muß man den Verlauf des R/D-Verhältnisses aus dem Aufnahmeraum im Wiedergaberaum abbilden.

Die Ambiofonie in der Praxis

Für die Durchführung der Ambiofonie bietet sich folgendes Verfahren an *1). Um energiereiche Rauminformationen zu übertragen, benütze man ein Raummikrofon im weitgehend indirekten Schallfeld, d. h. im hintersten Teil des Aufnahmestudios, und überlagere die von diesem Mikrofon aufgenommenen Signale den vom Primärmikrofon aufgenommenen Direktsignalen.

*1) Einzelheiten sowie umfassende Literaturhinweise sind aus den Veröffentlichungen des Verfassers in „Nachrichtentechnik", Heft 7/65, Seite 246, und „radio und fernsehen" Heft 11/65, Seite 327, zu entnehmen.
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Bild 4. Prinzip der mono-ambiofonen Übertragung. K = Klangkörper; V = Verzögerungsgerät; D = primäres Monomikrofon; R = Raummikrofon; U = Umsetzer; L1 und L2 = Hauptlautsprecher; L3 und L4 = diffus einstrahlende Zusatzlautsprecher; gestrichelt = gegenphasige Anschaltung

Dabei werden die Direktsignale um eine dem Laufweg Direktmikrofon - Raummikrofon entsprechende Zeit verzögert (im vorliegenden Beispiel um etwa 55 msec).

Anderenfalls würden sonst, da durch die elektrische Übertragung die Signale des direkten und des Raumschalles nach ihrem Eintreffen an den jeweiligen Lautsprechern im Wiedergaberaum sofort abgestrahlt werden, die Informationen des direkten Schalles im Gegensatz zu den Verhältnissen im Ursprungsraum zu früh ankommen.
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Die Direktinformation und die Rauminformation

Die Direktinformation kann nun ein monofones Signal M sein (Bild 4 - rechts), das gleichphasig über zwei Lautsprecher abgestrahlt wird, oder zwei übliche Stereosignale Dx und Dy (Bild 5 - weiter unten).

Die Rauminformation kann mit einem Monomikrofon (Kugel- oder Nierencharakteristik) aufgenommen werden (Mr) oder z. B. durch zwei nach den vorderen oberen Raumecken ausgerichtete Nierenmikrofone (Rx und Ry), aus denen durch Umwandlung (mittels Differentialübertrager) die weiter zu verarbeitende Rauminformation gewonnen wird, die im einfachsten Fall den Direktsignalen gegenphasig zugeführt wird (Bild 5 - weiter unten).

In vereinfachter Weise kann hierbei auch ein zu den Seitenwänden orientiertes Achtermikrofon verwendet werden, dessen Information unmittelbar mit dem primären Stereo-S-Signal kombiniert wird.

Die mathematische Form der Signale

Für den allgemeinen Fall der Stereo-ambiofonen Übertragung ergeben sich dann durch Überlagerung folgende zusammengesetzte Signale (Bild 5)
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die in Zweikanal-Technik übertragen bzw, aufgezeichnet werden können.

Verwendet man das primäre Stereomikrofon im weitgehend direkten Feld, so ist das Verfahren im Prinzip kompatibel, da ein optimales monofones Signal auch eine gewisse Rauminformation enthalten muß, was durch die Mischung M = M + Mr gewährleistet ist. In veränderter Schreibweise folgt aus den Gleichungen (1) die nachstehenden Beziehungen (2)
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Bild 5. Prinzip der stereo-ambiofonen Übertragung. Bedeutung der Buchstaben wie Bild 4, jedoch ist D hier ein primäres Stereomikrofon


D. h. die resultierenden Signale X(Dach) und Y(Dach) enthalten außer den primären Stereoinformationen X und Y gleichphasig die dem akustischen Mittel- oder Schwerpunkt zugeordnete Rauminformation Mr und gegenphasig die von den Seitenwandreflexionen herrührende Rauminformation Sr.

Verwendet man zum Erfassen des Raumschalls ein Koinzidenzmikrofon, so führt die elektrische Kombination der Signale Mr und Sr nach den Gleichungen (2) in gewissen Fällen zu bestimmten Orientierungen über die Richtung einzelner Rückwürfe aus dem vorderen Halbraum entsprechend Gleichung (la).

und noch mehr Mathematik .....

