Ein Artikel von Günter Mühlstädt im Jahr 1977 - 48 Jahre alt- Lehre als Elektroinstallateur, Abendstudium an der Technischen Lehranstalt Chemnitz. Eintritt bei Siemens in die Montageabteilung für UKW- Funk-, Ela- und Industriefernsehanlagen. 1960 zur Firma Assmann, Bad Homburg, dort beschäftigt mit dem Abfassen von technischen Unterlagen. Seit vier Jahren tätig auf dem Gebiet der technischen Werbung bei einem Großbetrieb der Fernmeldetechnik in Frankfurt/M. (Überarbeitet von Gert Redlich im Mai 2012)

Urteil der Jury:
Sozusagen ein Aufsatz „zwischen den Disziplinen", fleißig und amüsant geschrieben mit geschliffenen Formulierungen. Der Leser wird nicht mit Wissenschaft überfrachtet; die Sprache bleibt auch bei kompliziertem Sachverhalt einfach. Ein klassischer Übersichtsartikel.
(1. Preis im FUNKSCHAU-Wettbewerb '77 in der Abteilung „Kompliziertes einfach erläutern")

Die Aufgaben der Elektroakustik in der Rundfunk- und Übertragungstechnik lassen sich in zwei Problemkreise unterteilen.

Zum einen ist es die Übertragung gesprochener Informationen, die Nachrichtenübermittlung. Diese Aufgabe ist beim derzeitigen Stand der Technik nicht schwierig, da unsere Sprache einen hohen Anteil an Redundanzen enthält und erst bei erheblichen Mängeln in der Übertragung die Verständlichkeit leidet.

Die zweite Aufgabe, die möglichst naturgetreue Reproduktion von Musikdarbietungen und künstlerisch gestalteten Schallereignissen, also von Theateraufführungen, Hörspielen usw., ist dagegen wesentlich schwieriger zu lösen.

Worin liegt die Problematik des akustischen Ebenbildes? Beginnen wir beim Meß- und Wägbaren. Die elek-troakustischen Übertragungsglieder — hierzu gehören die Schallwandler Mikrofon und Lautsprecher ebenso wie Verstärker, Sender und Empfänger — sind aus technischen und wirtschaftlichen Gründen mit Unzulänglichkeiten behaftet.

Begrenzte Bandbreite, lineare und nichtlineare Verzerrungen (Klirrfaktor) sowie weiterhin die Unmöglichkeit, im Wiedergaberaum die gleichen raumakustischen Verhältnisse zu schaffen wie am Ort der Aufnahme, sind die wesentlichen physikalischen Faktoren. Dem stehen im Hörvorgang komplizierte physiologische und psychologische Vorgänge gegenüber.

So ist als Glied einer wichtigen Informationskette die Schallwahrnehmung beim Menschen (und bei vielen Tieren) zu einer kaum zu überbietenden Perfektion gereift, die teilweise bis fast an das physikalisch Mögliche heranreicht. Aus den vom Ohr aufgenommenen Reizen gewinnt das Hörzentrum im Gehirn — einem Computer mit erstaunlicher Arbeitsgeschwindigkeit und riesigem Speichervermögen vergleichbar - die vielfältigen Höreindrücke.

Dabei können wir Geräusche, Töne, Melodien, Instrumente, Interpreten, Sprecher und Sänger an rein akustischen Kriterien unterscheiden, erkennen und oft auch nach Jahren noch identifizieren. Angesichts solcher Leistungen wird die Schwierigkeit klar, Schallereignisse mit technischen Mitteln vollkommen naturgetreu zu übertragen, zu konservieren und zu reproduzieren.

Der Aufbau des Ohres, auf den ersten Blick recht kompliziert, ist von verblüffender Zweckmäßigkeit (Bild 1).

Der äußere Gehörgang wird von einer kleinen gewölbten Membran, dem Trommelfell, verschlossen, das durch die Schallwellen in Schwingungen versetzt wird. Hier schließen sich die drei Gehörknöchelchen Hammer, Amboß und Steigbügel an, die untereinander so verbunden sind, daß sie ein gegen äußere Stöße und Körperschall unempfindliches Schwingungssystem bilden. Sie dienen ferner als Überlastungsschutz und - das ist die wichtigste Aufgabe — als Anpassungsglied, das den Luftschall vom Trommelfell mechanisch etwa im Verhältnis 20 : 1 heruntertransformiert und mit kleinerer Amplitude, aber höherem Druck auf das Innenohr überträgt.

