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Grundlagen von Mikrofonen und Stereoaufnahmen

Swiss Brass Consort und Wolfgang Sieber, Stiftsorganist Hofkirche Luzern - Quelle: Silent Work


Als Erstausgabe erschien dieser Aufsatz unter dem Titel “Aufnahmetechnik für den anspruchsvollen Amateur” in Stereoplay, Hefte 8/9 1988.

Er richtete sich ursprünglich an Musikliebhaber, die außer physikalischen Grundkenntnissen der Akustik nur wenig Wissen über Mikrofone und Aufnahmetechnik haben. Dieser Personenkreis überschätzt manchmal den notwendigen apparativen Aufwand, um selber Stereo-Aufnahmen machen zu können.

Im Folgenden werden fundamentale Grundlagen der Aufnahme- und Mikrofontechnik erklärt. Dazu gehört die Kenntnis der stereofonen Mikrofonsysteme und ihrer Be­sonderheiten. Außerdem wird die elementare Funktion von Druck- und Druckgradienten-Empfänger beschrieben sowie die mit diesen Arbeitsprinzipien verbundenen be­sonderen Eigenschaften.
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Anwendungsbereiche einfacher Aufnahmetechniken

Ein gutes Mikrofon wandelt Schall in ein äquivalentes elektrisches Signal. Eine Aufnahme ist dann lohnend, wenn der Schall am Ort des Mikrofons hörenswerte Qualität besitzt. Das mögliche Aufnahmerepertoire ist daher sehr groß.

Die mit einfachen Mitteln hergestellten Aufnahmen weisen oft erhebliche Unterschiede zu professionellen Produktionen auf.

Da ist zunächst einmal der Unterschied zwischen einem Live-Mitschnitt und einer Musikproduktion, die mit viel Technik und dem Können der Tonmeister per­fekte Aufnahmen zum Ziel hat. Selbst die schönste Auf­führung ist nicht frei von Störungen und Schwächen. Wer glaubt, dies wäre kein Problem, sollte sich nur einmal an eine Schallplatte mit einem Kratzer erinnern. Nach einiger Zeit erwartet man die Störung geradezu an der gewohnten Stelle. Mit Schnitzern einer Darbie­tung kann es einem dann genauso gehen, obwohl man sie beim ersten Hinhören eventuell gar nicht festgestellt hat. Dieses Problem hat schon manchen erfahrenen Künstler kritisch gegenüber Mitschnitten gemacht.

Ein weiterer Unterschied bei Aufnahmen, die mit nur zwei hochwertigen Mikrofonen beziehungsweise einem Stereomikrofon hergestellt wurden, ergibt sich aus den fehlenden Stützmikrofonen. Hier wird die Dis­kussion aber bereits schwierig. Fehlen die Stützen wirklich? Zwischen der ausgiebig begründbaren Befür­wortung durch die Mehrzahl der Tonmeister und der Meinung vieler Audiophiler besteht keine Einigkeit. Geschmackliche Komponenten und Schulung spielen eine Rolle. Benötigt der Verbraucher eine Hörschulung oder führen die Hörgewohnheiten und Klangvorstellun­gen einiger Tonmeister zu einer Distanz zum realen Klanggeschehen?

Tatsächlich gibt es viele CDs, die ohne Stützmikro­fone aufgenommen wurden und die sehr erfolgreich sind. Damit darf aber kein übertriebener Optimismus ausgelöst werden. Ein wohlschmeckendes Gericht er­fordert außer guten Zutaten immer noch einen guten Koch. Ebenso gehören zu einer guten Tonaufzeichnung elektroakustische Kenntnisse und Erfahrungen. Einige wesentliche Grundlagen sollen hier vermittelt werden. Man sollte aber nicht vergessen, dass „Tonmeister“ ein Beruf ist und eine Ausbildung erfordert.
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Einflussgrößen bei der Tonaufnahme

Fangen wir mit der Schallquelle an. - Die Künstler sind bei einer einfachen Aufnahmetechnik ganz auf sich gestellt. Wenn die Hilfsmittel der modernen Aufnahme­technik nicht zur Verfügung stehen, ist es beispiels­weise erforderlich, dass die Balance zwischen den einzelnen Instrumenten von den Musikern hergestellt wird. Allgemein gesehen kann dies auch durchaus der Musikaufnahme zum Vorteil gereichen.

Die eigentlichen Kriterien für die Aufnahme sind:
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  1. die Raumeinflüsse

  2. der Aufstellungsort

  3. das Stereo-Aufnahmeverfahren und

  4. die Mikrofonwahl.

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1. Raumeinflüsse

Von Konzerten weiß man, wie wichtig die Akustik des Raumes ist. Ihre Eignung hängt von der Art der Musik, vielen Details und ganz besonders von den Raumab­messungen ab. Mit kleinerem Volumen nimmt die Qua­lität in der Regel deutlich ab und endet beim Badezim­merklang. Hier wirken oft kleiner Raum, ungünstige Seitenabmessungen und geringe Bedämpfung zusam­men.

Ausgeprägte Resonanzen sind aber besonders bei tiefen Frequenzen auch in größeren Räumen feststell­bar. Sie sind ortsabhängig, was bei der Aufstellung von Mikrofonen bedeutsam ist.

Bei Aufnahmen spielt die Raumakustik eine noch größere Rolle als für das unmittelbare Live-Hören. Dies hängt unter anderem damit zusammen, dass stereo­fone Wiedergabe nur eine Illusion des natürlichen Geschehens sein kann und einige Informationen feh­len, wie alles Visuelle und das Ambiente.

In der Nähe eines Instruments hört man auch in einem Raum den direkten Schall dominierend und empfindet den Raumeinfluss weniger. Weiter entfernt ist aber der reflektierte Schall und damit der Raum­einfluss stärker.
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2. Mikrofon-Aufstellungsort

Das Verhältnis von direktem zu reflektiertem Schall nennt man die Hallbalance. Bei Aufnahmen realisiert man die Hallbalance durch die Wahl der Richtcharak­teristik und den Abstand der Mikrofone zur Schallquelle.

