Elektroakustik v1.1
ELEKTRO
AKUSTIK
I. SCHALL 3
Verhalten des Schalls 4
Beschallung von Räumen 5
II. DAS MENSCHLICHE OHR 6
Der Gleichgewichtssinn 7
Das Ohr und der Schall 8
Monofonie 9
Stereofonie 10
Kopfbezogene Stereofonie - KUNSTKOPF 10
III. KENNGRÖßEN 11
IV. WANDLER 15
Elektromagnetischer Wandler 16
Elektrodynamische Wandler 16
Magnetostriktiver Wandler 17
Elektrostatischer oder dielektrischer Wandler 18
Piezoelektrische Wandler 18
Allgemeines zu den Wandlern 19
V. MIKROFONE 19
Kohle-Mikrofon 20
Elektret-Mikrofon 20
Druckempfänger 20
Druckgradientenempfänger 21
Kenngrößen von Mikrofonen 21
Resonanzabstimmung der Membran bei Mikrofonen 22
VI.
LAUTSPRECHER 22
Konuslautsprecher 22
Kalottenlautsprecher (abgeschnittene Kugel) 23
Druckkammerlautsprecher 23
Kenngrößen von Lautsprechern 23
Akustischer Kurzschluß 24
Zusammenschaltung von Lautsprechern 25
Anpassung von Lautsprechern 25
Frequenzweiche 26
VII. HÖRER 26
PARTIALSCHWINGUNGEN VON MEMBRANEN 26
KENNGRÖßEN VON MIKROFONEN UND LAUTSPRECHERN 29
Richtcharakteristik 29
Frequenzabhängigkeit 29
Richtmikrofone 29
Aussteuerung 30
ERSATZ-SCHALTBILDER 32
BERECHNUNGEN 33
QUELLENVERZEICHNIS 34
INDEX 34
Schall
Was ist der Schall eigentlich, wissenschaftlich betrachtet? Nun, er ist die Bezeichnung für mechanische Wellen, welche abhängig von der Frequenz (und Lautstärke) für das menschliche Ohr wahrnehmbar sind. Die Lehre des Schalls wird als „Akustik“ bezeichnet.
Zur Beschreibung eines Tones dienen folgende 2 Faktoren:
Frequenz: Sie ist gleichbedeutend der Tonhöhe.
Je mehr Schwingungen pro Sekunde (=je höher die Frequenz), desto „höher“ der Ton (pitch). Sie hängt von der Grundwelle, nicht jedoch von den Oberwellen ab.
Tiefe f : Kugelförmige Ausbreitung.
Hohe f : Eher gerichtet, da sie Hindernisse nicht so gut überwinden können.
Bezeichnung
Frequenzbereich
Infraschall
< 16 Hz
Wahrnehmbarer Bereich
16 Hz £ x £ 20.000 Hz
Ultraschall
> 20.000 Hz
Lautstärke: Je größer die Amplitude der Schwingung, desto „lauter“ ist der Ton
(loudness, volume).
Die Empfindung einer gewissen Schwingungsamplitude hängt stark von der Frequenz ab! Für Vergleiche ist nicht die Amplituden - bzw.
Frequenzdifferenz, sondern jeweils das Verhältnis maßgeblich. Das Frequenzverhältnis zweier Töne heißt Intervall.
Ton: Unter diesem Begriff verstehen wir eine einheitliche Sinuswelle.
Klang: Periodische Schallwelle, die nicht sinusförmig ist. Entsteht durch Überlagerung
der Grundwelle mit Oberwellen. Dies sind geradzahlige Vielfache der Frequenz bzw.
der halben Wellenlänge der Grundwelle. Je mehr Oberwellen, desto „voller“ (voluminöser) klingt z.B. ein Instrument.
Klangfarbe: Attribut der Hörempfindung. So kann ein Hörer feststellen, daß zwei
gleichzeitige Schallereignisse von gleicher Lautstärke und Tonhöhe verschieden sind.
Sie ist bestimmt durch die Anzahl und relative Intensität der einzelnen Oberwellen. Für den Klangeindruck ist die Einschwingzeit maßgebend. Die Phasenlage der Obertöne zueinander und zur Grundwelle haben weitgehend keinen Einfluß.
Geräusch: Gemisch vieler Frequenzen bzw. nichtperiodischer Wellen. Die
Frequenzen sind im Verhältnis zueinander nicht geradzahlige Vielfache.
Knall: Wenige kräftige Verdichtungen und Verdünnungen vieler Frequenzen eines
großen Bereiches in sehr kurzer Zeit.
Rauschen:
Weißes Rauschen: Ansammlung aller Frequenzen im hörbaren Bereich mit gleicher
Amplitude.
Rosa Rauschen: Hier ist die spektrale Intensitätsdichte umgekehrt
proportional der Frequenz.Schallgeschwindigkeit Die Geschwindigkeit des Schalls ist abhängig vom Medium, durch welches er sich bewegen will. Es bewegen sich alle Frequenzen zueinander gleichermaßen schnell, die Geschwindigkeit ist also nicht von der Wellenlänge abhängig.
Allgemein breitet sich der Schall in der Luft in Form longitudinaler Wellen von einer sogenannten Schallquelle in alle Richtung gleichmäßig (also kugelförmig) aus, sofern sich keine Hindernisse im Weg befinden.
Sind solche allerdings vorhanden, so kommt es je nach Größe des Hindernisses verglichen mit der Wellenlänge zu sogenannten Beugungen.
Berechnung der Schallgeschwindigkeit:
c0 … Konstante, (bei 0°C ® 332m/s)
a … Temperaturkoeffizient =
t … Temperatur in °C
® l = 2 cm … 20 m
Medium
v [m/s]
Vakuum
0
Luft bei 0°C
331,6
15°C
340,6
Wasser
1.480
Mauerwerk
3.500 ...
4.000
Holz
3.500 ... 5.
000
Stahl
4.800 ... 5.000
Glas
5.
100 ... 5.500
Die Schallmauer wird bei zirka 1.200 km/h (330m/s) durchbrochen.
Schallschnelle Sie ist jene Geschwindigkeit, mit der die einzelnen Teilchen schwingen.
a … Amplitude in m
w … 2×p×f … Kreisfrequenz in s-1Verhalten des Schalls Schallquellen bilden gewöhnlich stehende Wellen aus. Ihre Abmessungen bestimmen die möglichen Wellenlängen.
Der Schall breitet sich abhängig vom Medium (=Dichte) mit einer über alle Frequenzen gleich großen Geschwindigkeit als Raumwelle aus. Er bewirkt eine Störung. Die sich durch die schwingenden Teilchen ständig veränderte Druckänderung bewirkt wiederum Störungen durch Anregung der Nachbarteilchen und „befördert“ so den Schall weiter, indem akustische Energie abgegeben wird.
Die Schallstärke nimmt aufgrund der kugelförmigen Ausbreitung proportional dem Quadrat der Entfernung von der Quelle ab.
Bestimmen läßt sich ein Schallvorgang durch die Angabe des räumlichen sowie des zeitlichen Verlaufs. Aus diesem leitet sich der Schalldruck durch Differentiation nach der Zeit und die Schallschnelle durch Differentiation nach den räumlichen Koordinaten ab.
Der Schall benötigt eine (wenngleich sehr kurze) Zeit, bis er einen stationären Zustand erreicht. Diese Zeit nennt man Anhallzeit bzw. Füllzeit.
Hingegen jene Zeit, die ein Schall in einem Raum nachklingt, bezeichnet man als Nachhallzeit. Sie ist maßgebend für die Verständlichkeit im Raum.
Trifft eine Schallwelle auf ein Hindernis, so hängt der weitere Verlauf von der Größe der Wellenlänge l und der Fläche A ab.
Ist l << A ® Reflexion. Die Phase dreht sich hierbei um 180° ® stehende Welle.
Ist jedoch l >> A (tiefe f), so findet eine Beugung des Schalls statt.
Dies ist der Grund, warum zum Beispiel Musik hinter einer Lautsprecherbox dumpfer klingt.
Zusätzlich zur Reflexion kommt es aber auch zu einer Absorption (siehe später). Dopplereffekt Wie bereits erwähnt, breiten sich alle Frequenzen gleich schnell aus. Allerdings können sie verändert empfunden werden, wenn sich entweder die Quelle oder aber der Empfänger (=Mensch) in Bewegung befindet. In solchen Fällen spricht man vom sogenannten Dopplereffekt.Beschallung von Räumen Hier gelten an Streu- Hohlspiegel und an ebenen Flächen die aus der Optik bekannten Gesetze.
Diese gelten jedoch nur, wenn die reflektierende Fläche groß gegenüber der Wellenlänge des Schalls ist.