Das Innenohr umfaßt neben den Bogengängen, die am Hörvorgang nicht beteiligt sind, die sogenannte Schnecke. Dieser Hohlraum ist mit Lymphflüssigkeit gefüllt, hat Ähnlichkeit mit einem Schneckenhaus und besitzt 2 1/2 Windungen. Der Schneckengang ist der Länge nach durch die Basilar-Membran geteilt. In das Zentrum der Schnecke mündet der zum Gehirn führende Hörnerv, und zwar enden rund 23.000 Nervenzellen als feine Haarzellen am Cortischen Organ, das längs der Basilar-Membran liegt.

Die einleuchtendste Theorie zur Erklärung des Hörvorganges geht davon aus, daß der beschriebene Aufbau eine große Anzahl verschieden abgestimmter Resonatoren bildet, ähnlich einem Zungenfrequenzmesser. Bei Schalleinwirkung werden bestimmte Resonatoren und mit ihnen die zugehörigen Hörnerven erregt.

Der Schallreiz gelangt in Form von Impulsen zum Gehirn, wobei die Impulsdichte mit zunehmender Schallstärke bis auf rund 150 Impulse pro Sekunde ansteigt. Man kann somit feststellen, daß durch den Erregungsort im Innenohr die Tonhöhe, durch die Impulsfrequenz die Intensität des Schalles bestimmt wird.

Die im Ohr erzeugten Nervenimpulse werden der Hörrinde im Großhirn zugeleitet und lassen dort erst den Höreindruck bewußt werden.

Folgende Wahrnehmungsbereiche können unterschieden werden:
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• Tonumfang,
• Lautstärke,
• Klangfarbe,
• Ortung und Raumeindruck.

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Das menschliche Gehör kann einen Frequenzbereich von maximal 16 bis 20 000 Hz erfassen (Bild 2). Für die reine Sprachübermittlung werden jedoch nur die Frequenzen von 150 bis ca. 7000 Hz benutzt, wobei dieser Bereich — wie der Fernsprechbetrieb zeigt — nochmals auf 300 bis 3400 Hz eingeengt werden kann. Demgegenüber reicht der Frequenzumfang der Musikinstrumente einschließlich der Obertöne von der unteren bis fast an die obere Hörgrenze. Zwar enthält der mittlere Tonbereich den Hauptanteil der musikalischen Information, aber das Fehlen der tiefen und besonders der hohen Frequenzen führt zu einem unausgewogenen Klangbild.

Musikalisch betrachtet, entspricht der Hörbereich einem Tonumfang von zehn Oktaven. Jede Oktave wird musikalisch in zwölf Halbtöne unterteilt, die selbst der ungeübte Hörer unterscheiden kann. Im mittleren Hörbereich ist jedoch das Unterscheidungsvermögen noch erheblich schärfer.

Bei 1000 Hz genügt beispielsweise eine Frequenzänderung von nur 2 Hz, um einen deutlichen Tonhöhenunterschied zu erkennen. Das ist der 30. Teil eines musikalischen Halbtones! Hieraus erklärt sich die große Empfindlichkeit des Gehörs gegenüber ungewollten Tonhöhenschwankungen, wie sie bei der Musikwiedergabe von Schallplatte und Tonband auftreten können. Am deutlichsten sind sie bei einer Schwankungsfrequenz von 4 Hz im Frequenzbereich um 3500 Hz wahrzunehmen — Schwankungen von 0,25% wirken schon deutlich störend.

Der gesamte menschliche Hörbereich umfaßt ein Frequenzverhältnis von rund 1 : 1000 mit bis zu 4000 unterscheidbaren Tonhöhenstufen. Demgegenüber ist das Empfinden für die absolute Tonhöhe ohne Vergleichston — das absolute Gehör - auch bei musikalischen Menschen relativ selten anzutreffen.

Zwischen der unteren Reizschwelle des Gehörs und der oberen Schmerzgrenze liegen - bezogen auf die Schallleistung und eine Frequenz von 1000 Hz — rund 12 Zehnerpotenzen. Das entspricht einem Verhältnis von 1 : 1 Billion!

Kein Meßgerät erreicht auch nur annähernd einen solchen Bereich. Daß unser Gehör diesen enormen Lautstärkeumfang verarbeiten kann, liegt an der Tatsache, daß das subjektive Lautstärkeempfinden wesentlich langsamer steigt als der objektive Schallreiz: Das Gehör reagiert auf Veränderungen der Lautstärke logarithmisch.

Aus diesem Grund ist auch die Lautstärkeskala logarithmisch in Phon unterteilt und die Hörschwelle mit 0 Phon, die obere Grenze mit 120 Phon gleichgesetzt. Die Einheit 1 Phon kennzeichnet jene Lautstärkestufe, die das Gehör beim direkten Vergleich gerade noch unterscheiden kann.