Wie später noch verständlich wird, dürfen Mikrofone mit ausgeprägter Richtcharakteristik, wie zum Beispiel “Nieren”, weiter von der Schallquelle entfernt aufgestellt werden als „Kugeln“, wenn die gleiche Hallbalance erwünscht ist.

Die richtige Hallbalance ist eine Frage der Musikart, des Geschmacks und eventuell von Notwendigkeiten. Wenn die Raumakustik weniger gut ist, kann es not­wendig sein, den Abstand etwas kleiner zu wählen, um den reflektierten Schall etwas schwächer ins Gewicht fallen zu lassen. Die Hallbalance wird damit zu einem “trockeneren” (weniger halligen) Klangbild verschoben.
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3. Stereo-Aufnahmeverfahren

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3.1 - Stereofone Grundprinzipien

Es ist bekannt, dass das stereofone, beziehungs­weise das Richtungshören auf zwei Effekten beruht. Erstens erreicht Schall, der zum Beispiel von links kommt, zuerst das linke Ohr und dann das rechte. Wir haben also einen Laufzeitunterschied. Zweitens bildet der Kopf für Frequenzen, gegenüber deren Schallwellenlänge er groß ist, einen akustischen Schat­ten, so dass es für Frequenzen oberhalb ca. 1,5 kHz zu einem Schallpegelunterschied zwischen den Ohren kommt.

Will man diese Effekte naturgetreu übertragen, so kommt man zur Konstruktion des Kunstkopfs. Mit ihm erreicht man bei Wiedergabe über Kopfhörer auch wirk­lich überzeugend naturgetreue Reproduktionen.

Bei Lautsprecherwiedergabe werden die Verhältnisse leider viel komplexer. Zunächst kommt dabei immer der reflektierte Schall des Wiedergaberaums hinzu. Dies ist aber mehr ein allgemeines Problem. Grundlegender ist, dass der links und rechts übertragene Schall nicht nur das eine Ohr erreicht, sondern auch das jeweils gegenüberliegende.
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3.2 Stereofone Mikrofonsysteme

Besonders wenn man sich vergegenwärtigt, dass der Hörer kaum ständig den exakt gleichen Abstand zu beiden Lautsprechern einhalten kann, wird anschau­lich, dass die natürlichen Laufzeitverhältnisse nicht über Lautsprecher übertragen werden können.

Genauer betrachtet, lassen sich Laufzeitdifferenzen in frequenzabhängige Phasenunterschiede zwischen den Kanälen umrechnen. So kommt es bei ungerad­zahligen Vielfachen einer bestimmten Frequenz zu Gegenphasigkeit, die bei Zusammenschaltung zu Mono zu Auslöschungen führt und insgesamt einen verfärb­ten Klang bewirkt. Die Aufnahme ist mono-inkompatibel.

Tonaufzeichnungen mit Laufzeitunterschieden können also bereits auf dem Übertragungsweg Schwierigkei­ten machen. In besonderer Weise kann dies auch beim Schnitt einer analogen Vinylplatte Probleme auslösen.
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Das koinzidente Stereo-Mikrofon

Derartige Betrachtungen haben zu KOINZIDEN­TEN STEREO- MIKROFONSYSTEMEN geführt.
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Abb. 1: XY-Stereofonie mit zwei Mikrofonen und Universalschiene UMS 20
  • Anmerkung : "koinzident" bedeutet ganz einfach "gleichzeitig" - mehrere (Schall-) Ereignisse werden als ein Ereignis wahrgenommen. Das gilt in der Akustik bis zu einem Zeitversatz zum Beispiel zweier Schallereignisse (bei Stereo) von etwa 3-4 Millisekunden. Ist der Zeit-Unterschied größer, sind diese Signale nicht mehr "koinzident".

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Dabei werden zwei Mikrofone derartig übereinander ange­ordnet, dass aller Schall aus der horizontalen Ebene (Musiker-Ebene) gleichzeitig beide Kapseln erreicht. Da Laufzeitunterschiede also nicht existent sind, muss die Stereofonie auf Pegelunterschieden basieren.

  • Man spricht oft etwas fälschlich auch von INTENSITÄTS-STEREOFONIE.


Technisch wird der Pegelunterschied durch Mikrofone mit ausgeprägter Richtcharakteristik erzielt.
Hierdurch wird der Schall aus der jeweiligen Richtung, in die das Mikrofon weist, bevorzugt aufgenommen.
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Die “XY-TECHNIK”

Die “XY-TECHNIK” ist die am häufigsten angewand­te Stereofonie, die auf Pegelunterschieden beruht. Als Variablen bleiben dabei die Wahl der Kapselrichtcharakteristik und der Winkel zwi­schen den Hauptachsen der Kapseln. Die richtige Ein­stellung wird später besprochen. Abb. 1 zeigt eine derartige Mikrofonanordnung.
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Die BLUMLEIN-TECHNIK

Abb. 2: Fehlerhafte XY-Anordnung. Pegel- und Laufzeitunterschiede sind gegenläufig.

Abb. 2 zeigt einen häufig gemachten Fehler. Der kleine Versatz der nicht über­einander angeordneten Systeme kann praktisch be­deutungslos sein, aber die nach links bzw. rechts gerichteten Mikrofone werden von Schall aus diesen Richtungen jeweils später erreicht als das des Nach­barmikrofons. Pegel- und Laufzeitdifferenz wider­sprechen also einander.

