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Aus der FUNKSCHAU 1979, Heft 9 - II.Teil

von Prof. Dipl.-Ing. Heinrich Williges

Über Herrn Prof. Dipl.-Ing. Heinrich Williges

Prof. Dipl.-Ing. Heinrich Williges (69) studierte Nachrichtentechnik an der TH Karlsruhe. Von 1936 bis 1944 als Entwicklungsingenieur bei Siemens- Apparate- und Maschinenbau GmbH auf dem Gebiet der Steuer- und Regelungstechnik tätig, dabei hervorgetreten mit drei Patenten. Nach dem Krieg wandte er sich der Elektroakustik zu und war von 1952 bis 1955 in der Tontechnik beim Rundfunk tätig.
Seit 1955 als freier Mitarbeiter bei der Fa. Isophon- Werke GmbH, Berlin. Von 1971 bis 1978 Vorsitzender des Fachnormenausschusses „Laut- sprecher" und in dieser Eigenschaft deutscher Sprecher bei der IEC (International Electrical Commission). Nach Lehrtätigkeit ab 1955 an der Ing.- Akademie Gauß, Berlin; 1971 Berufung zum Professor an die Technische Fachhochschule Berlin für das Lehrgebiet Technische Akustik und nach der Pensionierung dort noch als Lehrbeauftragter tätig.

Die Lautsprecherwiedergabe im Wohnraum - Teil 2
Psychologische und physiologische Hörbedingungen für das Schallfeld in Wohnräumen

Die Grundig Hifi-Stereo Truhe Stolzenfels mit dem typischenGrundig Sound, 1970 noch recht beliebt.

Bei einer Beschallung des Wohnraumes, bei der der Hörerplatz mehr oder weniger stark dem direkten Schallfeld der beiden Stereo-Lautsprecher ausgesetzt ist, wird bei vielen Hörern noch keine befriedigende Empfindung einer originalähnlichen Wiedergabe hervorgerufen.

Dies liegt daran, daß alle Schallinformationen aus einem Winkelsektor wahrgenommen werden, der dem Öffnungswinkel vom Hörerplatz zu den beiden Stereolautsprechern entspricht. Infolgedessen kommt auch der Raumschall des Originalraumes aus der gleichen, d.h. falschen Richtung gegenüber dem Schall der Schallquellen.
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Bild 6. Unterschied des Schalldruckpegels im Freifeld bei frontalem Schalleinfall sowie bei diffusem Schalleinfall für gleich empfundene Lautstärken (nach ISO R 454)

Der Hörer hat daher die Empfindung, von einem akustisch isolierten Platz aus über den Öffnungswinkel in den Originalraum hineinzuhören. Bewegt er sich geringfügig aus dem optimalen Hörort, dann zerfällt die stereofonische Abbildung und er hört bevorzugt den ihn am nächsten befindlichen Lautsprecher.

Der Wunsch, in das originale Schallfeld mit einbezogen zu sein und damit ein aktiveres Erleben zu ermöglichen, bleibt dabei für den Hörer unerfüllt.
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Diffuser Reflexionsschall im Wohnraum

BOSE 901 directreflecting
Grundig Kugelboxen

Schon wesentlich günstiger und dem Original ähnlicher wird diese Empfindung/Übertragung empfunden, wenn man einen diffusen Schall in Form von Reflexionen im Wohnraum hinzufügt. (Anmerkung : Das Bose 901 Prinzip.) Dabei muß aber eine Höreigenschaft berücksichtigt werden, die aus Bild 6 hervorgeht.

Danach empfindet man den Diffusschall bei 1000 Hz um 3dB lauter, bei 3000 Hz um 2dB leiser und bei 8000 Hz um 4dB lauter als frontalen Schalleinfall, wenn man in beiden Fällen die Schallfelder mit gleicher Intensität und geradem Frequenzgang dem Ohr anbietet.

