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Grundlagen Audiotechnik: STEREOPHONIE

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Anfang 1931 besuchte der englische Elektroingenieur Alan Blumlein mit seiner Ehefrau ein Kino und ärgerte sich über die Einfachheit des Tonwiedergabesystems. Weil die Filme über nur eine Tonspur verfügten und die Tonwiedergabesysteme in den Kinos auch nur für einen Kanal ausgelegt waren, kam es häufig zu dem Effekt, dass, wenn sich ein Schauspieler auf der einen Seite der Leinwand befindet, seine Stimme aber von einer ganz anderen Stelle kommt. Diese störende Erfahrung führte dazu, dass Blumlein Ende 1931 ein Patent mit dem Titel "Improvements in and relating to Sound-transmission, Sound-recording and Sound-reproducing Systems" einreichte. Mit über 70 Ansprüchen umfasst das Patent weite Bereiche der modernen Audiotechnik ab. Bahnbrechend waren u.a. die Erfindung zur Übertragung von zwei Audiokanälen in einer Schallplattenrille ("Flankenschrift"), die Stereoaufnahmetechnik mit zwei gekreuzten Achtermikrofonen (Blumlein Stereomikrofon) und die eines Schneidekopfs für die Herstellung von Stereoschallplatten.

Der Begriff "Stereophonie" wurde 1927 vom amerikanischen Elektro- und Maschinenbaukonzern Western Electric geprägt (Quelle) und ist vom griechischen stereos = fest, starr, räumlich und fōnē = Ton abgeleitet. Stereophonie bezeichnet also die räumliche Wahrnehmung von Schall allgemein und ist nicht nur, wie im heutigen Sprachgebrauch üblich, auf zwei Kanäle beschränkt.

2. Räumliches Hören

Der Mensch kann seine wahrgenommenen Hörereignisse bestimmten Richtungen zuordnen. Überträgt man die Wahrnehmung in ein Koordinatensystem, entspricht die Rechts-Links-Vorn-Hinten-Ortung der Horizontalebene (in der Medizin auch Transversalebene genannt). Die 0°-Achse ist waagerecht nach vorne ausgerichtet.

Abb. 1.01: Körperebenen
Abb. 1.01: Körperebenen

2.1 Lokalisierung auf der Horizontalebene

Lokalisierung durch interaurale Laufzeitdifferenz
(Interaural Time Difference ITD)

Liegt ein Hörereignis nicht direkt auf der 0°-Achse erreichen phasengleiche Schallwellen mit unterschiedlichen Laufzeiten und Pegeln auf das linke und rechte Ohr. Diese Laufzeitdifferenzen (Δφ) und Pegeldifferenzen (ΔL) vermag unser Gehirn in ein virtuelles Schallfeld einzuordnen und eine Ortung der Schallquelle im Raum vorzunehmen. Die geringsten Laufzeitunterschiede, die das menschliche Gehör wahrnehmen kann, liegen bei ca. 10 μs, was einer Platzierung der Schallquelle auf 1° entspricht. Eine Schallquelle auf 90° bzw. 270° erzeugt bei einem standardisierten Kopfdurchmesser von 21,5 cm eine Laufzeitdifferenz (Δφ) von ca. 630 μs (abhängig von Temperatur und Luftdruck).

Lokalisierung durch interaurale Pegeldifferenz
(Interaural Level Difference ILD)

Wird ein Audiosignal mit gleichen Pegeln von zwei Lautsprechern phasengleich abgestrahlt, nimmt der Hörer ein virtuelles Hörereignis, das Phantomsignal, in einer Position genau in der Mitte zwischen den Lautsprechern wahr. Wird der Pegel eines Lautsprechers nun erhöht, wandert die Phantomschallquelle in Richtung des lauteren Lautsprechers. Bei Pegelunterschieden (ΔL) von 16-20 dB (frequenzabhängig) liegt die Position der Phantomschallquelle bei 30°, was bei der Stereophonie über Lautsprecher der äußerste Punkt ist (siehe Stereodreieck).