Als Richtcharakteristiken kommen in Frage: Nieren, Super- und Hypernieren und Achten. Bei Verwendung letzterer und einem Winkel von 90° zwischen den Mikro­fonen spricht man auch von „BLUMLEIN-TECHNIK“, zu Ehren des Stereo-Pioniers Alan Blumlein. Ein ande­rer Name für diese Technik lautet „Stereotonic“.
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Die „MS-TECHNIK“

Die „MS-TECHNIK“ gehört auch zu den koinziden­ten Verfahren. M und S bedeutet Mitte und Seite und bezieht sich auf die Anwendung jeweils eines Mikrofons, das auf die Mitte des Orchesters gerichtet wird, und eines, das seitlich die Rauminformation aufnimmt. Das Mikrofon für den S-Kanal muss Acht-Charakteristik haben, während für M beliebige Richtcharakteristiken inklusive „Kugel“ eingesetzt werden können. Die beiden Kanäle stellen zunächst noch keinen lin­ken und rechten Kanal dar und lassen sich deshalb nicht gleich stereofon abhören. Lediglich der M-Kanal ist eine saubere Monoaufnahme und kann alleine ge­nutzt werden.
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Wie sie funktioniert

Abb. 3: Einfache Funktionsbeschreibung der MS-Technik

Erst durch eine Matrizierung gewinnt man ein rechtes und ein linkes Signal. Wie man dies einfach erklären kann, zeigt Abb. 3 Das M-Mikrofon nimmt links und rechts auf, also kann man schreiben: M=links+rechts.

Das S-Mikrofon hat eine nach links und rechts orien­tierte Acht-Charakteristik und kann, dem Polardia­gramm entsprechend, aus der Mitte kommenden Schall nicht aufnehmen. Dies erklärt sich auch aus der Natur der „Acht“, die zwei gleiche Empfindlichkeitsbereiche hat, die aber gegenphasig aufnehmen. Daher ist S= links-rechts.

Die Matrizierung ist im einfachsten Fall eine Sum­men- und Differenzbildung von M und S. So ergeben sich die Signale für links und rechts.

Bevor das M- und das S-Signal addiert bzw. sub­trahiert werden, kann man natürlich das Pegelverhält­nis verändern. Der Fall, dass S=0 ist und nur M übrig bleibt, wurde schon als Mono-Signal beschrieben. Wenn man S verstärkt, ergeben sich aber Richtdia­gramme, die nach links und rechts weisen und deren Hauptachsen einen mit dem S-Signal größer werden­den Winkel einschließen.

Man regelt so die „Basisbreite“ (width) und kann dies, wenn M und S einzeln vorliegen, auch noch nach der Aufnahme machen. Bei Filmnachbearbeitungen spielt das eine große Rolle.

Wie sich die Polardiagramme ergeben und welches Problem es gibt (MS-Aufnahmewinkel), ist in Aufsatz 4 genauer beschrieben.

Koinzidente Mikrofone gibt es auch in einem gemein­samen Gehäuse für beide Mikrofone, aber dann ist man natürlich auf die „Intensitäts“-Aufnahmeart festge­legt.

Aufnahmen mittels der beschriebenen koinzidenten Aufnahmemethoden können durch eine ausgezeichnete Lokalisation der Schallquellen in der Mitte gekennzeich­net sein. Bei Aufnahme eines einzelnen Instruments ist das eventuell besonders interessant, aber bei Schall­quellen mit einer größeren Ausdehnung wünschen sich viele Hörer doch mehr Breite der Wiedergabe. Es ist einfach so, dass es diesbezüglich verschiedene Ge­schmacksrichtungen gibt.

Eine Erklärung für die gute, aber überbetonte Lokali­sation in der Mitte zwischen den Lautsprechern ergibt sich aus den Merkmalen der oft verwendeten Nieren-Mikrofone. Wie später noch ausgeführt wird, darf man sich „Nieren“ immer als Kombination aus einer „Acht“ und einer „Kugel“ vorstellen. Wie sie tatsächlich realisiert sind, ist von untergeordneter Bedeutung. Also bedeu­tet „XY-Technik“ mit zwei „Nieren“, dass 50% des Schallereignisses so aufgenommen werden, als ob man zwei ganz dicht beieinander aufgestelle „Kugeln“ für eine Stereo-Aufnahme verwenden würde. Das Er­gebnis ist Mono.

Laufzeitunterschiede tragen zum Eindruck räumlicher Tiefe bei. Genau betrachtet, gibt es dabei Unter­schiede je nach Richtcharakteristik der Mikrofone. Dennoch scheint eine Aufnahmetechnik mit kleinen Laufzeitunterschieden in einer Größenordnung, wie sie am menschlichen Kopf vorliegt, von der Mehrheit von Hörern bevorzugt zu werden.

Ein entsprechendes, recht hochgeschätztes Aufnah­mesystem wurde in langen Versuchen vom Französi­schen Rundfunk, der früheren ORTF, herausgefunden. Abb. 4 zeigt ein derartiges Mikrofon als kompakte Ein­heit. Die beiden Nieren-Kapseln sind in einem Winkel von 110° und einem Abstand von 17cm montiert. Na­türlich lässt sich dies auch mit einzelnen Mikrofonen realisieren, wie in Abb. 1 für XY gezeigt.
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Das ORTF-System

Abb. 4: ORTF-Mikrofon MSTC 64 Ug mit elastischer, körper­schall- isolierender Aufhängung A 20 S

Das ORTF-System (das ist ein spezielles Konzept für den französischen Rundfunk - "Organisation Radio Television France" - hat nichts mit dem Österreichischen Rundfunk zu tun) ist recht unkritisch in der Platzie­rung bezüglich gelungener Stereoaufnahmen und wird von vielen Anwendern als eine besonders universelle Lösung angesehen. So hat zum Beispiel die holländische Rundfunkgesellschaft NOS das eigene System (90°/30cm) nicht weitergeführt, sondern ver­wendet eher das „ORTF“ System.
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Gemeinsamkeiten :

Alle bisher genannten Prinzipien basieren auf der Verwendung von Mikrofonen mit ausgeprägter Richt­charakteristik.