Bei einer Musikübertragung ergeben sich dadurch unterschiedliche Klangempfindungen, wie man seit der Anwendung von Kugelstrahlern weiß. So klingen z. B. Geigen infolge der hörmäßig empfundenen Überhöhung bei 8000 Hz unnatürlich scharf. Man kann diesen Effekt dadurch beseitigen, daß man den Übertragungsfrequenzgang der Lautsprecher um so mehr spiegelbildlich zur Kurve nach Bild 6 macht, je mehr indirekte Schallanteile abgestrahlt werden.

Ortungsmöglichkeit und Ortungsfähigkeit

Bei der indirekten Beschallung darf jedoch nicht übersehen werden, daß die Ortungsmöglichkeit für virtuelle punktförmige Schallquellen zurückgeht.

Als Gesetzmäßigkeit gilt:

Je direkter der Schall ist, der am Hörort eintrifft, um so schärfer ist die Ortungsfähigkeit. Jedoch ist der Nachteil damit verbunden, daß diese Ortungsfähigkeit nur für eine eng begrenzte Hörzone im Wohnraum gilt.
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Die BOSE 901 Serie IV mit den jeweils 8 Chassis zur Rückseite, also zur Wand.

Je größer der Anteil des diffusen Schalles ist, um so breiter wird die Hörzone für stereophone Abbildung im Wohnraum auf Kosten der Ortungsschärfe sowie der Gewinn an Raumempfinden.

Wie weit der Hörer zu Hause einen Kompromiß wünscht, hängt von seinem eigenen Geschmack ab. Daraus erklärt sich auch das breite Angebot von Lautsprecherboxen mit scharf zum Hörort bündelnden Lautsprechern bis zu Ausführungen, bei denen nur wenige Lautsprecher direkt zum Hörort und die überwiegende Zahl aus der Box seitwärts, nach oben oder nach hinten in den Wohnraum strahlt (BOSE 901).

Anmerkung: Diese Aussage stimmt nur bedingt, weil gerade die BOSE 901 bewiesen hatte, daß man die Instrumente eines Orchesters auf den Zentimeter genau orten konnte. Das machte damals die sensationelle Räumlichkeit der BOSE 901 aus.

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Weitere Unterschiede

Zwischen dem Abhören über Regielautsprecher und dem Hören von Musik im Wohnraum bestehen noch weitere Unterschiede.

So soll der Abhörpegel im Regieraum
möglichst dem Pegel im Originalraum entsprechen. Er liegt im Mittel üblicherweise bei 85 bis 90dB. Dieser Pegel wird vom Hörer zu Hause als zu hoch empfunden, wie bereits aus einer Hörerbefragung des WDR hervorgeht [3].

Eine leise Wiedergabe
wird zwar teilweise aus Rücksicht auf Wohnungsnachbarn gewählt, aber auch ein großer Prozentsatz von Hörern, die in Eigenheimen wohnen und diese Rücksicht nicht zu nehmen brauchen, bevorzugen auch bei bewußtem und konzentriertem Musikhören eine leisere Wiedergabe.

Offensichtlich besteht gefühlsmäßig eine optisch-akustische Relation zwischen Raumgröße und originalähnlich empfundenem Pegel. Ausführliche Untersuchungen über Hörgewohnheiten wurden 1976 von der Technischen Hochschule in Stockholm durchgeführt [4], wonach im Wohnraum im allgemeinen um 10 ...  15dB niedrigere Pegel als in Regieräumen bevorzugt werden.

Pegel- und Leistungsbeziehungen

Zu den Problemen der Wohnraumbeschallung gehört auch die Festlegung der Größenordnungen für die aufzubringenden akustischen und elektrischen Leistungen. Darin besteht - nachdem auf dem Markt Verstärkerleistungen von 100W bis 200W und mehr für den Heimgebrauch angeboten werden - selbst in Fachkreisen zur Zeit eine große Unsicherheit.