Abb. 2.01: Prinzipien der akustischen Lokalisierung. Links durch Laufzeitdifferenz, rechts durch Pegeldifferenz
Abb. 2.01: Prinzipien der akustischen Lokalisierung. Links durch Laufzeitdifferenz, rechts durch Pegeldifferenz

2.2 Lokalisierung auf der Medianebene

Über die Signal- bzw. Phasendifferenz kann die Position eines Hörereignisses zwar auf der Horizontalebene lokalisiert werden, es kann so aber nicht unterschieden werden, ob der Schall von vorne oder hinten kommt, da die Laufzeitdifferenzen gleich sind. Für die Lokalisierung von Schallquellen auf der hinteren Hälfte der Horizontalebene  und von Schallquellen auf der Medianebene, also oben und unten, wird der physiologische Aufbau der Ohrmuschel und des Gehörgangs benutzt.

Abb. 2.02: Richtungsbestimmende Bänder (Blauertsche Bänder)
Abb. 2.02: Richtungsbestimmende Bänder (Blauertsche Bänder) [1]

Mit der Beugung des Schalls am Außenohr bilden sie ein Filter- und Resonator-System, das abhängig von der Schallrichtung bestimmte Frequenzbänder im Pegel anhebt oder dämpft. Diese typischen Frequenzbereiche werden als richtungsbestimmende Bänder (oder Blauertsche Bänder) bezeichnet.

grüne Kurve:
Wahrscheinlichkeit, mit der spektrale Maxima der entsprechenden Frequenz eine Hörereignisrichtung vorne bewirken.
grüne Fläche:
Frequenzbereiche, die eine Hörereignisrichtung vorne bewirken
blaue Kurve:
Wahrscheinlichkeit, mit der spektrale Maxima der entsprechenden Frequenz eine Hörereignisrichtung oben bewirken.
blaue Fläche:
Frequenzbereiche, die eine Hörereignisrichtung oben bewirken
rote Kurve:
Wahrscheinlichkeit, mit der spektrale Maxima der entsprechenden Frequenz eine Hörereignisrichtung hinten bewirken.
rote Fläche:
Frequenzbereiche, die eine Hörereignisrichtung hinten bewirken

Die Auswertung der Reizmuster dieser Frequenzbänder, der Pegel- und Laufzeitunterschiede ist sehr komplex und muss, weil sehr individuell, erlernt werden. Die "Kennlinie", mit der die Ohren des Hörers ein Hörereignis (z.B. Lautsprechersignale) in ein eigenes, individuelles Ohrsignal filtern, wird in der Akustik als HRTF (Head Related Transfer Function – Kopfbezogene Übertragungsfunktion) bezeichnet.

2.3 Im-Kopf-Lokalisierung

Eine besondere Situation des räumlichen Hörens entsteht bei der Verwendung von Kopfhörern. Da der Schall von den Schallwandlern der Kopfhörer direkt und ohne Beugung am Außenohr in den Gehörgang gelangt, findet keine Filterung statt. Die richtungsbestimmenden Bänder können sich nicht vollständig ausprägen. Dies hat zur Folge, dass der Hörer keine Hinten-Vorne/Oben-Unten-Information erhält. Folglich liegt die Phantomschallquelle zwischen den Kopfhörern - im Kopf des Hörers.
Abhilfe schafft hier die Binaurale Aufnahmetechnik ("Kunstkopfstereophonie").

Werden Lautsprecher gegenphasig, also verpolt, angeschlossen und zusätzlich in einem Winkel von größer als 90° aufgestellt, kann ähnlicher Effekt wahrgenommen werden, weil das Gehirn die ungewohnte spektrale Signalverteilung und Signaldifferenz nicht zuordnen kann.

2.4 Frequenzabhängigkeit der Lokalisation

Die Prinzipien nach denen die Lokalisierung von Hörereignissen über Laufzeit- und Pegeldifferenzen funktionieren wurden um 1907 vom englischen Forscher und Nobelpreisträger John William Strutt (später Lord Reyleigh) erkannt und in seiner Duplex-Theorie beschrieben.