Mit Kugelmikrofonen ergeben sich auf Grund ihrer theoretisch gleichen Empfindlichkeit für Schall aus allen Richtungen nicht die notwendigen Intensitätsunter­schiede.

Kondensatormikrofone mit Kugelcharakteristik sind aber die einzigen, die selbst die tiefsten von Musik­instrumenten produzierbaren Frequenzen ohne jede Abschwächung aufnehmen können. Warum dies so ist, wird später erklärt. Im Zeitalter der digitalen Aufnahme­geräte und guter Subwoofer ist dies je nach Musikart ein beachtlicher Vorteil.

Wie schon gesagt, sind Laufzeiten zwischen den Mikrofonsignalen in der Größenordnung, wie sie zwi­schen den beiden menschlichen Ohren auftreten, be­sonders interessant (siehe Kapitel 2, Theile). Wenn aber kein Pegelunterschied hinzukommt, genügt der Ohrabstand bei Verwendung von „Kugeln“ nicht, um damit basisfüllende Stereofonie zu produzieren.
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Die TRENNKÖRPER-STEREOFONIE

Dies ist ein Grund für ein Prinzip, das der Autor mit „TRENNKÖRPER-STEREOFONIE“ überschreibt. Dabei wird zwischen zwei „Kugeln“ eine Art akusti­sches Hindernis aufgebaut. Den Kunstkopf könnte man als erstes Modell und Sonderfall ansehen. Dann kam Charlin (Paris) mit einer pelzbeklebten Kugel, in die er die Mikrofone derart einbaute, dass die Mem­branebenen mit der Oberfläche abschlossen. Sein Mitarbeiter Kisselhoff erprobte weitere Formen. Jecklin wurde besonders bekannt mit seiner nach ihm benannten Scheibe, die eine einfache Realisation darstellt (auch als OSS-Technik bekannt). Die Woywod-Kugel wäre hier auch zu nennen (stereoplay 12/86). Außerdem gibt es Vorschläge, Grenzflächenmikrofone auf keilförmige Trennkörper aufzubringen. Defossez und Professor Peters mit „Clara“ (stereoplay 4/86) tun derartiges.
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Vor- und Nachteile

Alle diese Aufbauten sind interessant und finden ihre Liebhaber. Sie profitieren alle von der bereits genannten guten Tiefenwiedergabe der „Kugeln“ (Druckempfänger). Nachteile gibt es aber auch hier. Der durch den Trenn­körper hervorgerufene Pegelunterschied ist fre­quenzabhängig und besteht nicht bei tiefen Frequen­zen. Nach D. Griesinger (Lexicon) ergeben sich dadurch Nachteile bei der Lokalisation. Ferner hat der Trennkörper stets einen Einfluss auf die Eigenschaften der Mikro­fone.

Einige Hörer wollen sich mit den dadurch her­vorgerufenen Klangveränderungen nicht abfinden. So kam es zum „Kugelflächenmikrofon“, bei dem zwei Druckempfänger in eine Kugel eingebaut sind. Dr. Theile (IRT = Institut für Rundfunktechnik) begründete die Merkmale dieses Mikrofons wissenschaftlich. S. Gey­ersberger erforschte die Möglichkeiten der praktischen Realisierung mit Unterstützung der Firma SCHOEPS, bei der das Kugelflächenmikrofon inzwischen ein be­währtes Produkt ist. (Siehe auch Aufsatz 5)

Wenn man den Abstand zwischen den Mikrofonen vergrößert, benötigt man keinen Trennkörper mehr. So kommt man zu dem als LAUFZEITSTEREOFONIE oder AB-AUFNAHME bekannten Prinzip.

Der Mikro­fonabstand beträgt bei „Klein-AB“ 40 - 80cm und bei „Groß-AB“ bis zu einigen Metern. 50cm ist ein häufig passender Abstand. (Weitere Ausführungen hierzu finden sich in Aufsatz 3.)

Könner wissen die Vorteile von Kugelmikrofonen mit AB-Technik zu nutzen. Der bekannte Nachteil, dass die Lokalisation einzelner Schallquellen oft unpräzise ist, wird in Kauf genommen oder durch zusätzlichen Auf­wand (drittes Mikrofon) reduziert. Dabei spielt wiede­rum die persönliche Einstellung beziehungsweise der Geschmack eine wichtige Rolle. Auch von der Musik hängt die Bewertung der Präzision der Lokalisation ab. Oder wollen Sie die einzelnen Pfeifen einer Orgel orten?

Extreme AB-Stereofonie kann leicht zu lächerlichen Ergebnissen führen, wenn die Mikrofone zu dicht an den Schallquellen stehen. Sie artet dann in Pingpong-Stereofonie mit getrennter linker und rechter Seite aus. Vorsicht ist auch geboten bei bewegten Schallquellen wie zum Beispiel einer Sängerin, die sich heftig nach links und rechts bewegt.

AB-Aufnahmen vermitteln meist den Eindruck einer großen räumlichen Tiefe. Es ist bekannt, dass dies durch die wenig korrelierten Raumsignale an den von­einander entfernten Mikrofon-Aufstellungsorten bewirkt wird. Andererseits klingt die Monowiedergabe von AB-Aufnahmen deutlich schlechter als die koinziden­ter Aufnahmen. AB-Aufnahmen sind nicht „mono­kompatibel“.
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3.3 Aufnahmegeometrie

Abb. 5: Klassische Abhöranordnung

Ob die Ergebnisse einer XY-Konfiguration, ORTF, Jeck­lin-Scheibe oder AB besser gefällt, ist auch eine Ge­schmacksfrage. Koinzidente Techniken und AB-Aufnah­men mit “Kugeln” sind dabei die Extreme.