Schallreflexionen an ebenen Flächen:
Ebene Fläche: Der Schall wird im
gleichem Winkel reflektiert, wie er
auftrifft.
Rechtwinkelige Ecke: Hier wird der
Strahl zweimal reflektiert. Zunächst
von einer Fläche auf die nächste,
um danach parallel zum
einfallenden Schall zurück zu
laufen.
Parallele Wände: Hier kann eine stehende Welle entstehen, da eine senkrecht
auftreffende Welle immer von ihren eigenen Reflexionen überlagert wird. Es muß der Wandabstand gleich der halben Wellenlänge oder einem Vielfachen davon sein.
Das heißt, daß eine stehende Welle nur bei einer Frequenz und ihrer harmonischen Obertöne entstehen kann. Weiters kommt es nur dazu, wenn es sich um ein andauerndes, unverändertes Schallsignal (Dauerton) handelt.
Zwischen zwei parallelen Wänden entsteht bei einem impulsartigen Schall ein Flatterecho, da das Signal dauernd hin- und herreflektiert wird. Wahrnehmbar wird diese schnelle Abfolge einzelner Echos allerdings nur bei großem Wandabstand. Ist dieser kleiner als 8m, so entsteht eine Klangfärbung, da die Abfolge der Echos zu rasch für das Ohr sind.
Schallreflexionen an gekrümmten Flächen:
Bei gekrümmten (konkaven) Flächen muß man je nach Abstand der Quelle zur reflektierenden Fläche vier Fälle unterschieden werden.
Halber Krümmungsradius < Abstand < ganzer Krümmungsradius: Der gesamte reflektierte Schall wird in einem Punkt vereint.
Abstand = Krümmungsradius: Hier verlaufen die Schallstrahlen nach der Reflexion parallel zueinander
Abstand < halber Krümmungsradius: Die Strahlen werden zerstreut.
Abstand > ganzer Krümmungsradius. Hier werden die Strahlen in einem Punkt vor dem Krümmungmittelpunkt gebündelt, danach zerstreuen sie sich.
Das menschliche Ohr
Das Ohr ist ein Organ des Gehörs und Gleichgewichtssinnes. Man gliedert es prinzipiell in drei Teile: Außen-, Mittel- und Innenohr.
Das Außenohr ist derjenige Teil des Hörapparats, der vor dem Trommelfell liegt; zu ihm gehören die Ohrmuschel und der äußere Gehörgang, der etwa drei Zentimeter lang ist. Hinter dem Trommelfell liegt das Mittelohr mit dem Mechanismus, der die Schallwellen zum Innenohr weiterleitet. Es ist ein enger Hohlraum von etwa 15 Millimeter Höhe und Breite. Über die Eustachische Röhre steht das Mittelohr unmittelbar mit dem Hinterende von Nase und Rachen in Verbindung, so daß Luft hinein- und herausströmen kann. Durch das Mittelohr zieht sich eine Kette von drei kleinen, beweglichen Knochen, die Gehörknöchelchen: Hammer, Amboß und Steigbügel. Sie verbinden das Trommelfell akustisch mit dem flüssigkeitsgefüllten Innenohr, denn sie bilden eine Art Druckwandler (Druckausgleich durch Eustachische Röhre), welcher eine Verstärkung der geringen Auslenkung des Trommelfells bewirkt.
Das Innenohr, auch Labyrinth genannt, ist jener Teil des Schläfenknochens, in dem die Organe für das Gehör und den Gleichgewichtssinn liegen; hier sind die Fasern der Gehörnerven verteilt. Ca. 25.000 Zellen wandeln Schwingungen in elektrische Ströme um und senden sie über den Hörnerv an das Gehirn weiter. Die Hörzellen am Beginn der Schnecke sind für die höchsten Töne zuständig.
Die geringste Tonhöhenschwankung, die das Ohr erkennen kann, ist von der Tonhöhe und der Lautstärke abhängig (siehe Diagramm der Isophonen, Abb.
2). Menschen mit besonders empfindlichem Gehör nehmen im Bereich von 500 bis 8 000 Hertz noch Frequenzunterschiede (also Tonhöhenschwankungen) von 0,03 Prozent der ursprünglichen Frequenz wahr (z.B. 1000Hz ® 3 Hz). Bei niedrigen Frequenzen und geringer Lautstärke reagiert das Ohr auf Tonhöhenschwankungen weniger empfindlich. Auch auf die Lautstärke (d.
h. auf die Intensität der Schallwellen) reagiert das Gehör bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich. Am empfindlichsten nimmt es Lautstärkeänderungen im Bereich um die 4.000 Hertz wahr: Hier wird bereits eine Schwankung von einem Dezibel registriert. Bei sehr geringer Lautstärke ist die Empfindlichkeit geringer. Die unterschiedliche Empfindlichkeit des Gehörs gegenüber großer Lautstärke führt zu mehreren interessanten Phänomenen: Sehr laute Geräusche erzeugen im Ohr zusätzliche Tonwahrnehmungen, die in dem Geräusch in Wirklichkeit nicht enthalten sind.
Die Ursachen dieser subjektiven Wahrnehmung sind wahrscheinlich Unvollkommenheiten in der natürlichen Funktion des Mittelohres (schließlich ist es ja nicht für so hohe Pegel ausgebildet). Somit wirken Töne bei sehr hoher Intensität rauh (z. B. besonders laute Konzerte, nahe der Schmerzgrenze von 120dB). Außerdem wirkt sich die Lautstärke eines reinen Tones auch auf die Wahrnehmung der Tonhöhe aus. Sehr laute Töne können um einen ganzen Tonleiterschritt höher klingen, und die Tonhöhe leiser Klänge scheint mit geringerer Lautstärke abzunehmen.
Diesen Effekt bemerkt man aber nur bei reinen Tönen. Da man es in der Musik nahezu immer mit zusammengesetzten Klängen zu tun hat, beeinflußt er das Hören nicht nennenswert. Allerdings scheint Musik bei geringer Lautstärke weniger Tiefen - und Höhenanteile aufzuweisen, während bei größerer Lautstärke der Mittenbereich scheinbar abgeschwächt wird. Diesem Effekt begegnet man z.B. mit sogenannten Loudness-Tasten in Stereoanlagen.
Wenn das Ohr Obertöne zu sehr tiefen Tönen produziert, kann es aber unter Umständen höhere Töne nicht mehr wahrnehmen. Das ist der Grund, warum man die Stimme heben muß, wenn man sich an einem lauten Ort verständlich machen will. Der GleichgewichtssinnDie Bogengänge und der Vorhof des Innenohres dienen dem Gleichgewichtssinn. In diesen Kanälen liegen feine Haare, die auf Lageveränderungen des Kopfes reagieren.
Die drei Bogengänge verlaufen vom Vorhof aus ungefähr rechtwinkelig zueinander, so daß die Sinneszellen Kopfbewegungen in allen drei Raumrichtungen wahrnehmen können: nach oben und unten, nach vorn und hinten sowie nach rechts und links. Über den Haarzellen des Vorhofs liegen Kristalle (Gehörsand).
Wenn der Kopf gekippt wird, verschieben sich diese, und die darunterliegenden Haare reagieren auf die Druckveränderung. Zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts tragen auch die Augen und bestimmte Sinneszellen in der Haut und im Körperinneren bei, aber wenn das Innenohr geschädigt oder zerstört ist, dann nützen diese auch nicht. Es folgen immer Gleichgewichtsstörungen. Bei Erkrankungen oder Störungen im Innenohr ist die betreffende Person unter Umständen nicht in der Lage, mit geschlossenen Augen zu stehen, ohne zu schwanken oder umzufallen.Das Ohr und der Schall
Was geschieht, wenn ein Schall auf den Menschen trifft? Nun, wenn er direkt von vorne bzw. hinten an ihn gelangt, so erreichen die Wellen beide Ohren gleichzeitig und auch gleich stark.
Trifft jedoch der Schall seitlich auf die Person, so wird immer ein Ohr früher als das Andere angeregt. Die minimalen Zeitunterschiede (betragen max. 0.62 ms) vermag das Gehör zu erkennen (® Laufzeit-Stereophonie). Das zweite Ohr nimmt die Schallwelle aber nicht nur später, sondern auch aufgrund der Dämpfung durch den sich im Weg befindlichen Kopf leiser wahr (® Intensitäts-Stereophonie). Bei Frequenzen unterhalb ca.