Verwendet man als Rauminformationen Mr und Sr die nicht koinzidenten Signale zweier distanzierter Mikrofone, so ergibt entsprechend dem Gleichungspaar (2) die gleichphasige Anschaltung des Mr-Signals einen zwischen den beiden Lautsprechern im Vordergrund liegenden Raumeindruck, während das gegenphasig zugesetzte Sr-Signal eine Erweiterung des Raumeindrucks nach den Seitenwänden hin über die Lautsprecherbasis hinaus bewirkt.

In diesem Falle kennzeichnet das Verhältnis Sr/Mr eine gewisse Wägung der vorderen und der seitlichen Raumreflexionen zueinander. Eine Kombination beider Mikrofontechniken zur Erfassung des Raumsignals ist möglich.

Hierfür ergeben sich verschiedene schaltungstechnische Varianten, die im einzelnen nicht näher dargestellt sind.

Die psychoakustische Wahrnehmung des Schallbildes

Wird von den beiden Stereolautsprechern als Raumsignal nur die Mr-Information in gleichphasiger Anschaltung übertragen, so empfindet man das stereofon aufgelöste Schallbild wie durch ein großes Fenster aus einem dahinterliegenden Raum.

Gegenüber der üblichen nur mit einem primären Stereomikrofon aufgenommenen Übertragung enthält das Schallbild jetzt mehr Rauminformationen, wodurch es halliger erscheint und deutlicher erkennen läßt, daß die Aufnahme aus einem mehr oder weniger großen Raum kommt.

Das Gefühl, selbst in diesem Raum anwesend zu sein, tritt hingegen nicht auf. Wird dagegen als Raumschall außerdem gegenphasig die Seiteninformation Sr übertragen, so tritt eine gewisse Einbeziehung des Hörers in den Ursprungsraum ein, da er auch Raumschall aus seitlichen Richtungen empfindet.

Die gewollte Einbeziehung des Hörers in den Raum

Die Berechtigung, die Rauminformation Sr entsprechend den Gleichungen (2) gegenphasig hinzuzufügen, leitet sich in anderer Betrachtungsweise außerdem aus den von Lauridsen durchgeführten und später von Schodder wiederholten Kopfhörer- und Lautsprecher-Untersuchungen mit Einzelrückwürfen ab.

Aus dem Primärsignal abgeleitete verzögerte und den Ohren gegenphasig zusätzlich zum konphasen Primärschall dargebotene Schallanteile erwecken danach beim Hörer das akustische Gefühl, in den Raum mit einbezogen zu sein.

Die Wirkung, die sich mit Hilfe der Laufzeittheorie erklären läßt, beruht darauf, daß der konstante Phasenunterschied für die verzögerte Wiedergabe eine für jede Frequenz andere Zeitdifferenz und damit subjektiv eine andere Richtung bedeutet.

Man hört im Rückwurf die verschiedenen Frequenzen aus verschiedenen Richtungen, was naturgemäß einen räumlichen Eindruck hervorruft.

Die monofon-ambiofoner Übertragung

Will man nur monofon-ambiofon übertragen, so ist es zweckmäßig, die Informationen X = M + Mr und Y = M - Mr zu bilden und diese in der bekannten Links-Rechts-Technik abzustrahlen (Bild 4). Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß bei monofon-ambiofoner Übertragung die Abhörtechnik beim Hörer die gleiche bleiben kann wie bei der Stereoübertragungstechnik.

Die Einbeziehung des Hörers in die akustische Atmosphäre des Ursprungsraumes wird dann optimal sein, wenn der Hörer auch Rauminformationen aus dem hinteren Halbraum erhält, wie es beim Originalgeschehen der Fall ist.

Diese Informationen sind im allgemeinen in der Intensität geringer gegenüber den Informationen aus dem vorderen Halbraum, da sie infolge längerer Laufwege und zwei-, drei- und mehrmaliger Reflexion entsprechend dem Absorptionsvermögen der Wände stärker geschwächt sind.

Um auch diesen aus den übrigen Raumteilen des Aufnahmeraumes herrührenden diffusen Informationen (Bild 4 und Bild 5} Rechnung zu tragen, ist es angebracht, z. B. ebenfalls aus den hinteren Raumkanten des Wiedergaberaumes gegenphasig eine Einstrahlung des S- bzw. Mr- Signales mit einem gegenüber dem vorderen Halbraum um einige dB verminderten Pegel vorzunehmen, wobei diese Informationen entsprechend dem zu erwartenden frequenzmäßigen Nachhallzeitverlauf des Ursprungsraumes frequenzkorrigiert sein können (S' bzw. Mr'). Für die Einstrahlung dieser Signale kann aber auch die Verwendung eines zu den Seitenwänden orientierten Gradientlautsprechers nützlich sein.