Außerdem muss festgestellt werden, dass kein fixes Aufnahmeverfahren allen Gegebenheiten gerecht werden kann, wie eine wissenschaftliche Darstellung von Williams zeigt. (Weitere Angaben in Aufsatz 2)

Bei der üblichen Wiedergabe im gleichseitigen Dreieck von Lautsprechern und Hörer (Abb. 5) können Schallquellen zwischen maximal -30° (links) bis +30° (rechts) lokalisiert werden. Aus diesen Richtungen müs­sen bei der Wiedergabe die extremen Links/Rechts-Positionen der Aufnahme Lokalisiert werden.

Die Lokalisation ergibt sich durch Pegelunterschied (z.B. bei XY) oder Laufzeitunterschied (z.B. bei AB) oder durch Kombination von beiden (z.B. ORTF). Die erforderliche Größe der Unterschiede für die Ortung bzw. die Lokalisation aus verschiedenen Richtungen sind aus Hörversuchen bekannt.

Andererseits lassen sich die Laufzeitdifferenzen zwi­schen zwei Mikrofonen in Abhängigkeit von der Schall­einfallsrichtung exakt berechnen. Für Schall von vorne ist die Laufzeit z.B. Null, für Schall von der Seite ent­spricht sie der Zeit, die Schall zum Durchlaufen des Mikrofonabstands benötigt. Auch der Pegelunterschied ist für Schall aus allen Richtungen berechenbar, wenn die Richtcharakteristik und der Win­kel zwischen den beiden Mikrofonen bekannt ist. Aller­dings müssen die Polardiagramme dazu exakt und möglichst frequenzunabhängig sein. Großmembran­mikrofone kommen deshalb weniger in Frage.
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3.4 - Die Williams-Diagramme

Die Kombination der hörphysiologischen Daten für die Richtungsabbildung und die errechneten Unterschie­de in Pegel und Laufzeit führen zu den Diagrammen von Williams. Ihre Anwendung bewirkt eine gleich­mäßige Verteilung der einzelnen Schallquellen eines Orchesters zwischen den beiden Lautsprechern. Größere oder kleinere Pegel- oder Laufzeitunter­schiede durch das Stereomikrofon in seiner gegebenen Aufstellung würden eine Anhäufung der Schallquellen links und rechts oder eine zu schmale Stereobasis ver­ursachen.

Abb. 6 zeigt eines dieser Diagramme für die Anwen­dung bei „Nieren“. In der Praxis wählt man als erstes den geeigneten Mikrofonaufstellungsort. Wie gesagt, hängt er von der Raumakustik, der Richtcharakteristik der Mikrofone und der erwünschten Hallbalance ab. Manchmal entscheiden hierüber aber auch praktische Gesichtspunkte.
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Abb. 6: Aufnahmewinkel ±α für Nieren nach Williams

Vom Ort der Mikrofone aus wird dann der Winkel zwischen der äußersten linken und rechten Schallquel­le bestimmt. Von der Mitte aus gemessen beträgt der Winkel +α nach rechts und -α nach links. Man sieht z.B. das Orchester folglich unter dem Winkel 2α.

Nach­dem man in Abb. 5 der Kurve für ±α folgt, lassen sich die Kombinationsmöglichkeiten vom Abstand zwi­schen den Mikrofonen und dem Winkel zwischen ihren Hauptachsen an den Achsen des Diagramms ablesen.

Aus der jeweiligen Kurve ergibt sich für das ORTF-Prinzip (Kapselabstand 17cm, Winkel 110°) zum Bei­spiel, dass alle Schallquellen innerhalb eines Winkels von ca. ±50°, also 100°, liegen sollten (nicht zu ver­wechseln mit dem mechanischen Winkel zwischen den beiden Kapseln, der 110° beträgt). Andere Erfordernis­se ergeben sich zum Beispiel bei einem sehr breiten Klangkörper oder einer sehr nahen Aufstellung, so dass der Aufnahmebereich ±70° beträgt. Wenn man den Mikrofonabstand mit 20cm vorgibt, kann man ablesen, dass der Winkel zwischen den Mikrofonen nur 50° betragen soll.

Entlang der senkrechten Achse (Ordinate) des Dia­gramms lassen sich die Winkel für koinzidente Stereo­fonie ablesen (Mikrofonabstand 0cm).

Da Kugelmikrofone theoretisch keine Pegel­unterschiede bei verschiedenen Schalleinfallswinkeln produzieren, entfällt für diese Richtcharakteristik die Betrachtung des Winkels zwischen den Mikrofonhaupt­achsen. Der Winkel, unter dem man vom Ort des Mikro­fonpaars aus das gesamte Schallgeschehen aufnimmt, und der daraus resultierende Mikrofonabstand sind tabellarisch darstellbar:
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Eine Abstandstabelle : (Tabelle 1)

Die Werte für α = ±50° und α = ±70° lassen sich z.B. auch in Abb. 6 an der horizontalen Achse (Abszisse) ablesen. (Winkel zwischen den Mikrofonen α = 0°, folg­lich kein Pegelunterschied und gleiche Verhältnisse wie bei “Kugeln”.)

Der Winkel α = 30° 40° 50° 60° 70°
Mikrofon­abstand 76 cm 60 cm 50 cm 44 cm 40 cm

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3.5 - Aufnahmewinkel

Nach Williams haben auch Sengpiel und Theile/Wittek den Aufnahmewinkel stereofoner Mikrofone auf ihre Weise beschrieben. Folgende Links geben einen Überblick:
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  • Michael Williams: www.mmad.info
    Zum Einstieg in seine umfangreiche Arbeit ist preprint 2466 besonders geeignet.
  • Eberhard Sengpiel: www.sengpielaudio.com/TheorieGrundlaAequivalenz.pdf
    Dies ist auch nur eine Seite mehrerer Abhandlungen zum Thema Lokalisation.
  • Helmut Wittek: www.hauptmikrofon.de/ima2-folder/ImageAssistant2.html
    Der „Image Assistant“ beantwortet interaktiv im Netz wie die stereofone Abbildung von Mikrofonanordnungen aussieht.