Zur Aufstellung einer Leistungsbilanz muß man zunächst die erforderliche akustische Leistung für den Lautsprecher ermitteln. Will man z. B. in einem Wohnraum einen maximalen Schalldruckpegel von 94dB erzeugen, dann enstpricht dies umgerechnet am Hörplatz einem Schalldruck von 1 Pascal oder 10 fibar.

Leistungsberechnung für Wohnräume (Theorie)

Geht man dabei von einem Wohnraumvolumen von z. B. 50m³ und 0,5s Nachhallzeit aus und setzt man weiter voraus, daß der Hörplatz im Diffusfeld des Lautsprechers liegt, dann muß die Lautsprecherbox eine akustische Leistung von 10 mW abgeben. Will man die gleiche Pegelbedingung in einem größeren Wohnraum von z. B. 100 m³ bei 0,4s Nachhallzeit erzeugen, ergibt sich vergleichsweise eine notwendige Leistung von 25mW.

Für eine überschlägliche Rechnung kann man bei einer Lautsprecherbox mit guter Annäherung einen Wirkungsgrad von 0,4% zugrunde legen und erhält damit eine notwendige Verstärkerleistung von 2,5W im kleinen Wohnraum und von 6,3W im größeren Wohnraum.

Bei diesen Leistungsangaben handelt es sich um Effektivwerte, welche üblicherweise bei den Leistungsdaten eines Verstärkers entsprechend den Normen für eine Sinusfrequenz von 1000 Hz angegeben werden; der Klirrfaktor muß dabei unter 1 % liegen.

Der Klangeindruck

Der niedrigere Hörpegel im Wohnraum wirkt sich gehörmäßig nun in verschiedener Weise aus. Aus den bekannten Hörkurven für Dauertöne ergibt sich die Gesetzmäßigkeit, daß die Phonkurven bei tiefen Frequenzen um so enger verlaufen, je niedriger die Pegel sind. Bei leiser Musikwiedergabe rufen daher Änderungen im Pegel stärkere Unterschiede in der Lautheitsempfindung hervor als die gleichen Änderungen bei höherem Lautstärkeniveau.

Bei hohen Frequenzen ergibt sich gehörmäßig ein Unterschied durch den sog. Verdeckungseffekt.

Der Verdeckungseffekt

Nach dieser Gesetzmäßigkeit werden in komplexen Klängen von Musik und Sprache höhere Frequenzanteile durch tiefere verdeckt, d.h. unhörbar gemacht; dabei ist dieser Verdeckungseffekt in komplizierter Weise noch frequenz- und pegelabhängig.

Die Veränderung des Klangeindrucks auf Grund des Verdeckungseffekts wirkt sich nun so aus, daß der Klang bei kleinerem Pegel durchsichtiger wird.

Bei zusätzlicher Diffusbeschallung kommt noch eine weitere Gesetzmäßigkeit hinzu, daß nämlich der Verdeckungseffekt um so geringer ist, je größer der Winkel wird, den die entsprechenden Schalleinfallsrichtungen mit dem Hörort bilden.

Eine zu große Durchsichtigkeit eines Schallbildes kann manchmal zu einem unerwünschten Effekt führen, wenn z. B. entsprechend der Absicht des Komponisten eine besondere Klangverschmelzung von Instrumentenklängen gefordert wird.
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Wichtig: Zwei Lautsprecherpaare im Regieraum

Wie die vielen Gesichtspunkte in der vorliegenden Zusammenstellung zeigen, bestehen wesentliche Unterschiede bei der Beschallung von Wohnräumen einerseits und Regieräumen andererseits. Im Prinzip ist dies sowohl in der Rundfunktechnik als auch bei der Schallplattenproduktion bekannt.

Es ist daher üblich,
die Produktion im Regieraum außer über den Regielautsprecher auch über einen Heimlautsprecher mittlerer Qualität und mit niedrigerem Wiedergabepegel abzuhören. Wie nicht anders zu erwarten, findet man dabei die Gesetzmäßigkeit bestätigt, daß ein Abmischen nach dem Klangbild des Heimlautsprechers zu einer schlechteren Wiedergabequalität über den Regielautsprecher führt als umgekehrt.

