Schallreproduktion

Schallreproduktion



…von der Rille zum Ohr

...von Joachim Liepold

 


Musikwiedergabe ist Schallreproduktion.
Das, was an Schall von den Mikrofonen bei der Aufnahme aufgenommen wurde, ist in den Bits der CD oder - anschaulicher - in den zwei Flanken einer Schallplattenrille gespeichert (mal sehr vereinfacht).
Diese Informationen werden dann von der heimischen Stereo-Anlage wieder als Schall reproduziert.
In den zwei Flanken der Schallplattenrille - den Stereo-Kanälen - ist prinzipiell alles enthalten, was wir später wahrnehmen können: jedes Instrument, jeder Sänger, die Position aller Instrumente und Sänger im Raum, alle Nebengeräusche mit ihren Positionen und auch die Rauminformationen des Aufnahmeraumes… einfach alles!


Mehr gibt es nicht!


Egal, was wir später beim Hören wahrnehmen, es ist in diesen zwei Signalen.
Aber wie sieht die „Information“ in den zwei Flanken eine Schallplattenrille eigentlich aus?
Physikalisch gesehen sind diese zwei Signale sehr einfach: Es sind zwei sich zeitlich ändernde Signalwerte…. nicht mehr und nicht weniger.
Zu jedem Zeitpunkt gibt es immer nur zwei Signalwerte (da das Stereo-Signal aus zwei Kanälen besteht).
Die Informationen stecken also im zeitlichen Verlauf beider Kanäle.
Im folgenden Bild sind mal ca. 13 ms (13/1000 Sekunden) eines Bach Konzertes abgebildet (x-Achse = Zeit; y-Achse = Signalwert):

 


Wenn man sich solche zeitlichen Signalverläufe ansieht, erkennt man, daß sich die Signalwerte stetig ändern… es ist - bildlich gesehen - ein stetiges auf und ab. Auch gut zu sehen, daß sich die Signalverläufe beider Kanäle deutlich unterschieden.


Betrachten wir zunächst einmal, wie diese zwei Signalverläufe entstehen, in welcher Form der von den Mikrofonen aufgenommene Schall in diesen zwei Kanälen enthalten ist.
Nehmen wir mal einen einfachen Fall an: 2 Instrumente im Raum verteilt (Reflexionen betrachten wir erstmal nicht …die sind in den meisten Fällen auch vorhanden und sind auch eine wichtige Informationsquelle für das Gehör, aber hier gehts mehr ums Prinzipielle).


Jedes Instrument erzeugt seinen eigenen Schallverlauf. Diese Schallverläufe breiten sich mit Schallgeschwindigkeit aus und die jeweiligen Signalwerte der Schallverläufe überlagern sich an jedem Punkt im Raum. Für einen Punkt im Raum - z. B. einem Mikrofon - sieht dann der Schallverlauf wie die blaue Kurve im folgenden Bild aus (vereinfacht):

 


Der blaue Signalverlauf wäre also daß, was ein Mikrofon an diesem Ort aufnehmen würde.


Betrachten wir dagegen den Schallverlauf für zwei Mikrofone, also an zwei Orten im Raum, sieht das ganze etwas anders aus:



Aufgrund der in Bezug zu jedem der zwei Mikrofone ( = zwei Orte im Raum) unterschiedlichen räumlichen Positionen der Schallquellen unterscheidet sich der Schallverlauf einer Schallquelle am linken Mikrofon von dem derselben Schallquelle am rechten Mikrofon.
Bei dem Mikrofon, bei dem der Schall einer Schallquelle zuerst ankommt, ist er früher da und er ist lauter als am anderen Mikrofon.


Zur Veranschaulichung dieses Sachverhalts sind die jeweiligen Signalanteile jedes Instrumentes bei jedem Mikrofon mal beispielhaft im Bild dargestellt (rote und blaue Kurven bei den mittleren Diagrammen) - so als würde jedes Instrument alleine spielen.
Das Mikrofon nimmt natürlich immer die Summe der Schallverläufe aller Schallquellen auf - also den Signalverlauf in den unteren zwei Diagrammen.


Aufgrund dieser Überlagerung und den Unterschieden der jeweiligen Schallverläufe bei den jeweiligen Mikrofonen, wird sich die Signalform beider Kanäle immer unterscheiden... und je mehr Schallquellen vorhanden sind, desto unterschiedlicher wird die Signalform zwischen beiden Kanälen sein.


So „entstehen“ also die beiden Stereokanäle (z. B. die zwei Flanken der Rille einer Schallplatte).
Das ist prinzipiell immer so. Auch wenn mit mehreren Mikrofonen aufgenommen wird,  die anschliessend auf die beiden Kanäle im Studio zusammengemischt werden oder die Kanäle bei elektronischen Instrumenten „künstlich“ erzeugt werden.