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Wie schon beschrieben, führt die Beachtung des Aufnahmewinkels dazu, dass bei alleiniger Verwendung des „Hauptmikrofons“ das aufgenommene Geschehen die Basis zwischen den Lautsprechern ausfüllt. Wenn dies gar nicht beabsichtigt ist, muss man den Aufnahmewinkel nicht respektieren. Wenn die Schallquellen z.B. nur  in einem kleinen Bereich des Aufnahmewinkels liegen, werden sie verstärkt in der Mitte lokalisiert.

Die Differenz zwischen dem Hauptachsenwinkel und dem Aufnahmewinkel bezeichnet Williams als „Offset“. Dieser beträgt beim ORTF-Mikrofon 110°- 100°. Eine beabsichtigte Besonderheit des IRT-Kreuzes ist es dagegen, dass die Kombination von Winkel und Abstand zweier benachbarter Nieren keinen Offsetwinkel ergibt und so alle „Quadranten“ rundum aneinander anschließen.

Sofern zusätzlich zum Hauptmikrofon Stützmikrofone eingesetzt werden, übertragen sie Signale, bevor diese das Stereomikrofon erreichen. Dadurch verliert das Hauptmikrofon an Bedeutung und es besteht die Empfehlung Signale von Stützmikrofonen zeitlich zu verzögern, damit sie nicht die erste Wellenfront übertragen.
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4. Die Mikrofonwahl

Mikrofone sind elektroakustische Wandler, die nicht so problematisch sind wie Lautsprecher. Es ist aber angebracht, Mikrofone höchster Qualität einzusetzen.

Besonders gilt dies, wenn es sich – wie bei einfachen Aufnahmeverfahren – um nur zwei Mikrofone handelt. Großmembranmikrofone kommen dann streng genommen nicht mehr in Frage, jedenfalls stimmen dann die Betrachtungen der Aufnahmewinkel nicht mehr, weil frequenzunabhängige Polardiagramme vorausgesetzt werden.

Kondensatormikrofone sind zweifellos die beste Wahl. Sie sind zwar teuer, können aber fast als „An­schaffung fürs Leben“ betrachtet werden. Anders als sonst bei technischen Produkten unterliegen sie nur sehr langfristig gravierenden Veränderungen. Es gibt Modelle, die seit mehr als 20 Jahren gebaut werden. Der kaum erforderliche Service ist oft noch wesentlich länger ge­währleistet.
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4.1 - Mikrofonarten

Abb. 7: Direktes und diffuses Schallfeld

Obwohl sehr gute Mikrofone den Schall fast unver­ändert übertragen, gibt es doch Unterschiede in der Art und Weise, wie sie das tun.

Ein wichtiges Merkmal von Mikrofonen ist ihre Richt­charakteristik. Wenn das Mikrofon Schall aus allen Richtungen gleich stark aufnimmt, spricht man von der Kugelcharakteristik. Das rührt daher, dass man die Empfindlichkeit für verschiedene Schalleinfallsrichtungen als Zeiger in ein Diagramm einträgt (Polardiagramm). Bei der „Kugel“, wie man Mikrofone mit Kugelcharakteristik meist kurz nennt, ergibt sich im Polardiagramm ein Kreis. Mit der dritten Dimension wird daraus eine Kugel.

Im Gegensatz zur Kugel haben andere Mikrofone eine Richtwirkung. Die bekanntesten sind “Niere” und „Superniere“. Sie nehmen Schall in ihrer so genann­ten Hauptachse bevorzugt auf.

Im Kapitel „Raumeinflüsse“ und „Mikrofon-Aufstel­lungsort“ wurde schon vom direkten und vom reflek­tierten (diffusen) Schall gesprochen. Abb. 7 stellt die Verhältnisse grafisch dar. (Vertiefung mit Erklärung des “Hallradius’” in Aufsatz 11)

Die beiden Schallarten werden von Mikrofonen ver­schiedener akustischer Arbeitsweise unterschiedlich übertragen. Das Verständnis dieser Zusammenhänge erleichtert den Umgang mit der Technik. Hier sollen die beiden wichtigsten Arbeitsprinzipien von Mikrofonen und die daraus erwachsenden Konsequenzen erklärt werden.
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4.2 - Druck-Empfänger

Druck-Empfänger haben Kugelcharakteristik. Sie sind prinzipiell so aufgebaut, wie Abb. 8c am Beispiel eines Kondensatormikrofons zeigt. Ein Volumen wird durch die Membran "abgeschlossen", so dass sie bei Druckänderungen ausgelenkt wird. Um nur den Schall­druck wirken zu lassen und eine Vorspannung durch Luftdruckschwankungen auszuschließen, sorgt eine feine Undichtigkeit für einen Druckausgleich. Die Undichtigkeit kann in Form einer Kapillaren ausgebildet sein und wirkt wie die Eustachische Röhre des menschlichen Ohrs, deren wir uns immer dann bewusst werden, wenn sie – zum Beispiel durch Erkältung – verstopft ist und Luftdruck­schwankungen relativ schnell erfolgen.