1kHz werden bevorzugt Zeitunterschiede, darüber Lautstärkeunterschiede herangezogen (unter 1kHz wird der Schall stark genug um den Kopf gebeugt, wodurch der Intensitätunterschied klein ist). Weiters wertet das Gehör Reflexionen in geschlossenen Räumen zur besseren Ortung aus. Schätzungen von Entfernungen der Schallquelle sind generell zu gering, über 15 Meter scheint es keine zu geben. Ein Flüstern wird zumeist als zu nah, ein Schreien als zu weit lokalisiert. Phantomschallquellen Bei der zweikanaligen Wiedergabe über Lautsprecher (speziell Kopfhörer) lassen sich Schallquellen reproduzieren, welche sich scheinbar zwischen den beiden Lautsprechern befinden. Somit kann die Quelle jeden beliebigen Ort dazwischen einnehmen, je nachdem, wie die entsprechenden Pegel auf die beiden Tonerzeuger geführt werden (z.
B. weiter links: Mehr Lautstärke auf dem linken Kanal, als rechts). Diesen Effekt machen sich viele Musiker & Komponisten zu Nutzen, wodurch ihre Werke um einen (für mich persönlich entscheidenden) Grad interessanter klingen. Befindet sich das Lautsprecherpaar jedoch seitlich der Person, so kann man keine eindeutigen Phantomschallquellen mehr orten (Voraussetzung: Schalltoter Raum, d.h. keine Reflexionen!).
Echos werden nur bei einer Laufzeit über 25ms wahrgenommen.Schwebung Wirken zwei Schwingungen mit geringem Frequenzabstand aufeinander ein, so kann das Ohr die beiden Frequenzen nicht mehr trennen, es hört nur einen „Ton“. Dieser schwankt jedoch regelmäßig in seiner Stärke (Amplitude), er schwebt. Die Schwebungsfrequenz (Anzahl der Schwankungen pro Sekunde) ist die Differenz der beiden Ausgangs-frequenzen. Ist der Frequenzabstand <15Hertz, so hört man Amplitudenschwingungen. Die dabei auftretenden zusätzlichen Klangempfindungen lassen sich für die verschiedenen Frequenzbereiche mit „Klingeln“, „Zwitschern“, „Zirpen“ umschreiben.
Überschreitet die Frequenzdifferenz diesen Wert von 15Hz, so entsteht eine Art „Knurren“ bzw. „metallisches Summen“.
Die Schwebung kann von Nutzen sein: Musiker (im Speziellen Gitarristen) bedienen sich dieses Effektes und sind so imstande, die Stimmung zweier Saiten zueinander anzupassen. In bestimmten Punkten der Saitenlänge entstehen sogenannte „Harmonics“, das sind sehr hoch und rein klingende „Töne“. Vergleicht man nun zwei solcher Harmonics, so fallen selbst die kleinsten Differenzen in Form einer Schwebung auf (dementsprechend genau fällt die Korrektur aus).
Ein weiterer Effekt ergibt sich bei der Überlagerung zweier gleicher Signale.
Sind diese genau gleichzeitig (gleichphasig), so erhöht sich der Pegel. Sind sie aber einige ms zueinander verzögert, kommt es bei einigen Frequenzen zu Auslöschungen, bei anderen zu Verstärkungen und damit zu einer Klangänderung, die von der Verzögerungszeit abhängt. Bei sehr kurzen Zeiten spricht man vom „Flanger-Effekt“, bei etwas längeren Zeiten vom „Chorus“. Ist das zweite Signal so stark verzögert, daß man es als eigenes Signal wahrnimmt, nennt man es „Echo“ (>25ms). Überlagert man so viele Echos, daß diese wiederum nicht mehr als einzelne Signale wahrgenommen werden, ist von (Nach)Hall die Rede. Die Dauer des Halls ist ein Maß für die Verständlichkeit.
Bis das Ohr nach dem Einschalten eines einfachen Tones die Tonhöhe mit Sicherheit erkennen kann, vergeht eine gewisse Zeit. Ein kurzer reiner Ton ist demnach ein Widerspruch in sich selbst.Verdeckungseffekte und Maskierungen
Laute tiefe Töne können gleichzeitig erklingende leise Töne verdecken.
2 kurz nacheinander auftretende Töne: der 1. laut, der 2. leise wird verdeckt, das Gehör ist kurzfristig nicht mehr sensibel genug;
der 1.
leise, der 2. laut verdeckt rückwirkend. Simultanverdeckung: ein leises Rauschen wird nur hörbar, wenn ansonsten Stille herrscht.
Verdeckung: Nach Darbietung eines reinen Klanges erlischt nach wenigen Sekunden die Fähigkeit, diesen Klang zu bestimmen (z.B. e oder ö).
Lokalisierung von Schallsignalen
Gesetz der 1. Wellenfront (Precedense-Effekt):
Wenn vom gleichen Signal mehrere Wellenfronten aus verschiedenen Richtungen (durch Reflexionen) auf das Ohr treffen, wird das Signal in der Richtung der 1. Wellenfront geortet, unabhängig von jener der anderen.
Haas-Effekt:
Beschreibt Gesetzmäßigkeiten bei Schallsignalen, wenn ein Primärsignal und ein zeitverzögertes Sekundärsignal vorhanden sind. Für Verzögerungszeiten zwischen 1 und 30 ms ist der zuerst einfallende Schall eindeutig für die Lokalisierung ausschlaggebend (auch wenn Pegel des Sekundärsignals um 10dB höher). Reflexionen werden erst ab Laufzeitdifferenzen von 40 ms bemerkt, geortet wird aber immer noch der zuerst einfallende Schall.
Als zeitlich und räumlich getrennt empfindet man Signale erst ab einer Verzögerung von 50 ms.
Monofonie Monofone Übertragungen benötigen zur Übertragung nur einen Kanal. Aufnahmeseitig kann entweder nur ein Mikrofon oder eine Mischung mehrerer solcher übertragen werden. Die Wiedergabe erfolgt bevorzugt über nur einen Lautsprecher, aber auch bei Verwendung zweier gleichphasig angeschlossener Lautsprecher wird das Klangbild punktförmig abgebildet; dies wirkt besonders unnatürlich beim Raumschall des Aufnahmeraums. In der Regel strahlt der Lautsprecher im Wiedergaberaum nicht nur in Richtung zum Hörer; damit erhält dieser außerdem einen von den Begrenzungsflächen des Abhörraumes reflektierten, verzögert eintreffenden Schallanteil, der Präsenz und Lokalisierbarkeit des reproduzierten Klangbildes vermindert. Das ist zwar für die Wiedergabe räumlich ausgedehnter Klangquellen wie Orchester vorteilhaft, für Einzelsprecher z.
B. aber u. U. nachteilig.
Der Raumanteil wird außerdem stark durch die akustischen Eigenschaften der Wiedergabeanordnung bestimmt und vermag damit dem Hörer nicht die Illusion zu vermitteln, sich im Aufnahmeraum zu befinden. Es ist möglich, durch Verhallung und Verzögerung und durch Frequenzgangkorrekturen einzelner Klanganteile dem Klangbild eine gewisse Tiefenstaffelung zu geben, die aber nicht die Durchsichtigkeit bzw.
Durchhörbarkeit einer stereofonen Übertragung besitzt. Denn diese Durchsichtigkeit ist auf die Konzentrationsmöglichkeit des Hörers auf lokalisierbare Teilschallquellen in einem räumlich ausgedehnten Klangbild zurückzuführen.
Stereofonie Die Abbildung eines akustischen Geschehens durch Lautsprecher gewinnt mit der Stereotechnik an Durchsichtigkeit, Räumlichkeit und Klangfülle gegenüber der Abbildung mit Monotechnik. Mit Durchsichtigkeit wird die Möglichkeit, eine Schallquelle zu lokalisieren und einzelne Schallquellen eines Klangkörpers getrennt zu orten und zu verfolgen, bezeichnet. Außerdem erweitert die Stereofonie die Möglichkeiten, Bewegungsabläufe bei Fernsehtonaufnahmen, Hörspielen und Musikaufnahmen akustisch abzubilden oder rein elektronisch zu erzeugen und Schallquellen mit den Mitteln der Tonregie in gewünschte Positionen zu bringen. Die Vermittlung der Raumillusion wird entscheidend verbessert.
Stereofonie - der Wortbedeutung nach "räumlicher Schall" - werden die Übertragungsverfahren genannt, die durch Verwendung von in der Regel zwei (oder aber auch mehrerer) Übertragungskanälen die räumliche Dimension des Klangbilds übertragen. Zu der räumlichen Dimension gehören die Positionen der Schallquellen im Raum; hierzu gehört auch ihre Ausdehnung und Entfernung. Zur räumlichen Dimension eines Klangbilds gehört aber auch die Richtungsverteilung der ersten Reflexionen und des Nachhalls. Das Übertragungsverfahren der Stereofonie hat zum Ziel, dem Hörer die Illusion zu vermitteln, er befinde sich im Aufnahmeraum. Das Verfahren baut auf der Zweiohrigkeit des Menschen auf, die die räumliche Wahrnehmung von Schallquellen erst ermöglicht.