Strutt beobachtete, dass Frequenzen von kleiner Wellenlänge (f > 1600 Hz) im Verhältnis zum Ohrabstand vom Kopf abgeschattet werden und dass am Ohr der Schallquelle abgewandten Seite ein niedrigerer Schalldruck herrscht als an dem der Schallquelle zugewandten Ohr. Dadurch entsteht eine interaurale Pegeldifferenz ΔL (ILD) anhand der eine Lokalisierung vorgenommen werden kann. Gleichzeitig entsteht zwar durch den Ohrabstand auch eine interaurale Laufzeitdifferenz ITD, diese kann aber auf Grund der Phasenbezüge nicht erfasst werden.

Bei Frequenzen unterhalb von 800 Hz werden die Schallwellen um den Kopf herum gebeugt, sodass nur sehr geringe interaurale Pegelunterschiede entstehen können. Die Laufzeitdifferenz (Δφ) hingehen kann sehr deutlich wahrgenommen werden.

2.03: Lokalisation bei hohen und niedrigen Frequenzen
Abb. 2.03: Lokalisation bei hohen und niedrigen Frequenzen

Schallereignisse im mittleren Frequenzbereich von 1500 Hz bis etwa 2500 Hz und im tiefsten Bereich unterhalb von 80 Hz können nur schwer oder überhaupt nicht lokalisiert werden, da sowohl die Zeit- als auch die Pegeldifferenz keine optimale Information zur Lokalisierung liefert.

Eine sichere Lokalisierung von Hörereignissen über ILD und ITD findet somit in zwei Frequenzbereichen statt. Später, in den 1970er Jahren, stellte man fest, dass in den Bereich zwischen diesen Duplex-Bändern genau die Frequenzen (800 -1600 Hz) fallen, die über ihre spektrale Filterung am Außenohr die richtungsbestimmenden Bänder (Blauertsche Bänder) ausbilden.

3. Die Stereophonie in der Praxis

3.1 Die klassische 2-Kanal-Stereowiedergabe über Lautsprecher

Die klassische Stereophonie, zumeist einfach "Stereo" genannt, verwendet zwei Audiokanäle: "Rechts" und "Links". Um einen optimales Hörerlebnis zu erhalten, sind einige grundsätzliche Regeln einzuhalten. 

Abb. 3.01: Typische Anordnung für die klassische 2-Kanalstereophonie
Abb. 3.01: Typische Anordnung für die klassische 2-Kanalstereophonie
  • Lautsprecher und Hörer sollten ein gleichseitiges Dreieck, das sogenannte Stereodreieck, bilden. Die Entfernung zu den Lautsprechern sollte der der Basisbreite, also dem Abstand der Lautsprecher zueinander, entsprechen.
  • Die Lautsprecher sollten um 30° in Richtung des Hörers gedreht sein.
  • Die Hochtonlautsprecher sollten sich in Höhe der Ohren des Hörers befinden.
  • Der Hörraum sollte gut mit Teppichen und Vorhängen gedämpft sein, um Klangverfälschungen durch Reflexionen zu verhindern.

Bei einer solchen Konfiguration stellt sich beim Hörer und einem Bereich um ihn herum ("Sweet Spot") eine räumliche Klangwahrnehmung ein. Wie intensiv die räumliche Wahrnehmung, bzw. die Lokalisation der Phantomsignale ist, hängt neben den lokalen Wiedergabebedingungen auch im hohen Maße von der Aufnahmetechnik ab.

3.2 Stereophonie-Aufnahmeverfahren

Wie im Kapitel 2 über Räumliches Hören gezeigt wurde, kann der Mensch mittels mehrerer Prinzipien eine Schallquelle lokalisieren. Entsprechend gibt es Verfahren, die eins oder sogar mehrere dieser Prinzipien zur Aufnahme benutzen. Grundsätzlich lassen sich aber "echtes" und "künstliches" Stereo unterscheiden. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal bei der Stereophonie ist die Art, wie das Stereosignal wiedergegeben wird. Für die Wiedergabe mit Kopfhörer gelten komplett andere Regeln für die Aufnahme als für die Wiedergabe über Lautsprecher.

Die in diesem Kapitel beschriebenen Stereophonie-Aufnahmeverfahren sind für eine Wiedergabe mit Lautsprechern optimiert.

3.2.1 Intensitätsstereophonie

Bei der Intensitätsstereophonie findet die Richtungslokalisierung ausschließlich über Pegeldifferenzen zwischen den Lautsprechern statt. Die Signale mit den Pegeldifferenzen lassen sich auf zwei Arten gewinnen.