Gegenüber den Druckschwankungen einer Schall­welle ist das Volumen aber dicht abgeschlossen, so dass der Schalldruck die Membran bewegt. Wenn die Wellenlänge des Schalls gegenüber dem Mikrofon groß ist (Abb. 8a), funktioniert es wie ein Barometer. Es befindet sich in einem Druck, der rundherum prak­tisch gleich ist, und es spielt keine Rolle, woher der Schall kommt. Das Mikrofon hat Kugelcharakteristik (Abb. 8d für Frequenzen bis 3kHz).
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Abb. 8a-e: Arbeitsweise und Merkmale eines elektrostatischen Druck-Empfängers

Um eine ideale Kugelcharakteristik zu besitzen, muss ein Mikrofon sehr klein sein (etwa 5mm Durch­messer). Hierdurch hat es aber einen schlechten Stör­spannungsabstand. Übliche „Kugel-Mikrofone“ (mit gutem Störspannungsabstand) sind bei hohen Fre­quenzen nicht genügend klein gegenüber der Wellen­länge (Abb. 8b). Daher wird die Membran bei seitli­chem Schalleinfall teils gedrückt und teils gezogen. Die Empfindlichkeit wird dadurch kleiner als für axial einfallenden Schall. Wir bekommen eine Richtwirkung (Abb. 8d für Frequenzen von 5kHz und 10kHz).

Auch Kugelmikrofone richtet man daher auf die Schallquel­le aus. Für den reflektierten Schall, der ja aus allen Richtungen kommt, also auch von der Seite und von hinten, ergibt sich ein Frequenzgang, der bei hohen Frequenzen schwächer ist als im Datenblatt ausge­wiesen (Abb. 8e).

Die Messung des Frequenzgangs für das Datenblatt erfolgt grundsätzlich unter Aus­schluss aller Reflexionen und frontal auf der Achse Abb. 8a-e Arbeitsweise und Merkmale eines elektrostatischen Druck-Empfängers des Mikrofons. (Weitere Ausführungen hierzu auch in Aufsatz 11)

Der Höhenverlust im reflektierten Schallfeld darf nicht überbewertet werden, aber der Anwender muss wissen, dass er mit steigendem Abstand von der Schallquelle, beziehungsweise höherem Anteil des reflektierten Schallfelds gegenüber dem direkten, ein dunkleres Klangbild erhalten wird. Eine so genannte “Diffusfeld-Kugel” kann Abhilfe schaffen. Sie ist mit einem Höhenanstieg im Datenblatt angegeben, der aber bei bestimmungsgemäßer Anwendung im diffu­sen Schallfeld nicht auftritt.

Bei „Kugeln“ spricht auch kaum etwas dagegen, eine notwendige Diffusfeld-Korrektur mit einem guten Equalizer vorzunehmen. (Siehe auch Aufsatz 6)

Wie beschrieben, gehört zu den Besonderheiten von Druck-Empfängern („Kugeln“) eine Abhängigkeit des Höhenfrequenzgangs von der Art des Schallfelds. Man kann darin einen Nachteil sehen.

Demgegenüber ist das Verhalten bei tiefen Frequen­zen gut. Speziell Kondensatormikrofone, die als Druck-Empfänger ausgelegt sind, können bei tiefen Frequen­zen als ideal betrachtet werden. Wenn es um die Auf­nahme tiefster Frequenzen geht (50Hz und weit da­runter), kommt praktisch nichts anderes in Frage. Das liegt daran, dass prinzipiell die Ausgangsspannung eines Kondensatormikrofons, anders als bei dynami­schen Systemen, proportional zur Membranauslenkung ist, egal wie langsam diese erfolgt, also auch bei ex­trem tiefen Frequenzen. Ein dynamisches Mikrofon hin­gegen gibt nur bei Bewegung seiner Membran ein Sig­nal ab, jedoch hat deren Auslenkbarkeit Grenzen. (Ein Vergleich mit einem Magnet-Tonabnehmer  im analogen Schallplattenspieler bietet sich an.)

Die gute Tiefenwiedergabe von “Kugeln” erlaubt be­sonders eindrucksvolle Aufnahmen. Andererseits sind damit auch bestimmte Risiken verbunden, denn Räu­me mit unausgewogener Akustik zeigen ihre Unarten vor allem bei den Tiefen. Die Folge kann ein “mul­miger” Klang der Aufnahme sein. Ein anderer Aufstel­lungsort kann viel ändern.

Insgesamt erfordert der Ein­satz von Kugel-Mikrofonen mehr Erfahrung als der von Mikrofonen mit ausgeprägter Richtcharakteristik, wie vor allem “Nieren”. Außerdem engen „Kugeln“ die möglichen stereofonen Aufnahmeverfahren ein. Koinzi­dente Aufnahmen sind mit ihnen nicht möglich.
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4.3 - Druckgradienten-Empfänger

Abb. 9: Darstellung einer Niere aus Kugel und Acht

Druckgradienten-Empfänger sind Mikrofone mit ausgeprägter Richtwirkung. Der Druckgradient ist die Schalldruckdifferenz zwischen zwei nahe beieinander liegenden Schalleintritts-Öffnungen eines Mikrofons, der vorderen und der hinteren Öffnung. Erst hierdurch wird die Richt­wirkung möglich. Die Differenz der Ankunftszeiten des Schalls an den beiden Öffnungen ist das Kriterium für die Einfallsrichtung.

Fast alle Mikrofone mit Richtcharakteristik können als Kombination des “reinen Druckgradienten-Empfän­gers” mit Acht-Charakteristik und einer “Kugel” be­trachtet werden. Dies gilt auch dann, wenn die Richt­wirkung nicht mit mehreren Membranen realisiert ist. Bei der “Acht” ist dann der Kugel-Anteil Null. Bei der Niere ist die Kugel und die Acht zu gleichen Anteilen enthalten (Abb. 9). Die “Breite Niere” liegt zwischen Kugel und Niere, und Super- und Hyperniere liegen zwischen Niere und Acht.
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Um die Eigenschaften von Richtmikrofonen zu ver­stehen, ist es daher sinnvoll, außer den Merkmalen der „Kugel“ auch noch die Funktion der „Acht“ zu kennen.