Die Hüllkurve und das Crestmaß

Nun ist aber die Hüllkurve für die Frequenzen von Sprache und Musik alles andere als sinusförmig. Es muß daher noch eine weitere Beziehung berücksichtigt werden, die sich aus folgendem ergibt.

Das Verhältnis von Scheitelwert zu Effektivwert einer Wechselstromgröße bezeichnet man mit Scheitel- oder auch Crestfaktor. Dieser wird bei einem sinusförmigen Signal logarithmisch umgerechnet und ergibt etwa ein Scheitel- oder Crestmaß von 3dB. Wird nun bei einem Verstärker das Crestmaß von 3dB überschritten, dann wird sein Klirrfaktor unzulässig größer. Schaltet man auf den Verstärker gleichzeitig zwei verschiedene Frequenzen, z. B. eine Grundwelle und ihre dritte Harmonische, dann können sich je nach Phasenlage der beiden Frequenzen zueinander verschiedene Crestmaße ergeben, welche zwischen 2 und 5dB liegen.

Ein Verstärker wird also bei Vollaussteuerung
im ersteren Falle das Frequenzgemisch unverzerrt übertragen, im zweiten Falle jedoch bereits verzerren. Um das Frequenzgemisch im zweiten Falle verzerrungsfrei zu übertragen, müßte die Nennausgangsleistung des Verstärkers gegenüber dem 3dB Wert einer Sinusgröße um 2dB höher sein.

Noch krasser werden die Verhältnisse, wenn es sich um viele verschiedene Frequenzen handelt. Bild 7 zeigt vier verschiedene Oszillogramme, die sich ergeben, wenn man nur die gegenseitigen Phasenlagen der 20 Komponenten verändert.

Lautsprecher mit Rausch-Signalen einmessen

Bedeutsam ist, daß das Gehör alle vier Klänge mit gleicher Intensität und gleicher Farbe empfindet [5]. Die Effektivwerte der vier Oszillogramme sind gleich, jedoch die Scheitelwerte und damit die Crestfaktoren sind sehr unterschiedlich.

Die Auswertung liefert bei den Oszillogrammen von unten nach oben steigend die Crestmaße 12dB (a), 14dB (b), 19dB (c) und 22dB (d). Die Nennausgangsleistungen der Verstärker müssen also zur verzerrungsfreien Lautsprecherwiedergabe um entsprechende Faktoren größer sein.

Die beschriebenen Zusammenhänge werden bei Lautsprechermessungen seit langem berücksichtigt. So wird für die Ermittlung der Nennbelastbarkeit eines Lautsprechers ein Rauschsignal mit einer bestimmten Hüllkurve verwendet.
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Objektiv und neutral: Weißes Rauschen

Nun enthält z.B. weißes Rauschen in seinem Spektrum statistisch unterschiedlich hohe Impulse, wobei etwa jeder 10. Impuls ein Crestmaß von 3dB, jeder 100. Impuls ein solches von 8dB und jeder 1000. ein solches von 12dB besitzt.

Seltenere Impulse besitzen sogar ein Crestmaß von 24dB.
Damit der Meß Verstärker keine Fälschung der Meßgröße erzeugt, schreibt DIN 45573, Teil 1, vor, daß der Verstärker in der Lage sein muß, die lOfache Sinusleistung gegenüber derjenigen Leistung abzugeben, mit der der Lautsprecher während der Prüfung betrieben wird.
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Ermittelte Verstärkerleistungen von 60 bis 150 Watt

Überträgt man die gewonnenen Erkenntnisse auf die Beschallung von Wohnräumen, dann müssen also die Crestmaße von Sprache und Musik berücksichtigt werden. Dies wurde an Schallplattenaufzeichnungen untersucht; man fand hier Crestmaße von 15... 18dB.