Mikrofonsysteme

Die "natürliche" Weise der Erzeugung von Stereosignalen mit Pegeldifferenzen  ist, dass man zwei Mikrofone mit Richtwirkung (Niere, Superniere, Acht, ...) direkt übereinander anordnet und um mindestens 90° zueinander verdreht. (XY-, MS- oder Blumlein-Anordnung). Dieser Achsenwinkel bestimmt den Aufnahmebereich des Mikrofonsystems. Um Laufzeitunterschiede zu vermeiden ist es wichtig, dass sich beide Mikrofone so dicht wie möglich aneinander befinden.

Abb. 3.02: XY-Anordnung bei Intensitätsstereophonie und digitaler Audiorekorder mit zwei Mikrofonpaaren in XY-Anordnung
Abb. 3.02: Links: XY-Anordnung bei Intensitätsstereophonie
                  Rechts: Digitaler Audiorekorder mit zwei Mikrofonpaaren in XY-Anordnung
Mischen von Monosignalen

Die Gewinnung von "künstlichen" Pegeldifferenzsignalen erfolgt am Mischpult aus Monoquellen. Die zentrale Komponente ist dabei der Panoramaregler oder Panpot. Mit einem Panpot kann ein Monosignal pegelabhängig auf die rechte und linke Sammelschiene des Mischpults geleitet werden. Dabei bleibt die Lautstärke der Phantomschallquelle in jeder Stellung des Panpots stets konstant. In der Mittenposition des Panpots erhalten beide Sammelschienen gleichen Pegel, was eine 3 dB Mittendämpfung notwendig macht um die Lautstärke der Phantomschallquelle gleich zu halten.

Abb. 3.03: Links: Prinzipbild Panorama-Potentiometer Rechts: Dämpfung abhängig von Panpotstellung
Abb. 3.03: Links: Prinzipbild Panorama-Potentiometer (Panpot)
                  Rechts: Dämpfung abhängig von Panpotstellung

Die Intensitätsstereophonie ist wohl das wichtigste Stereoverfahren. Vorteilhaft ist die hohe Lokalisationsschärfe und dass die Pegeldifferenzsignale einfach und ohne Qualitätsverluste (ohne sog. Kammfiltereffekte) in ein Monosignal umgewandelt werden können. Diese Eigenschaft ist z.B. bei der Übertragung von TV- und Radiosignalen aus Kompatibilitätsgründen sehr wichtig.

 

3.2.2 Laufzeitstereophonie (AB)

Bei der Laufzeitstereophonie kommen ausschließlich Laufzeitdifferenzen zwischen den Lautsprechersignalen im Stereodreieck zur Wirkung. Diese Laufzeitdifferenzen sind nicht mit den Interauralen Laufzeitdifferenzen (ITD), die am Kopf entstehen, zu verwechseln!

Abb. 3.04: AB-Anordnung bei Laufzeitstereophonie
Abb. 3.04: AB-Anordnung bei Laufzeitstereophonie

In der Praxis werden die Laufzeitunterschiede mittels zweier Mikrofone, die nebeneinander aber in einem gewissen Abstand (Mikrofonbasis) voneinander platziert sind, realisiert. Abhängig vom Einfallwinkel des Schalls zur Mikrofonbasis können Laufzeitunterschiede bis zu 2 ms entstehen. Bei 100% Auslenkung des Hörereignisses auf der Lautsprecherbasis sollte idealerweise eine Laufzeitdifferenz von 1,5 ms auftreten. Diese Laufzeitdifferenz kann mit einer Mikrofonbasis von ca. 51 cm erzielt werden.

Tabelle 1: Werte der Laufzeitdifferenz für Hörereignisse auf der Stereobasis
Tabelle 1: Werte der Laufzeitdifferenz für Hörereignisse auf der Stereobasis.
Bitte beachten Sie die Nichtlinearität, besonders im Bereich > 75%. [2]

Eine reine Laufzeitstereophonie ist in der Praxis nicht möglich, da an den Mikrofonen durch die Entfernung zueinander neben der Laufzeitdifferenz auch immer eine Pegeldifferenz entsteht.