Die Zweikanalstereofonie wird heute in zwei verschiedenen Verfahren angewendet:
kopfbezogene Stereofonie
raumbezogene Stereofonie,
wobei das zuletzt genannte Verfahren das allgemein verbreitete Übertragungsverfahren ist.
Kopfbezogene Stereofonie - KUNSTKOPF Dies ist vom Prinzip her das Übertragungsverfahren, das am Besten eine „originalgetreue“ Übertragung ermöglicht. Das Schallfeld, das im Aufnahmeraum am Ort der beiden Ohren eines Hörers herrschen würde, wird durch einen sogenannten Kunstkopf oder mit Sondermikrofonen in den Gehörgängen einer Person aufgenommen und nur unmittelbar an den Ohren des Hörers (® Kopfhörer) reproduziert.
Der Kunstkopf ist in akustischer Hinsicht dem menschlichen Kopf weitest möglich nachgebildet. Anstelle der Trommelfelle sind Mikrofone installiert, deren Richtcharakteristik und gegenseitige Übersprechdämpfung den Verhältnissen des menschlichen Ohres entsprechen. Somit können Schalleinfallsrichtung (auch von vorne und hinten) und die Entfernung genau reproduziert werden.
Das Verfahren kann allerdings nur bei völliger Übereinstimmung der akustischen Eigenschaften von Kunstkopf und Kopf des Hörers optimal arbeiten.
Der Kunstkopf verzerrt die Signale linear, entsprechend einem menschlichen Kopf. Das Klangbild ist also stets auf den Kopf der Hörers bezogen und nicht etwa auf den Wiedergaberaum.
Er kann auch als eine Art Stereomikrofon betrachtet werden, dessen Signale für linken und rechten Kanal durch Intensitäts- und Laufzeitunterschiede gekennzeichnet sind.
Kenngrößen
Die Bezeichnung „PHON“ Wie bereits erwähnt, empfindet das Ohr unterschiedliche Frequenzen trotz gleichem Schalldruckpegel nicht gleich. Die Darstellung von Schalldruckpegel und Frequenz bzw. empfundener Lautstärke erfolgt in sogenannten Kurven gleicher Lautstärke (siehe Abbildung 2).
Nach unten hin werden diese Kurven von der Hörschwelle begrenzt, dem Schalldruckpegel, der gerade noch ein Hörereignis hervorruft. Die obere Grenze ist die Schmerzschwelle. Sie liegt bei 120dB.
Abbildung 2, Isophonen Die Kurven in diesem Diagramm nennt man ISOPHONEN (=Weber-Fechnersches Gesetz)
Abbildung 3, Frequenzbereich von Sprache und Musik
Die höchste Empfindlichkeit liegt wie bereits erwähnt bei zirka 4 kHz.
Bei 1000 Hz stimmen Schalldruckpegel in dB und Lautstärkepegel in phon zahlenmäßig überein.
Für die gehörmäßige Beurteilung der Lautstärke hat man den Lautstärkepegel mit der Einheit „Phon“ eingeführt.
Als Bezugsschalldruck wurde 2×10-5 gewählt, daher liegt die Hörschwelle bei 4 Phon. Für den Bereich mittlerer Schalldruckpegel gilt: die Verdopplung der empfundenen Lautstärke entspricht einer Zunahme des Lautstärkepegels um jeweils 10 Phon (d.h. das Ohr bewertet die Lautstärke logarithmisch).Lautheit Da sich der Lautstärkepegel nur für den Vergleich der Lautstärkeempfindung gleich lauter Schallereignisse eignet, verwendet man die sogenannte Lautheit S für ungleich laute Ereignisse. Sie erfaßt die tatsächlichen Lautstärkeverhältnisse verschiedener Lautstärkepegel LS zueinander und wird in sone angegeben.
Während beim Schalldruckpegel der Druckverdopplung eine Pegelzunahme von 6dB entspricht, bedeutet eine Verdopplung der empfundenen Lautstärke in dem praktisch wichtigen Lautstärkebereich über 30 phon eine Lautstärkepegel-zunahme von10 phon (=Zunahme des Schalldruckpegels um 10dB).Schalldruck Der durch die hin - und herbewegenden Teilchen des Mediums entstehende Wechseldruck wird als Schalldruck (p) bezeichnet. Diese Druckschwankungen werden dem atmosphärischem Gleichdruck überlagert. Einheit: N/m2 oder Pascal (Pa).Schallintensität Die durch eine senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle stehende Flächeneinheit in einer Sekunde durchströmende Schalleistung nennt man Schallintensität. Sie errechnet sich aus dem Produkt des effektiven Schalldrucks und der effektiven Schallschnelle.
I … Schallintensität, [W×m-2]
p … Schalldruck
v … SchallschnelleSchalleistung Der (durch den Schall angeregte) schwingende Körper gibt an das umgebende Medium akustische Energie ab. Diese wird als Schalleistung bezeichnet und in Erg/sek=10-7 gemessen. Eine menschliche Stimme erzeugt bei Unterhaltungslautstärke eine Schalleistung von 25 W. Die Schallintensität beträgt bei allseitiger Abstrahlung im Abstand von 2m 5×10-1 Wm-1, dies entspricht einem Schalldruck von 0,02 Nm-2.
Da sich der Schall bei ungestörtem Schallverlauf kugelförmig nach allen Seiten ausbreitet, nimmt die Schallstärke proportional dem Quadrat der Entfernung von der Schallquelle ab.
Schalldruckpegel Bezugsschalldruck = 0,00002 Pa = 2×10-5 Pa = 0dB
Absoluter Pegel, da genormter Wert (2×10-5 Pa).
Schmerzgrenze =
Da ein Direktschallfeld meist ein gerichtetes Schallfeld ist, gilt physikalisch das 1/r-Gesetz, welches besagt, daß mit der Verdopplung der Entfernung von der Schallquelle der Schalldruckpegel jeweils um 6 dB sinkt.Akustische Leistung Die von einer Schallquelle in einer Sekunde nach allen Seiten abgestrahlte Schallenergie wird akustische Leistung genannt. Sie errechnet sich aus dem Produkt von Schallintensität und Ausbreitungsfläche.
Pa … akustische Leistung, [W]
F … Fläche, [m²]
I … Schallintensität, [W×m-2]Schallwellenwiderstand Das Verhältnis von Schalldruck zu Schallschnelle bezeichnet man als Schallwellenwiderstand oder als Schallkennimpedanz (das Verhältnis von Spannung zu Strom entspricht formal diesem Verhältnis).
Z0 … Schallwellenwiderstand
p … Schalldruck
v … SchallschnelleSchallabsorption Diese ist stark frequenzabhängig, gegeben durch die Materialbeschaffenheit und den geometrischen Anordnungen. Die Schluckfähigkeit wird durch den Absorptionskoeffizienten a beschrieben, welcher sich auf die absolute Schallschluckung bezieht (0%=totale Reflexion [Faktor 0], 100% Schluckung ® z.
B. 1m² offenes Fenster [Faktor 1]).
(A … Schallabsorption, F … Fläche)
Für die Schallschluckung ist insbesondere die Schallbrechung von Bedeutung. Diese gibt die Stärke der Richtungsänderung des Schalls bei Eintritt in ein anderes Medium an.(Nach-) Hallzeit T … Nachhallzeit
V … Raumvolumen
k … Konstante (0,163)
Ages … Schallschluckung der Gesamtfläche
Die Nachhallzeit wird gemessen vom Zeitpunkt des Abstellens des Senders bis zum Verebben des Schalls (man kann sagen, bis der Pegel um 60dB abgenommen hat).
Sprechstudio: 0,4 - 0,8 s
Konzertraum, Theater: 0,7 - 2,5 s Kirche: 1,5 - 2,5 s
Der Nachhall ist im allgemeinen in Dauer und Stärke unabhängig vom Hörort.
Zumeist ist er nicht ortbar.Hallradius Das diffuse und direkte Schallfeld überlagern sich. In einem bestimmten Abstand, dem Hallradius, ist die Schallenergiedichte von beiden Schallfeldern gleich groß. Innerhalb des Hallradius überwiegt der Direktschall mit der Richtungsinformation der Schallquelle und außerhalb das Diffusschallfeld.
Rh … Hellradius, [m]
V … Volumen, [m³]
T … Nachhallzeit, [s]Dynamik Pegeldifferenz zwischen großer und kleiner Schalleistung. Sprache und Unterhaltungsmusik besitzen eine Dynamik von 1:100 bis 1:1000.