Abb. 10c zeigt das Prinzip der „Acht“. Die Membran kann von beiden Seiten in gleicher Weise vom Schall erreicht werden. Bei Schalleinfall von links oder rechts ergibt sich daher eine gleichartige Membranbewegung, jedoch in entgegengesetzter Richtung, also mit umge­kehrter Polarität (Phasenlage) des Ausgangssignals. Wenn der Schall aber parallel zur Membranebene ein­fällt, erreicht er sie von beiden Seiten gleichzeitig, und es findet keine Reaktion statt.
Das Mikrofon ist also für Schall aus 90° und 270° unempfindlich (Abb. 10d). Da­rauf beruht die Richtwirkung. Anders als die kugelför­mige Richtcharakteristik kann die “Acht” bis zu hohen Frequenzen erhalten bleiben.

Dagegen verhalten sich Druckgradienten-Empfänger im Vergleich zu „Kugeln“ weniger perfekt bei tiefen Tönen. Aus Abb. 10a und 10b erkennt man, dass der maximale Schalldruckunterschied zwischen den bei­den Öffnungen der Mikrofonkapsel für tieffrequente (längere) Wellen kleiner ist als für höhere Frequenzen.
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Abb. 10a-e: Arbeitsweise und Merkmale eines elektrostatischen Druckgradienten-Empfängers


Der Druckgradient nimmt mit der Frequenz ab und verschwindet schließlich bei dem Grenzfall, bei dem die Fre­quenz Null ist, also nur noch ein Gleichdruck vorliegt. Es gibt dann überhaupt keinen Druckunterschied zwi­schen den beiden Membranseiten und folglich auch keine Membranbewegung und keine Ausgangsspan­nung.

Weil die Membranantriebskraft also mit sinkender Frequenz abnimmt, muss konstruktiv dafür gesorgt werden, dass die Membran bei tiefen Frequenzen sehr leicht beweglich ist. Darauf ist es zurückzuführen, dass andere Anregungen der Membran als Schall zu großen Bewegungen führen können.

Druckgradienten-Emp­fänger sind daher viel empfindlicher gegen Luftbewe­gungen (Wind) und Körperschall (Vibrationen) als Druck-Empfänger.

Bei extrem tiefen Frequenzen offenbart sich die ab­nehmende Druckdifferenz an den Schalleintrittsöffnun­gen auch im Frequenzgang.
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4.4 - Der Nahheits-Effekt

Obwohl Druckgradienten-Empfänger sehr tiefe Töne generell geschwächt übertragen, können sie in speziel­len Fällen auch zu einer Überbetonung dieser Frequen­zen führen, nämlich dann, wenn das Mikrofon dicht an der Schallquelle eingesetzt wird (z.B. beim Gebrauch als Sprechermikrofon). Man nennt dieses Geschehen den Nahheits- oder auch Nahbesprechungs-Effekt.

Bei gleicher Schallausbreitung in alle Richtungen (Kugelschallwelle) und einem Mikrofon mit Nieren-Cha­rakteristik bewirkt der Nahheitseffekt in 0,5 m Abstand bei 50Hz zum Beispiel 3dB Pegelanhebung. Sie kann bei noch kürzeren Abständen ohne weiteres 10dB und mehr betragen.

Der Effekt kann anschaulich damit erklärt werden, dass die Druckdifferenz an den Schalleinlassöffnun­gen nicht nur von der Frequenz bzw. der Wellenlänge abhängt, sondern auch noch von der Art der Wellenausbreitung. Im Ver­gleich mit dem sehr kleinen Druckgradienten bei nie­drigen Frequenzen kann die Abnahme des Schall­drucks durch die Schallausbreitung zwischen den beiden Schalleinlassöffnungen des Mikrofons so groß sein, dass dadurch der Pegel angehoben wird.

Im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Auf­nahmetechniken muss uns der Fall kurzer Abstände aber nicht weiter interessieren.

Über das Thema der optimalen Tiefenwiedergabe mit Druckgradienten- Empfängern ließe sich ein eige­ner Aufsatz schreiben. Wer diese Details nicht kennt, kann durch Frequenzgangschriebe irregeführt werden. Es gibt daher seriöse Mikrofonhersteller, die trotz guter Messergebnisse nur ungerne Original-Frequenzkurven ausgeben, obwohl diese im Verlauf der Produktion er­mittelt und archiviert werden. Andererseits gibt es Fir­men, die fest mit der Unwissenheit der Käufer rechnen und “konkurrenzlos” schöne, aber praxisferne (linealgerade) Kurven liefern. Bei Druckgradienten-Empfängern ist eine Dar­stellung des Tiefenfrequenzgangs ohne Angabe des Messabstands wertlos.
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Die nachfolgende Tabelle 2 kann durch Klick vergrößert werden ..........
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Tabelle 2 gibt eine Übersicht über wesentliche Aussagen dieses Aufsatzes bezüglich stereofoner Aufnahmetechnik

Da das Richtdiagramm von Druckgradienten-Emp­fängern bei hohen Frequenzen besser konstant gehal­ten werden kann als bei „Kugeln“, ist es möglich, dass der Frequenzgang im diffusen Schallfeld dem im direkten Schallfeld recht ähnlich sieht (Abb. 10e).

Die Empfindlichkeit gegenüber dem reflektierten Schall ist aber um das so genannte Bündelungsmaß kleiner. Das liegt daran, dass es für Druckgradienten-Emp­fänger immer Schalleinfallsrichtungen gibt, in denen sie deutlich unempfindlicher sind als auf der Achse, und dass der diffuse Schall natürlich auch aus die­sen Richtungen kommt.

Die „Acht“ ist zum Beispiel theoretisch um 4,8 dB unempfindlicher gegenüber Schall, der aus dem Raum zurückkommt. Bei Beschallungsanlagen ist dies wich­tig, um die Gefahr der akustischen Rückkopplung zu verringern. In der Aufnahmetechnik bedeutet dies, dass das Mikrofon weiter entfernt aufgestellt werden muss beziehungsweise darf, wenn man die gleiche Hallbalance erhalten will wie mit einer „Kugel“.
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