Wichtig ist erst einmal zu verstehen, das in den beiden Stereo-Kanälen, immer die Informationen aller aufgenommenen (oder erzeugten) Schallquellen enthalten sind und zwar nicht als separate, einzeln erkennbare Signale, separate Instrumente oder gar einzelnen Tönen, sondern immer als Summensignal - unsepariert und uncodiert!
Das Gehör/Gehirn muss also später aus diesen zwei Summensignalen die Anzahl, den Ort und die Entfernung sowie die Art jeder Schallquelle erkennen… und das, ohne zu wissen wieviele Schallquellen überhaupt enthalten sind noch welcher Art sie sind, geschweige denn wo sie sind! Und dann noch den Klang jedes Instrumentes, den Text jedes Interpreten und die Melodie des Stücks verstehen... alles aus diesen zwei Signalverläufen.


Aber das Gehör kann das alles! Problemlos ...wenn die Informationen die in den zwei Summensignalen enthaltenen sind, auch möglichst unverändert ans Ohr gelangen!
Das ist Aufgabe der Wiedergabeanlage.


Allerdings gelangen die zwei Summensignale bei der Wiedergabe über Stereo-Boxen nicht in der Form an unsere Ohren, wie sie ans Mikrofon gelangt sind... und auch nicht so wie das Signal, daß direkt aus den Boxen kommt!
Selbst wenn das aufgenommene Stereosignal - also z. B. die zwei Flanken der Schallplattenrille - von der Anlage perfekt in einen proportionalen Schalldruckverlauf gewandelt werden, und auch wenn man die Reflexionen im Wiedergaberaum mal nicht betrachtet, sehen die zwei Signale an unseren Ohren anders aus als das aufgenommene Stereo-Signal.


Denn das Signal aus jeder Box wird ja wieder von beiden Ohren wahrgenommen... so wie der Schall eines Instruments ja auch von beiden Mikrofonen aufgenommen wird... und da bei Stereo zwei Boxen im Raum stehen, wird es auch wieder eine Überlagerung der Schallverläufe beider Boxen an beiden Ohren geben.
Im folgenden Bild ist mal die gesamte Signalkette - für das einfache Beispiel mit zwei Instrumenten dargestellt (ohne Betrachtung der Reflexionen):


Damit unterscheidet sich der Schallverlauf an den Ohren noch deutlicher von dem der Orginal-Instrumente!

Obwohl diese Schallverläufe an den Ohren nur noch wenig Ähnlichkeit mit den Schallverläufen der Instrumente haben, ist unser Gehör trotzdem sehr gut in der Lage daraus jede Schallquelle zu lokalisieren, ihre Art und Größenordnung zu bestimmen und auch noch z. B. einen gesungenen Text zu verstehen …und das innerhalb kürzester Zeit und fortlaufend! Und wenn eine neue Schallquelle hinzukommt wird diese auch als neue Schallquelle erkannt… alles „nur“ aus dem Schallverlauf, der ja immer „nur“ als Summe aller Schallquellen an den Ohren ankommt…


Unabhängig wie das Gehör das alles kann, es muss es mit den „Informationen“ machen, die in den beiden aufgenommenen Signalverläufen enthaltenen sind - mehr ist nicht verfügbar!


Nochmal zur Verdeutlichung die zwei „Orginalsignale“ und die Ohrsignale bei der Wiedergabe der aufgenommenen zwei Instrumente:



Nur mit diesen zwei Signalen erkennt das Gehör, daß eine Geige und ein Horn gleichzeitig spielen, daß sie unterschiedliche Töne spielen, wo sich die Geige im Raum befindet und auch wo sich das Horn im Raum befindet und es kann die Tonhöhen der jeweilgen Töne (die Melodie) des Horns und auch die der Geige jeweils separat erkennen. Es kann sogar die Melodien des Horns und der Geige zueinander in Bezug bringen und z. B. einen gemeinsamen "Rythmus"  erkennen...selbst wenn die Laufzeit der Melodie des Horns zum "Hörer" grösser ist als die der Geige (und beide Melodien beim Hörer deswegen physikalisch gesehen "asynchron" ankommen).


Darstellung von Schall
Die bisher gezeigten Darstellung von Schall (und dem entsprechenden elektrischen Signal einer Aufnahme - dem Signalverlauf), als ein sich stetig ändernder zeitlicher Verlauf, entspricht den physikalischen Größen die man messen kann. Der Signalverlauf besteht aus einem Signalwert (z. B. Luftdruck oder Strom) der sich zeitlich gesehen ständig ändert. Diesen Luftdruckwert oder den Stromwert kann man messen... die Zeit läuft von „selbst“...


Es gibt zu einer Zeit (an einem Ort) immer nur einen Signalwert! Diesen Signalwert kann man zu jedem Zeitpunkt messen... und erhält so einen zeitlichen Signalverlauf.


Man kann diesen Signalverlauf natürlich - mit Hilfe der Mathematik - in andere Darstellungsformen umrechnen.
In vielen Fällen hilft eine andere Darstellungsform, für das Verständnis von bestimmten physikalischen Vorgängen oder Wahrnehmungen.