Bei einem Symphonieorchester steigt sie auf etwa 1:3000.Störabstand
Unter Störabstand [signal to noise ratio (S/N-R)] versteht man die Überlagerung von Störspannungen über das Nutzsignal, wodurch der Dynamikumfang eingeschränkt wird. Es handelt sich also um die Differenz zwischen Nutzsignal - (typ. 0 dBu) und Störsignalpegel. Da bei analogen Geräten in der Regel eine Aussteuerung verzerrungsfrei über 0 dB möglich ist, bezeichnet man den Bereich darüber als „Headroom“ (bei HiFi-Anlagen ist das der rote Bereich bei analogen Lautstärkeanzeigen bzw. bei Led-Anzeigen über dem grünen Bereich).
Mit Dynamik oder Dynamikumfang bezeichnet man also den Störabstand plus dem Headroom.
Direktschall Dies ist das frontal auf das Mikrofon treffende Signal, welches man aufnehmen möchte.
Bezogen auf einen Raum handelt es sich beim Direktschall um den als ersten beim Hörer ankommenden Schall (= das gewünschte Signal). Dies gilt aber nur innerhalb von 30 ms, danach tritt der Diffusschall in Kraft.Diffusschall Hierbei ist der Rest an Schall gemeint, welcher nicht dem gewünschten Signal entspricht (Störungen wie z.B.
Nebengeräusche, ...). Er tritt dann in den Vordergrund, wenn sich der Direktschall zu weit entfernt vom Mikrofon befindet.
Wiederum auf den Raum bezogen werden mit Diffusschall die eintreffenden Reflexionen bezeichnet.
Bis 50 ms sind sie für die Deutlichkeit der Sprache im Raum maßgebend, in der Musik sind die ersten 80 ms für die Klangklarheit entscheidend. Über diesen 80 ms verdichten sich rasch alle weiteren Reflexionen und bilden das Nachhall - oder Diffusschallfeld. Es stellt den gesamten reflektierten, den Raum gleichmäßig erfüllenden Schall dar. Je häufiger Reflexionen und Beugungen stattfinden, desto rascher baut sich ein diffuses Schallfeld auf, besonders bei breitbandigem Schall, wie er bei Sprache und Musik vorkommt.Klirrfaktor Er ist ein Maß für nichtlineare Verzerrungen. Er gibt an, wie groß der Effektivwert der Oberwellenanteil im Verhältnis zum Effektivwert des Gesamtsignals ist.
Bei Mikros wird vom Hersteller aber nicht der Klirrfaktor, sondern jener Schalldruck angegeben, unter dem die Einhaltung eines bestimmten Klirrfaktors (meist 0.5% bei 1kHz) garantiert wird. Dieser Schalldruck wird Grenzschalldruck genannt.FrequenzgangEr gibt den Amplitudenverlauf in Abhängigkeit der Frequenz an.PhasengangEr ist der Verlauf der Phase in Abhängigkeit der Frequenz und wird auch als Gruppenlaufzeit bezeichnet.
Wandler
Schallwandler, auch elektro-akustische Wandler genannt, sind Systeme, die Schallenergie in elektrische Energie und umgekehrt umzuwandeln vermögen.
Im Allgemeinen wird zur Aufnahme und Abstrahlung von Schallwellen ein schwingungsfähiges mechanisches System als Membrane eingeschaltet.
Schallwandler: Mikrofone, Lautsprecher, Kopfhörer, aber auch Tondosen bei Schallplattenabspielgeräten.
Grundsätzlich unterteilt man die Schallwandler in folgende zwei Gruppen:
Reversible S.: Können in beide Richtungen betrieben werden (Mikrofon und Lautsprecher in einem).
Irreversible S.: Können nur in eine Richtung als Wandler verwendet werden.
Die Bezeichnung der verschiedenen Wandlersysteme folgt aus ihrer Art der mechanisch-elektrischen Energieumsetzung.Prinzip
LAUTSPRECHER
MIKROFON
Abbildung 5
Abbildung 6
Elektromagnetischer Wandler
Dieser Wandler besteht aus einem Permanentmagneten mit einer Leiterwicklung sowie einem beweglichen Anker, der im Allgemeinen mit einer Membran verbunden ist. Permanentmagnet und Anker bilden einen magnetischen Kreis, welcher durch einen Luftspalt unterbrochen ist.
Lautsprecher: Bewegt sich die Membran und somit der Anker, so wird in die Wicklung wegen des vorhandenen permanenten Magnetfeldes eine Spannung induziert, die der Bewegungsgeschwindigkeit proportional ist.
Mikrofon: Wird umgekehrt eine Spannung an die Wicklung gelegt, bewegt sich der Anker und die Membran im Rhythmus dieser Spannung.
Elektromagnetische Wandler können mit relativ gutem Wirkungsgrad hergestellt werden.
Elektrodynamische Wandler
Dieser Wandler ist reversibel und arbeitet mit einem Permanentmagneten. Er beruht auf der Kraftwirkung auf einer stromdurchflossenen Leiterschleife. Diese Spule ist im Magnetfeld meist als Schwingspule frei beweglich; an ihr ist die Membran angekoppelt. Fließt ein Strom, so entsteht ein Magnetfeld um den Leiter, welches sich mit dem Vorhandenen summiert (je nach Richtung entstehen Verstärkungen und Abschwächungen). Die Folge ist die Kraftwirkung.
Vorteilhaft gegenüber dem elektromagnetischen Prinzip ist, daß hierbei kein Wechselmagnetfeld erzeugt wird, welches mit Inhomogenitäten und damit mit Verzerrungen verbunden ist.
Es lassen sich also auch für große Bewegungsamplituden der Schwingspule und Membran mit diesem Prinzip besonders verzerrungsarme Wandler herstellen.
Nach dem gleichen Prinzip arbeiten auch dynamische Mikrofone (Tauchspul - und Bändchenmikrofone), sowie auch dynamische Lautsprecher und Kopfhörer.
Abbildung 8, Tauchspul-Mikrofon Tauchspul-Mikrofon Die Induktion = konstant, vom Dauermagneten gegeben. Es ändert sich nur die Fläche der Spule im Magnetfeld.
Eigenschaften: Hohe Qualität
Robuster Aufbau und einfache Beeinflussung der
Richtcharakteristik.
B … Induktion
v … Geschwindigkeit der Membran
l … Länge, Spule im MagnetfeldBändchen-Mikrofon Hier besitzt die „Spule“ im Magnetfeld nur eine Windung.
Dieses Mikrofon ist zwar hochwertig, jedoch gegenüber Stößen und Erschütterungen sehr empfindlich.
Elektrodynamischer Lautsprecher Hier wird die Spule von einem Strom durchflossen. Das entstehende Magnetfeld bewirkt eine Bewegung der Membran, da je nach Polung des Stromes ein Anziehen oder ein Abstoßen die Folge ist.
F … Auslenkkraft
B … Induktion im Luftspalt
l … Umfang der Spule
Einsatzbereich: Tiefe bis hohe Frequenzen.
Abbildung 9, Bändchen-Mikrofon
Abbildung 10, Elektrodynamischer Lautsprecher
Magnetostriktiver Wandler
Der magnetostriktive Wandler nutzt die Längenänderung, die ferromagnetische
Materialien erfahren, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Diese sind
zwar sehr gering, jedoch mit großen Kräften verbunden.
Diese Wandler eignen sich
deshalb besonders für die Erzeugung von Unterwasserschall (Echolot). Der Wirkungsgrad dieses ebenfalls reversiblen Wandlers ist hoch. Er kann auch im Ultraschallbereich eingesetzt werden.
Elektrostatischer oder dielektrischer Wandler
Dieser qualitativ hochwertigste Schallwandler ist im Prinzip ein Kondensator mit einer festen und einer beweglichen, als Membran ausgebildeten Elektrode, wobei die feste mit Luftschlitzen versehen ist, um der durch die Membranbewegungen entstehenden Druckänderung keinen Luftpolster entgegenzusetzen. Der so entstandene Kondensator erhält eine elektrische Vorspannung und somit eine konstante Ladung. Bewegungen der Membran führen zu Kapazitätsänderungen und damit zu Spannungsänderungen über der Kondensatorkapsel bzw.
an einem Widerstand, der in den Stromkreis aus Spannungsquelle und Wandler gelegt wird. (U = Q/C, Q ist durch konstante Vorspannung konstant, also U ~ 1/C). Die Kapazitätsänderungen können in einem Schwingkreis auch die Frequenz einer HF-Schwingung modulieren, aus der durch Demodulation die entsprechende NF-Spannung gewonnen wird. In der Tonstudiotechnik wird das elektrostatische Wandlerprinzip beim Kondensatormikrofon, dem klassischen hochwertigen Studiomikrofon, angewendet, seltener in umgekehrter Wirkungsrichtung bei Lautsprechern und Kopfhörern.