Was denn nun ? Stereofonie oder Ambiofonie

Wenn man die Frage stellt: Was ist zur Steigerung des Raumeindrucks wichtiger, die Stereofonie oder die Ambiofonie, so muß man diese Frage wohl wie folgt beantworten:

Mit der Stereofonie allein ist es möglich, den Eindruck wie in den ersten Reihen eines Konzertsaales zu erzielen, sowohl was die Auflösung in der Breite wie auch die Staffelung in der Tiefe des Klangkörpers anbetrifft.

Aber dort befinden sich bekanntlich nicht die besten Plätze.

Mit der Ambiofonie ermöglicht man die Einbeziehung des Beobachters in die akustische Atmosphäre des Aufnahmeraumes in einem entsprechenden Abstand zum Schallereignis, verbunden mit Vorstellungen über die Art und Größe des Saales entsprechend dem Verlauf der Hüllfunktion des indirekten Schalles.

Je nach Inhalt und Form des zu übertragenden Schallereignisses wird einmal die Komponente der stereofonen Auflösung, ein andermal die Komponente der Ambiofonie von größerer Bedeutung sein.

Zum Beispiel wird für die Übertragung einer Gruppe von Sprechern - aus einem kleinen Raum in einen kleinen Raum - nur die stereofone Komponente wichtig sein, da Aufnahmeraum und Wiedergaberaum bereits eine ähnliche Akustik haben und somit die Einstrahlung des direkten Schalles allein schon ein ähnliches indirektes Schallfeld wie im Originalraum erzeugt.

Hier bewirkt indessen die stereofone Komponente eine größere Durchsichtigkeit und Klarheit in bezug auf das Auseinanderhalten der verschiedenen Stimmen.

Ein guter Sitzplatz wie in einem Konzertsaal

Für den Fall des guten Sitzplatzes in einem Konzertsaal wird zweifellos die Einbeziehung in den Raum mindestens genauso wichtig sein wie die stereofone Auflösung.

Das Stereohörspiel stellt an ein zwei-kanaliges Hörsystem besonders große Anforderungen, wenn es nicht zu einem totalen Schallspiel mit vielerlei Effekten und Nebengeräuschen erniedrigt werden soll.

Hier gilt es, einerseits die Vorteile der Stereofonie hinsichtlich verbesserter Klarheit und Durchsichtigkeit auszunutzen, andererseits aber die bereits in der monofonen Technik darstellbare Verbindung zwischen dem sprechenden und dem zuhörenden Individuum nicht durch das Errichten einer unkünstlerischen Rampe, wie es bei Anwendung reiner Stereofonie passieren kann, zu zerstören.

Zur Erreichung dieses Zieles wird das stereo-ambiofone Verfahren ein geeignetes technisches Mittel sein.

Wesentlich für die Zukunft des Hörspiels ist, daß nunmehr eine Zweikanaltechnik existiert, mit der von Fall zu Fall entsprechend der Absicht der Hörspielschaffenden monofone, stereofone und stereo-ambiofone Wirkungen erzielt werden können.

Zusammenfassung

Zusammenfassend kann auf Grund der vorangegangenen Ausführungen gesagt werden, daß sich für bestimmte Fälle der elektroakustischen Übertragung die Möglichkeit anbietet, durch bewußte Trennung von Stereoinformationen aus dem weitgehend direkten Schallfeld und von Rauminformationen aus dem weitgehend indirekten Schallfeld bei geeigneter Verarbeitung und Abstrahlung derselben zu verbesserten Gestaltungsmöglichkeiten in der Studiotechnik zu kommen, die auch der angestrebten künstlerischen Kompatibilität der abgeleiteten monofonen Fassung besser Rechnung tragen.

Durch geeignete Dosierung der Teilsignale wird außerdem das bei stereofoner Wiedergabe gefürchtete „Loch in der Mitte" vermieden.

FUNKSCHAU 1965, Heft 23 - Seite 645 - PROF. DR.-ING. LOTHAR KEIBS (Adlershof)
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