Die im HiFi-Bereich bekannteste mathematische Berechnung ist die Umrechnung - oder auch Transformation - eines zeitlichen Signalverlaufs (z. B. einer Aufnahme) in eine sog. Frequenzdarstellung - und da wiederum die Darstellung als Summe von Sinus-Frequenzen.


Das erfolgt z. B. mit Hilfe der Fast-Fourier-Transformation (FFT). Wie der Name schon sagt, ist es eine Transformation - eine Umrechnung: von einer Signalwert-Zeit-Darstellung in eine Amplituden-(Sinus-)Frequenz-Darstellung.


Der („ursprüngliche“) zeitliche Verlauf wird mit den Amplituden von Sinuswellen (vereinfacht meist als Sinusfrequenzen bezeichnet) dargestellt.
Das funktioniert natürlich nur, wenn jetzt ein Zeitraum zusammenfassend betrachtet wird! Man muss also die Signalwerte dieses Zeitraumes zusammen betrachten.
Dann kann man berechnen, welche Sinuswellen mit welchen Amplituden als Summe den gleichen Signalverlauf ergeben, den der „ursprüngliche“ Signalverlauf hat. Dargestellt werden dann die Amplituden der errechneten Sinuswellen bei deren entsprechenden Frequenzen (Anm.: Die Amplitude ist bei sich periodisch wiederholenden Vorgängen - wie z. B. einer Sinuswelle - der höchste Signalwert).
Das sieht dann z. B., wie folgt aus (Lila Diagramm):


Oben der gemessene Signalwert-Zeitverlauf (ein Ausschnitt des rechten Kanals eines Bach-Konzertes) und darunter in Lila die Amplituden-Frequenzdarstellung des oben dunkelgrau hinterlegten Zeitraums (10ms; 10/1000 Sekunden).

Das Ergebnis der Berechnung - und damit auch die Darstellung - hängt von verschiedenen „Randbedingungen“ ab. Eine ist z. B. die verwendete „Fensterfunktion“. Je nach Einstellung verändert sich das Ergebnis.
Folgend mal der gleiche Zeitraum des gleichen Amplituden-Zeitverlaufs (des Orginals)  jeweils als Amplituden-Frequenzdarstellung mit verschiedenen Fensterfunktionen berechnet:

 

 

Neben der Fourier-Transformation gibt es auch noch einige andere mathematische Transformationen z. B. die Cosinus-Transformation (DCT) oder die Wavelet-Transformation (DWT). Hierbei wird der Amplituden-Zeitverlauf (das Original) als Summe von Cosinus-Wellen bzw. als Summe von Wavelets (kleine Wellenpakete) dargestellt.
Auch häufiger verwendet wird eine „Zerlegung“ in Bandpass-Filter. Nach diesem Prinzip arbeiten manche sog. Real-Time Analyzer die den Amplituden-Zeitverlauf in mehre meist Terzband-breiten Bandpassfiltern „zerlegen“ und für jeden Bandpasskanal den Pegel anzeigen. (Quelle: Buch „Tontechnik: Hören, Schallwandler,...“ von Thomas Görne, Carl Hanser Verlag, 2014)


Wichtig ist zu wissen, daß es sich bei all diesen Frequenz-Darstellungen immer um eine mathematische Umrechnung handelt, und nicht um die „Realität“, also dem eigentlichen physikalischen Vorgang.
Gerade in Zusammenhang mit HiFi und Schall höre ich immer wieder die Vorstellung, das Signal oder der Schall „bestehe“ aus (Sinus-) Frequenzen... die alle gleichzeitig (!) von der Box abgestrahlt werden.
Das ist physikalisch nicht möglich.


Eine solche Betrachtungsweise ist eine Modellvorstellung - eine Analogie.


Auch wenn unser Gehör in manchen Bereichen ähnlich funktioniert, der Schall, der an den Ohren ankommt (und entsprechend auch das Signal der Schallplattenrille), ist ein einfacher zeitlicher Signalverlauf. Was im Gehör dann alles damit passiert ist ein völlig anders Thema - genauso wie die „Entstehung“ von Schall z. B. durch Instrumente.

Wie unser Gehör Schall „verarbeitet“, wird dann interessant, wenn man wissen will, was bei der Wiedergabe der zwei Signale aus der Schallplattenrille über Stereo-Boxen alles wichtig ist, damit wir den Eindruck haben, wir wären Live bei der Aufnahme dabei gewesen... dann hilft auch zu wissen, was in welcher Form an unserer Ohren kommt ...von den zwei Flanken der Schallplattenrille...

Aber das ist dann Thema anderer Artikel...



Diese und weitere „Gedanken und Hörgeschichten“ - von mir und anderen Hörern - gibts auch im Netz unter
www.audioclub.de




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Joachim Liepold
im Januar 2016