®
er … relative Dielektrizitätskonstante (materialabhängig)
e0 … absolute Dielektrizitätskonstante (8,85×10-12 F/m)
A … Fläche der Elektrode
d … Abstand der Elektroden zueinander
Der statische Lautsprecher benötigt zu seiner Funktion eine Vorspannung (Gleichspannung) von einigen 100 Volt.
Einsatzbereich bei Lautsprechern: Mittlere bis hohe Frequenzen.
Piezoelektrische Wandler
Hier wird der sogenannte Piezo-Effekt ausgenützt: Deformiert man einen Kristall (übt man eine mechanische Kraft auf ihn aus), so treten auf dessen Oberfläche elektrische Ladungen auf (umgekehrt auch möglich). Die Wellenlänge (entspricht der Periodendauer und folglich der Frequenz) hängt also von der momentanen Länge (bzw. Breite) des Quarzes ab.
Nachteile: Sehr hochohmig, stark temperatur- und feuchtigkeitsabhängig.
Vorteil: Sehr billig.
Einsatzbereich bei Lautsprechern: Nur hohe Frequenzen.
In der Tonstudiotechnik werden solche Wandler mit Ausnahme der Hallplatte nicht mehr verwendet.
Allgemeines zu den Wandlern Elektromagnetische, magnetostriktive und elektrostatische Schallsender arbeiten nach quadratischen Kraftgesetzen; um Verzerrungen zu vermeiden, ist deshalb eine Polarisation, d.h. eine Vorspannung mit einer Gleichgröße notwendig, die groß gegenüber der Wechselgröße sein muß.
Hingegen gelten für elektrodynamische und piezoelektrische Schallsender lineare Kraftgesetze, die verzerrungsarme Wandler bedingen.
Alle Wandler, die mit einem magnetischen Feld arbeiten, reagieren auf die Geschwindigkeit der bewegten Membran; alle Wandler, die jedoch mit einem elektrischen Feld arbeiten, reagieren auf die Auslenkung der Membran.
Die mit
einem magnetischen Feld arbeitenden Wandler geben eine frequenzabhängige Signalspannung ab, deren Frequenzabhängigkeit durch besondere konstruktive Maßnahmen linearisiert werden muß; die Eigenresonanz des schwingenden Systems liegt
meist in der Mitte des Übertragungsbereichs, eine Ausnahme bildet das Bändchenmikrofon mit seiner tiefliegenden Resonanzfrequenz. Schallwandler, die mit dem elektrischen Feld arbeiten, geben eine frequenzunabhängige Signalspannung ab, sofern ihre Eigenresonanz oberhalb des Übertragungsbereichs liegt.
Mikrofone
Mikrofone wandeln Schallschwingungen in elektrische Wechselspannungen um. Dieser Umwandlungsprozeß erfolgt in zwei Stufen: zunächst wird eine Membran als Schallempfänger von den Schallwellen zu erzwungenen Schwingungen angeregt; diese mechanischen Bewegungen wandeln dann das an den Schallempfänger gekoppelte Wandlersystem des Mikrofons in elektrische Schwingungen um. Das Prinzip der Umwandlung von akustischen Schwingungen in mechanische ist das sog. Empfängerprinzip des Mikros, das Prinzip der anschließenden Umwandlung in elektrische Schwingungen ist das Wandlerprinzip.
Abbildung 13 Das Empfängerprinzip eines Mikrofons wird von der Konstruktion der Mikrofonkapsel, der Art des Einbaus der Membran, bei Doppelmembranmikrofonen auch von dem elektrischen Zusammenwirken der beiden Membranen bestimmt. Das Empfängerprinzip bedingt die Richtcharakteristik, das Verhalten im Nahfeld der Schallquelle, es bestimmt den Frequenzgang mit. Man unterscheidet die Empfängerprinzipien und damit die Mikrofone nach der Schallfeldgröße, die die Membran antreibt: Beim Druckempfänger wirkt der Schalldruck, es entsteht eine Kugelrichtcharakteristik. Beim Druckgradienten - bzw. Schnelleempfänger wirkt die Druckdifferenz, es entsteht Nierenrichtcharakteristik (Cardioiden), Achterrichtcharakteristik oder deren Zwischenformen (Superniere, Hyperniere, Keule).
Im Interesse eines großen Abstandes zwischen Störspannungen und der Signalspannung soll die Membranauslenkung, von der auch ihre Geschwindigkeit abhängt, und somit die Signalspannung möglichst groß sein.
Die Schwingungsweite der Membran findet ihre Grenze dort, wo die Verzerrungen eine gerade noch zulässige Größe erreichen. Bei zu großer Membranauslenkung entstehen Verzerrungen u. a. dadurch, daß die Membran durch ihre Trägheit und Steifigkeit den Schallschwingungen nicht mehr exakt folgen kann. Zwischen diesen beiden Grenzen, große Auslenkung zum Erreichen einer großen Ausgangsspannung und möglichst kleine Auslenkung, um Verzerrungen klein zu halten, liegt die optimale Membranauslenkung. Dabei führt die Membranbewegung durch Dämpfungselemente und die Lage der Eigenresonanz der Membran immer erzwungene Schwingungen aus und gerät nicht in Resonanz.
Von den verschiedenen Wandlerprinzipien finden bei Studiomikrofonen das elektrostatische Wandlerprinzip bei Kondensatormikrofonen Anwendung, das elektrodynamische Wandlerprinzip bei dynamischen Mikrofonen (Tauchspul - und Bändchenmikrofone).
Das piezoelektrische Wandlerprinzip eignet sich dann, wenn mit hohen Kräften
kleine Amplituden der Schwingungen verbunden sind, es eignet sich also für Körperschallmikrofone z. B. bei bestimmten Hallgeräten. Kristallmikrofone finden im
Studiobereich keine Verwendung.
Beim magnetischen Mikrofon verändert ein in einem Magnetfeld schwingender Anker den magnetischen Widerstand des Magnetkreises.
In einer Spule werden die Änderungen des Magnetflusses in Spannungsschwankungen umgesetzt. Dieses System eignet sich besonders zur Miniaturisierung (Ansteckmikrofon, Knopflochmikrofon).Kohle-Mikrofon Hier bewirkt der auftreffende Schall eine Widerstandsänderung. Als veränderbaren Widerstand verwendet man Kohlegrieß, welcher von einem (von der Spannungsquelle gelieferten) Gleichstrom durchflossen wird.
Dieses Mikrofon gilt als veraltet und wird kaum noch eingesetzt.
Elektret-Mikrofon
Das Prinzip ist dem des Kondensator-Mikrofons gleich.
Der Unterschied liegt nun darin, daß die Spannungsquelle durch eine Elektretschicht (=Membran) ersetzt wird. Diese Elektretschicht ist ein Dielektrikum, welches geschmolzen und in einem starken elektrischen Feld wieder abgekühlt wird. Somit bleibt die erzeugte Polarisation „eingefroren“.
Druckempfänger Nur eine Seite der Membran ist dem Schallfeld ausgesetzt, die Rückseite ist luftdicht abgeschlossen. Da die Membran immer bei einer Druckänderung bewegt wird und dies von der Richtung, aus welcher die Schallwellen auf das Mikro auftreffen, unabhängig ist, besitzt ein Druckempfänger keine Richtwirkung und hat demnach eine kugelförmige Richtcharakteristik. Solange die Abmessungen des Mikros klein gegenüber der Wellenlänge des Schalls sind, bleibt die Richtcharakteristik kugelförmig, mit zunehmender Frequenz jedoch wirkt das Mikro immer mehr als Hindernis für den Schall, sodaß Schallwellen mit hoher Frequenz vom Mikro abgeschottet werden (vergleiche Beugung).
Die Richtcharakteristik wird nierenförmig. Druckempfänger sind daher im allgemeinen relativ kleine Mikrofone mit ebenfalls sehr kleiner Membran.Druckgradientenempfänger Ist die Membran mit beiden Seiten dem Schallfeld ausgesetzt, so wird die Membran durch den Schalldruckunterschied (=Druckgradient) vor und hinter der Membran ausgelenkt. Ein idealer Druckgradientenempfänger hat eine achtförmige Richtcharakteristik. Konstruktionsbedingt kann eine Nieren- oder Supernierencharakteristik erreicht werden.