Die künstliche Erzeugung von Laufzeitdifferenzen für die Stereophonie ist praktisch nur mit digitalen Signalprozessoren (DSPs) möglich.

 

3.2.3 Äquivalenz-Stereophonie

Die Bezeichnungen "Äquivalenz-Stereophonie" (lat. aequus „gleich“ und valere „wert sein“ = Gleichwertigkeit) oder "Gemischte Stereophonie" beschreiben ein Aufnahmeverfahren in dem sowohl Laufzeitdifferenzen (Δt) als auch Pegeldifferenzen (ΔL) zwischen den Mikrofonen, bzw. den Lautsprechern, im Gleichsinn auftreten. Gleichsinnig bedeutet, das Pegel- und Laufzeitdifferenzen das Hörereignis auf der Stereobasis in die gleiche Richtung ablenken. Es wird also das lautere Signal auch früher abgestrahlt.

Abb. 3.05: Äquivalenz-Stereophonie (ORTF-Anordnung)
Abb. 3.05: Äquivalenz-Stereophonie (ORTF-Anordnung)

Die Mikrofonierung ist eine Kombination aus der der Pegeldifferenz- und der Laufzeitdifferenz-Stereophonie. Wie bei der Intensitätsstereophonie werden zwei Richtmikrofone (Niere) nach außen verdreht positioniert. Zusätzlich werden die Mikrofone, wie beim Laufzeitdifferenzverfahren, räumlich voneinander getrennt. Der Achsenwinkel und die Mikrofonbasis sind je nach System (ORTF, NOS, RAI, DIN, ...) unterschiedlich.

4. Binaurales Hören

Binaurales Hören heißt "das Hören mit zwei Ohren". Dadurch, dass wir mit zwei Ohren hören, sind wir in der Lage räumlich zu hören und die Position eines Hörereignisses zu lokalisieren. Wie im Kapitel 2.2 bereits beschrieben wurde, ist diese Fähigkeit nicht angeboren. Vielmehr müssen wir "Hören" lernen und das bezieht sich nicht nur auf die Fähigkeit Geräuschquellen zu lokalisieren. Das erlernte binaurale Hören ermöglicht es uns Sprachsignale von Hintergrundgeräuschen zu unterscheiden (Binaurale Geräuschunterdrückung) und uns im lauten Urlaubsflieger auf das Hörbuch zu konzentrieren (Binaurale Fokussierung, Cocktailparty-Effekt). Diese Selektion, Wichtung und Interpretation ist ausschließlich gelernte und trainierte Gehirnleistung. Bei der Interpretation können allerdings in bestimmten Situationen unerwartete Phänomene auftreten, wie z.B. Binaurale Beats (bitte unbedingt das Audiobeispiel anhören; es sind wirklich zwei reine Sinustöne) oder die Im-Kopf-Lokalisierung.

4.1 Binaurales Hören in der Audiotechnik

Befasst sich die Psychoakustik mit dem binauralen Hören in dem sehr weiten Rahmen der Physiologie des Hören, so beschränkt sich die Audiotechnik hierbei (mit wenigen Ausnahmen) nur auf die Wiedergabe von Schall mittels Kopfhörer.

4.1.1 Binaurale Aufnahmen

Die binaurale Aufnahmetechnik versucht den Schall so aufzunehmen, wie der Mensch ein Hörereignis als Ohrsignal wahrnimmt. Dazu gehören nicht nur, wie in den oben beschriebenen konventionellen Stereoaufnahmeverfahren die Pegel- und Laufzeitdifferenzen, sondern auch die Effekte, die um den Kopf herum wirken. Ziel ist es auch solche Richtungsinformationen zu gewinnen wie sie z.B. in den Blauertschen Bändern enthalten sind. Denn ein so produziertes Audiosignal sollte bei der Wiedergabe mit einem neutralen System den kompletten Raumklang abbilden können. Als neutrales System kann man beispielsweise Kopfhörer bezeichnen, weil sie zwar Rechts-Links-Informationen (Lateralisation) projizieren können, aber nicht die Informationen, die auf der hinteren Horizontalebene und der Medianebene liegen.