Daraus ergeben sich gegenüber der Sinusleistung Erhöhungswerte von 12 bis 15dB für verzerrungsfreie Übertragung, d.h., Multiplikatoren von 16 bis 32. Rechnet man nur mit einem mittleren Faktror 24, dann ergibt sich in obigen Beispielen für den kleineren Raum eine erforderliche Verstärkerleistung von 60W, in dem größeren von 150 W, beim Faktor 30 bereits 75W bzw. 190W.

Geht man weiter davon aus, daß z. B. die neuen Direktschnittschallplatten noch höhere Crestmaße enthalten, dann entsprechen Werte, die nur 3 dB höher liegen, bereits den doppelten Verstärkerleistungen.

Aus allem ergibt sich die Folgerung, daß Verstärkerleistungen von 200W und mehr für Wohnräume durchaus berechtigt sind.

Wieviel Watt braucht man wirklich ?

Leider haben die hohen Leistungs-Werte, die in der Werbung dann als "Muß" dargestellt wurden, vielfach zu falschen Vorstellungen geführt.

So spricht man laienhaft in diesem Zusammenhang von hohem elektrischem Energieaufwand, von möglichem ohrenbetäubendem Lärm usw. Die wirklichen Verhältnisse ergeben, wie bereits auch aus Bild 7 hervorgeht, z. B. für den kleineren Wohnraum folgende Relationen:

Für einen Pegel von 94dB wird einem 200W Verstärker
nur eine Effektivleistung von 2,5W entnommen, d.h. ebenso viel, wie z. B. einem 20W Verstärker.

Die Leistungsreserven des größeren Verstärkers werden nur für eine verzerrungsfreie Erzeugung der Scheitelwerte für die Effektivwertleistung von 2,5W benötigt.

Die Weiterentwicklung der Verstärkertechnik
wird aus obigen Gründen mit Sicherheit allgemein zu größeren Leistungen führen, als es zur Zeit noch üblich ist. (ANmerkung wir schreiben 1979 und 50 Watt Sinus an 4 Ohm wurde von deutschen Herstellern als ausreichend erachtet.)

Dabei werden sich aber auch noch andere Gesichtspunkte ergeben. So wurden die angeführten Rechenbeispiele speziell auf die Sinusleistung der Verstärker bezogen.

Für die Erzeugung der kurzzeitigen Scheitelwerte reicht aber bereits die normmäßig definierte Musikleistung eines Verstärkers aus. Zur Zeit erreichen die Musikleistungen noch nicht einmal den doppelten Wert der Sinusleistungen. Eine Vergrößerung dieses Verhältnisses wird daher zu wirtschaftlicheren Verstärkern für die Heimbeschallung führen.

(Anmerkung: Das hat sich auch später in 2000 bis 2010 als nicht machbar erwiesen. Nur in der China Werbung wird mit den exorbitant großen PMO Leistungen von über 1000 Watt geworben. Messungen haben jedoch ergeben, daß auch in 2010 die echte Sinusleistung von der Musikleistung nur um etwa 20 bis maximal 30% übertroffen wird.)

Literatur in 1979


  • [l] Relevant HiFi-tests at home. Paper of the 47th AES-Gonvention Febr. 1974, Kopenhagen.
  • [2] Enkel F.: Neue hochwertige Abhöranlage für Regieräume. Elektron. Rundschau 1957, Heft 2, S. 51...54.
  • [3] Müller, K.: Welche Konzertdynamik wünscht der Rundfunkhörer? Bericht auf der 8. Tonmeistertagung in Hamburg, 1969. Herausgeg. von der Pressestelle des WDR.
  • [4] GabrieJson; Sjögren: Prefered listening levels and perceived sound quality at different sound levels in ,,High Fidelity" sound reproduction. Karolinska Institut Technical Audiologie, KTH Stockholm, Report TA Nr. 82, März 1976.
  • [5] Meyer; Neumann: Physikalische und technische Akustik. Verlag Vieweg u. Sohn, Braunschweig 1967, Seite 209...210.

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Zwei Artikel von Prof. Dipl.-Ing. Heinrich Williges aus Kiel im Jahr 1979

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