Alle gerichteten Mikrofone haben an der Seite zusätzliche Schallöffnungen, die jedoch teilweise durch den Mikrofonkorb verdeckt sind.
Werden diese Öffnungen z.B. mit der Hand abgedeckt, so ändert sich die Richtcharakteristik hin zu einer Kugel und es kann u.U. zu Rückkopplungen kommen.
Kenngrößen von Mikrofonen
Übertragungsfaktor & Empfindlichkeit
Die Größe der Spannung, die von einem Mikrofon abgegeben wird, bezogen auf den einwirkenden Schalldruck, wird durch den Übertragungsfaktor oder das Übertragungsmaß angegeben.
Empfindlichkeit: Die Empfindlichkeit (Feld-Übertragungsfaktor) bei einer bestimmten Frequenz (meist 1000Hz) ist der Quotient aus der effektiven Ausgangsspannung und dem effektiven Schalldruck am Ort des Mikrofons, wenn dieses aus dem Schallfeld entfernt ist; in der Regel ist das Schallfeld eine ebene Welle. Er wird angegeben in mV/Pa, früher mV/µbar, 1mV/µbar = 10mV/Pa.
Feld-Leerlaufübertragungsfaktor, Feld-Betriebsübertragungsfaktor:
Lautstärkeempfindung: bei f=1kHz
Geräuschspannungsfaktor (-abstand)
Dies ist (bei einem Schalldruck von 1Pa und einer Frequenz von 1kHz) das Verhältnis zwischen jener Spannung, welche das Mikrofon abgibt, und der Geräuschspannung des Mikros. Angegeben in dB. Die Geräuschspannung wird durch einen Geräuschspannungsmesser ermittelt.
Störpegel
Eigenstörspannung: Sie ist die an der Nennabschlußimpedanz gemessene effektive Störspannung, wenn kein
Schall auf das Mikrofon trifft und auch sonst keine elektrischen oder magnetischen
Störfelder vorhanden sind.
Nennabschlußimpedanz
Sie ist der elektrische Wechselstrom-Abschlußwiderstand, für den es ausgelegt ist und mit dem es mindestens abgeschlossen werden soll; er stellt die höchst zulässige Belastung dar. Sie ist also die minimale Eingangsimpedanz des Mikrofonverstärkers. Je nach Hersteller sind verschiedene Werte üblich, sie liegen zwischen 200 & 1000 Ohm, gelegentlich auch höher.
Nennimpedanz
Die elektrische Impedanz eines Mikrofons ist der Quellwiderstand, also der Quotient aus der an dessen Klemmen angelegten Spannung und dem dabei fließenden Strom bei Abschluß mit der Nennabschlußimpedanz; die Angabe wird meist auf 1 kHz bezogen. Die meisten Mikrofone haben eine Nennimpedanz von 150 oder 200 W.
Nur wenn die Nennabschlußimpedanz wesentlich höher als die elektrische Impedanz ist, wirken sich Frequenzabhängigkeiten der Impedanzen nicht auf den Frequenzgang des Mikrofonpegels aus.
Bei Kondensatormikrofonen reduziert eine zu kleine Abschlußimpedanz die Aussteuerbarkeit. Die vom Hersteller angegebenen Werte sollten keinesfalls unterschritten werden.
Nennscheinwiderstand
Dies ist der Wechselstromwiderstand bei einer bestimmten Frequenz.
Bei elektrodynamischen Lautsprechern: 4 ¼ 16 W (25W)
Tieftöner: 400 Hz
alle anderen: 1000 Hz
Resonanzabstimmung der Membran bei Mikrofonen
å Empfänger \ Wandler à
Kondensatormikrofon
Dynamisches Mikrofon
Druckempfänger
Membran hoch abgestimmt
Membran mittig abgestimmt
Druckgradientenempfänger
Membran mittig abgestimmt und reibungsgehemmt
Membran tief abgestimmt
Lautsprecher
Sie dienen dazu, elektrische Spannungen in Schallschwingungen mit geringsten Verlusten umzuwandeln. Die einzelnen Wandlermöglichkeiten sind bereits im Kapitel „Wandler“ erwähnt worden.
Man unterscheidet nun folgende Typen:
Konuslautsprecher
Wie der Name schon sagt, hat die Membran eine Konusform.
Die Schwingspule, welche vom Wechselstrom durchflossen wird (siehe dynamische Wandler), erzeugt ein magnetisches Feld. Zusammen mit dem Gleichfeld des Permanentmagneten ergibt sich so eine der Wechselspannung proportionalen Bewegung der an die Spule gekoppelten Membran.
Der Frequenzbereich wird nach unten hin durch die Resonanzfrequenz begrenzt, die obere Grenze bildet die Trägheit des Systems.
1 = Permanentmagnet ; 2 = Joch ; 3=
Polplatte; 4 = Polkern ; 5 = Schwing-
spulenträger ; 6 = Schwingspule ;
7 = Zentriermembran ; 8 = Kalotte als
Staubschutz ; 9 = Schutzring ;
10 = Membran ; 11 = Membran -
einspannung mit Sticken oder Scharnier ;
12 = Zuführungslitzen ; 13 = Laut-
sprecherkorb
Kalottenlautsprecher (abgeschnittene Kugel)
Der Unterschied zum Konuslautsprecher liegt darin, daß hier kein Korb und keine Konusmembran in Verwendung tritt. In einem breiten Winkelbereich erfolgt eine gleichmäßige Schallabstrahlung, wobei die dadurch bedingte geringe Bündelung besonders bei Hochtönern ausgenutzt wird.
1 = Ringmagnet ; 2 = Magnetplatte ; 3 = Polplatte
4 = Polkern ; 5 = Schwingspule ; 6 = Schwing-
spulenträger ; 7 = Kalotte mit Sicken ;
8 = Montageplatten ; 9 = Zuführungslitzen
Druckkammerlautsprecher
Anstatt frei abzustrahlen, kann die Membran hier nur auf engstem Raum arbeiten, in der sogenannten Druckkammer.
Durch diese wird das Luftvolumen in eine enge Halsöffnung gedrückt, wodurch ein guter Wirkungsgrad erreicht wird. Allerdings muß die Druckkammer in jeder Richtung kleiner als die kleinste zu übertragende Wellenlänge sein. An das Druckkammersystem wird ein Schalltrichter (=Horn) gekoppelt, welches den Wirkungsgrad verbessert. Die Schallenergie wird nur im Raum innerhalb des Trichters abgestrahlt.
1 = Membran
2 = Druckkammer
3 = Hals
4 = Exponentialtrichter
Kenngrößen von Lautsprechern
Impedanz: Gibt den Betrag des Scheinwiderstandes des Lautsprechers an. Übliche
Werte sind 4 oder 8 W.
Resonanzfrequenz: Sie (bzw. die Eigenresonanz) ist jene Frequenz, bei der
ein Ausschwingen des Lautsprecher nach einem Impuls auftritt.
Mittlerer Kennschalldruck: Er gibt jenen Schalldruck an, der bei einem
Lautsprecher frontal von vorne in einem Abstand von 1m und bei einer
Ansteuerung von 1W gemessen wird.
Übertragungsbereich: Gibt den Frequenzbereich an, in dem ein Lautsprecher
eingesetzt werden kann. Er sollte nach Möglichkeit nicht voll ausgereitzt
werden.
Belastbarkeit: Sie bestimmt die Leistung, mit der ein Lautsprecher dauernd
(Sinusleistung) oder kurzfristig (Musikleistung) belastet werden darf, ohne
thermischen oder mechanischen Schaden zu erleiden.
Akustischer Kurzschluß Bewegt sich die Membran eines Lautsprechers in Pfeilrichtung gemäß Abbildung 19, so entsteht vor dem Lautsprecher eine Zone mit Überdruck, auf seiner Rückseite eine Zone mit Unterdruck. Ist der Membrandurchmesser klein gegenüber der Wellenlänge des abzustrahlenden Schalls, so gleichen sich die Zonen von Über - und Unterdruck über den Lautsprecherrand aus (Abb. a) ® Beugung. Es ergibt sich ein sog. akustischer Kurzschluß; dadurch wird bei tiefen Frequenzen praktisch kein Schall mehr abgestrahlt, da diese gegenüber hohen Frequenzen stärker gebeugt werden.
Zur Vermeidung dieses Kurzschlusses ist eine Schallführung erforderlich.
In der einfachsten Form besteht sie aus einer Schallwand (2), die bei ausreichender Größe den Druckausgleich verhindert (b). Die gebräuchlichsten Schallführungen sind hinten offene Gehäuse, die als abgeknickte Schallwände aufgefaßt werden können (Rundfunk- und Fernsehgeräte), allseitig geschlossene Gehäuse (Studio- und Hi-Fi-Lautsprecherboxen) und Exponentialtrichter (Druckkammerlautsprecher); zur Verbesserung der Abstrahlung tiefer Frequenzen werden Resonanzboxen (Baßreflexboxen) und Boxen mit abgestimmter akustischer l/4-Leitung (Transmission-Line-Box) verwendet.