Abb. 4.01: Bei seitlichem Schalleinfall erzeugt die Trennkörper-Stereophonie Pegel-, Laufzeit- und Spektraldifferenzen
Abb. 4.01: Bei seitlichem Schalleinfall erzeugt die Trennkörper-Stereophonie Pegel-, Laufzeit- und Spektraldifferenzen

Die einfachste Anordnung für binaurale Aufnahmen ist die Trennkörper-Stereophonie. Bei diesem Aufnahmeverfahren sind zwei Mikrofone mit Kugelcharakteristik im sogenannten Ohrabstand (Mikrofonbasis = 17 - 22 cm) voneinander entfernt. Zwischen den beiden Mikrofonen befindet sich eine kopfgroße Scheibe oder Körper mit einer schalldämpfenden oder schallreflektierenden Oberfläche. 
Dieser Aufbau soll die Schallverhältnisse um den menschlichen Kopf simulieren und liefert recht gute Ergebnisse.

4.1.2 Kunstkopf-Stereophonie

Eine besondere Variante der binauralen Aufnahmetechnik ist die Kunstkopfstereophonie. Die zuvor beschriebene Trennung der aufgenommenen Audiosignale wird verstärkt indem die Mikrofone in den inneren "Gehörgang" eines lebensgroßen künstlichen Kopfes eingebaut sind. Die Gesichtszüge des Kunstkopfes sind zumeist stark stilisiert. Lediglich die Form der Ohren ist der des Menschen nachempfunden.

Abb. 4.02 (links): Kunstkopf mit externen Mikrofonen Abb. 4.03 (rechts): Originalkopf-Mikrofone zum Aufsetzen
Abb. 4.02 (links): Kunstkopf mit externen Mikrofonen [3]
Abb. 4.03 (rechts): Originalkopf-In-Ohr-Mikrofone zum Aufsetzen (z.B. für Aufnahmen mit einem Camcorder)

Werden Kunstkopf-Aufnahmen über Kopfhörer abgespielt, kann sich ein virtuelles Klangbild einstellen, das dem eines Lautsprechersystems überlegen ist. Die Lokalisierung der Hörereignisse ist in der Breite wesentlich präziser. Auch lassen sich in der Vertikalen Positionen ausmachen und die virtuellen Schallquellen werden vom Hörer in der Front wahrgenommen.

Wird ein binaurales Audiosignal jedoch über Lautsprecher wiedergegeben, fehlt die strikte Trennung der Signale für das rechte und das linke Ohr, was selbst bei einer Platzierung der Lautsprecher neben den Ohren zu einem unbefriedigenden Hörempfinden führt.

In den 70er und 80er Jahren hatte die Kunstkopf-Stereophonie ihren Höhepunkt. Es wurden etliche Hörspiele, Konzerte und Tonträger in Kunstkopf-Technologie produziert. Aber die eingeschränkte Wiedergabefähigkeit über Lautsprecher und die aufkommende Mehrkanalstereophonie ließen leider das Interesse an dieser doch sehr verblüffenden Technik einschlafen.

 

 

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Abb. 1.01: "Richtungsbestimmende Bänder" By Skyhead 00:44, 5. Mär. 2007 (CET) SVG-Umsetzung (mit Farbänderungen) Cepheiden [Public domain], via Wikimedia Commons; Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AAkustik_-_Richtungsb%C3%A4nder.svg

[2] Tab. 1: Quelle: http://www.sengpielaudio.com/TheorieGrundlaLaufzeit.pdf

[3] Abb. 4.02: "Kunstkopf mit externen Mikrofonen"  By Gregory F. Maxwell (gmaxwell@gmail.com) PGP:0xB0413BFA (By uploader) Lizenz: GFDL 1.2 (http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/fdl-1.2.html), via Wikimedia Commons. Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ADummyhead.jpg

 

Weblinks

Eberhard Sengpiel - Vorlesungsunterlagen

Andreas Gernemann-Paulsen (Uni Köln) - Aufsätze -
Stereophonie

Informationen zur Duplex-Theorie:

Trennkörper-Mikrofonsysteme
https://www.hdm-stuttgart.de/~curdt/Trennk%C3%B6rper-Mikrofonsysteme.pdf

 

Zuletzt bearbeitet am 24. August 2015

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