Die abgestrahlte Leistung wird bis zur Grenzfrequenz fg der Schallwand hinab nur von den Eigenschaften des Lautsprechers bestimmt. Darunter fällt der Frequenzgang mit 6dB/Okt. ab. Dies kann bei nicht ausreichend großer Schallwand durch eine höhere Lautsprecherleistung im entsprechenden Frequenzbereich ausgeglichen werden.
Allgemein gilt für die Mindestgröße einer Schallwand:
fg … Grenzfrequenz [Hz]
c … Schallgeschwindigkeit = 330 m/s
a … kürzester Abstand zwischen Lautsprecher und
äußerer Schallwandkante [m] ® ® … Durchmesser der Schallwand
Zusätzlich nimmt der Pegel unterhalb der Eigenresonanz des Lautsprechers um 12dB/Okt. ab. Dementsprechend niedrig soll die Grenzfrequenz der Schallwand und die Resonanzfrequenz des Lautsprechers sein.Zusammenschaltung von Lautsprechern Bei Studio- und qualitativ anspruchsvolleren Lautsprecherboxen wird das zu übertragende Frequenzband auf zwei oder drei Lautsprecher aufgeteilt (Zweiweg - bzw. Dreiwegbox).
Vorteile: Es können Lautsprechersysteme verwendet werden, die in ihrem Frequenzgang, Wirkungsgrad und Schallbündelungsverhalten auf ein bestimmtes Frequenzband optimiert sind; weiterhin können Klangrauhigkeiten und Intermodulationsverzerrungen dadurch wesentlich minimiert werden.
Diese Übertragungsfehler kommen in einem Breitbandlautsprecher dadurch zustande, daß hohe und tiefe Frequenzen gleichzeitig von ein und demselben Lautsprechersystem abgestrahlt werden. Hohe Töne bewirken eine kleine Membranamplitude, hingegen tiefe Töne große Amplituden. Durch den Dopplereffekt wird die höhere Schwingung frequenzmoduliert, der höhere Ton wirkt rauh, es entstehen Intermodulationsverzerrungen, welche sehr störend ausfallen können, da Summen - und Differenztöne der Frequenzkomponenten entstehen.
Bei Studiolautsprechern werden meist 3 Lautsprechersysteme kombiniert, ein Tieftöner, ein Mitteltöner und ein oder zwei Hochtöner. Die für die einzelnen Lautsprecher vorgesehenen Frequenzbänder werden elektronisch ausgefiltert, verstärkt und zugeführt. Der Lautsprechereingang ist für 6 dBu ausgelegt.
Um eine keulenförmige Richtcharakteristik zu erhalten, staffelt man mehrere Lautsprecher übereinander (® Bei Konzerten werden so alle Frequenzen Richtung Publikum gesendet).Anpassung von Lautsprechern
Abbildung 22 Der Innenwiderstand des Verstärkers inklusive der Anschlußleitungen sollte wesentlich niederohmiger (z.B. Faktor 10) als die Nennimpedanz des Lautsprechers sein, damit die Membran keine Eigenschwingungen durchführen kann und stark gedämpft wird.
Bei mehreren Lautsprechern muß darüber hinaus auf die richtige Polung geachtet werden, damit sich alle Membranen in die gleiche Richtung bewegen. Bei längeren Leitungen tritt das Problem des Innenwiderstandes der Leitungen auf.
Abhilfe: 100 V - Ausgang.
Die Spannung darf hier von Leerlauf auf Vollast maximal um 30% ansteigen.Frequenzweiche Hiermit werden die Frequenzbänder für die einzelnen Lautsprecher elektronisch ausgefiltert.
Abbildung 23
Hörer
Elektrostatischer Hörer mit Elektretmikrofon
Hörer sind grundsätzlich mit Lautsprechern zu vergleichen.Partialschwingungen von Membranen Aufgrund der Tatsache, daß Membrane leider nicht masselos herstellbar sind, lassen sich Trägheitseffekte nicht vermeiden. Diese treten bei schnellen Bewegungen, also bei hohen
Signalfrequenzen als sogenannte Partialschwingungen zu Tage.
Im Idealfall wünscht man sich eine kolbenförmige Bewegung der Membran - diese soll sich als ganze Einheit bewegen, wie es in Abbildung 24 bei einer Signalfrequenz von f = 320 Hz noch der Fall ist. Steigert man nun die Frequenz, so überlagert sich der Bewegung der Membran noch ihre Eigenschwingung mit Knoten (Schwingungsnulldurchgänge - schwarze Flächen in der Darstellung) und Bäuche (Schwingungsmaximum - weiße Flächen in der Darstellung), die ihrerseits Schall aussenden. Dabei entstehen Teilflächen die in Phase zur Sìgnalschwingung sind (mit einem + gekennzeichnet) und andere, die in Gegenphase schwingen (mit - gekennzeichnet). Um so größer die Zahl der in Gegenphase schwingenden Anteile wird, um so geringer wird der abgestrahlte Schalldruck, aufgrund von Signalauslöschungen.
Beobachtet man die in der ersten Spalte der Abbildung dargestellten Membranbewegungen, so kann man erkennen, daß zu hohen Frequenzen ein kolbenförmig bewegender Anteil sich immer mehr zum inneren Rand der Membran zurückzieht und nur dort wirklich Schallabstrahlung stattfindet. Auf der restlichen Membranfläche findet aufgrund gegenphasig schwingender Teilbereiche Schallauslöschung statt.
Die Verringerung der tatsächlich abstrahlenden Fläche zu hohen Frequenzen, und des sinkenden Schalldrucks wird als "innere Abschaltung" bezeichnet. Aus diesem Grund können Breitbandlautsprecher (full range speaker) nie den gesamten Hörbereich mit Hi-Fi-Qualität abstrahlen.Mikrofon
Übertragungs-maß
Frequenzgang
Innenwiderstand / Nennimpedanz
Hilfsspannung
nötig ?
Kohlemikrofon
groß
schlecht
mittel
ja
Bändchenmikrofon
(elektrodynamisch)
klein
sehr gut
klein
nein
Tauchspulenmikrofon (elektrodynamisch)
mittel
gut
klein
nein
Kondensatormikrofon
(elektrostatisch)
klein
sehr gut
groß
ja
Elektretmikrofon
(elektrostatisch)
klein
sehr gut
groß
nein
Piezoelektrisches Mikro
(Kristallmikro)
mittel
schlecht
sehr groß
nein
Elektromagnetisches M.
klein
schlecht
mittel
nein
Lautsprecher
Übertrag-ungsmaß
Frequenz - gang
Innenwiderstand / Nennimpedanz
Nenn -leistung
Hilfsspannung
nötig ?
Elektrodynamischer L.
groß
gut
klein
groß
nein
Elektrostatischer L.
(Kondensator-L.
)
mittel
gut
mittel
mittel
ja
Piezoelektrischer L.
klein
mittel
groß
klein
nein
Hörer
Übertrag-ungsmaß
Frequenz - gang
Innenwiderstand / Nennimpedanz
Nenn -leistung
Hilfsspannung
nötig ?
Elektrodynamischer H.
groß
gut
klein
sehr klein
nein
Elektrostatischer H.
mit Elektretmembran
mittel
sehr gut
mittel
sehr klein
nein
Piezoelektrischer H.
(Kristallhörer)
klein
schlecht
groß
sehr klein
nein
Elektromagnetischer H.
klein
schlecht
mittel
sehr klein
nein
Kenndaten
Dynamik:
Lautstärke:
Ohr
Orchester
HiFi
UKW-Empfang
Mikrofon
Magnettonaufzeichnung
CD
130 dB
70 dB
70 dB
65 dB
75 dB
60 dB
90 dB
Flugzeugstart
Straßenverkehr
Bürolärm
Normale Unterhaltung
Wohnung
Flüstern
Waldesruhe, Blätter
130 Phon
85 Phon
60 Phon
50 Phon
40 Phon
30 Phon
20 Phon
Kenngrößen von Mikrofonen und Lautsprechern
Richtcharakteristik
Die Richtcharakteristik gibt an, in welcher Entfernung und in welcher relativen Position zum Mikrofon ein Schall aufgenommen wird bzw.
wie sich die Abstrahlung bei Lautsprechern verhält. Somit ist es möglich, einen unerwünschten Schall durch die Wahl der Aufstellung und
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