Die untere Reizschwelle liegt nur eine Zehnerpotenz über dem Geräuschpegel, den die Luftmoleküle verursachen, wenn sie bei der Wärmebewegung das Trommelfell anstoßen. Die obere Grenze ist durch die bei steigendem Schallpegel zunehmende physische Belastung gegeben und äußert sich durch Schmerzempfindung.

Auf den wahrnehmbaren Frequenzbereich bezogen, ist die Ohrempfindlichkeit außerordentlich unterschiedlich. In Bild 3 sind die Kurven gleichbleibenden Lautstärkeempfindens über der Frequenz eingetragen. Dabei zeigt sich, daß die Sensitivität bei 3500 Hz am größten ist —hier wird die geringste Schallstärke benötigt. Für höhere und vor allem für tiefere Frequenzen nimmt die Empfindlichkeit spürbar ab, dies jedoch nur bei kleinen und mittleren Lautstärken. Im Bereich größerer Lautstärken verlaufen die Kurven relativ geradlinig, d. h. die Frequenzabhängigkeit des Lautstärkeempfindens ist hier erheblich geringer.

Für die Akustik ist die frequenzabhängige Empfindlichkeit des Gehörs eine folgenschwere Besonderheit. So werden sowohl im Konzertsaal als auch bei der Musikreproduktion zur Abstrahlung der tiefen Frequenzen verhältnismäßig hohe Schalleistungen benötigt. Bei der Wiedergabe werden die Verhältnisse infolge der gegenüber dem Original häufig verminderten Wiedergabelautstärke noch ungünstiger. Mit abnehmender Lautstärke erscheint uns nämlich bei frequenzlinearer Übertragung eine Darbietung immer ärmer an tiefen und hohen Frequenzen.

Reine Sinustöne kommen in der Natur und in der Musik auf „klassischen" Instrumenten kaum vor. Stets entstehen Tongemische, Klänge, mit einem Anteil an sogenannten Obertönen, deren Frequenz ein Mehrfaches der Grundtonfrequenz beträgt.

Neben dem anhaltenden (stationären) Ton mit zugehörigen Obertönen erzeugen Musikinstrumente außerdem spezifische Ein- und Ausschwingvorgänge, z. B. das Anschlagen, Anblasen mit ebenfalls erheblichen Anteilen im Obertonbereich.

Die Obertöne, nach Anzahl, Amplitude und Verteilung für jede Schallquelle unterschiedlich, geben dem Ton das Charakteristische und das Individuelle. Obwohl sie bezüglich der Schalleistung meist weit hinter dem Grundton zurückstehen, erzeugen sie in unserer akustischen Welt die fast grenzenlose Vielfalt.

Im Ohr wird aufgrund des Resonanzverhaltens beim Hörvorgang eine Art Schallanalyse vorgenommen, der Klang in seine Grund- und Obertöne zerlegt und als parallele Nervenreize weitergeleitet. Der Klangfarbeneindruck bildet sich im Gehirn, das in extrem kurzer Zeit Frequenzen und Amplituden registriert, vergleicht und bewertet.
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Die Obertöne und die impulsartigen Ein- und Ausschwingvorgänge stellen an die elektroakustische Übertragung hohe Anforderungen, weil sie den Frequenzbereich nach oben stark ausweiten. So lassen sich zum Beispiel bestimmte Musikinstrumente, wenn sie den gleichen Grundton spielen, nur beim Vorhandensein der natürlichen Obertöne unterscheiden. - So unvollkommen wie einerseits ein Klangbild beim Fehlen der Obertöne sein kann, so störend ist andererseits das Auftreten neuer Obertöne, die im ursprünglichen Klangbild nicht vorhanden waren. Sie entstehen bei Übersteuerung oder durch andere Nichtlinearitäten im Übertragungszug.

Man spricht dabei von nichtlinearen Verzerrungen oder vom Klirrgrad, weil die Wiedergabe einen scharfen, unsauberen und klirrenden Charakter erhält. Naturgemäß stören solche Verzerrungen am meisten, wenn die neuen Obertöne in den Bereich der größten Ohrempfindlichkeit zwischen 1000 und 4000 Hz fallen.

Bei fast jeder Art der Schallerzeugung entsteht am Hörort ein sehr kompliziert geformter Schalldruckverlauf, der sich aus der Überlagerung der einzelnen Schallanteile ergibt. Schon die Überlagerung von zwei Sinustönen zeigt einen diffizilen Kurvenverlauf - um wieviel komplizierter muß das Fortissimo einer Musikdarbietung geformt sein (Bild 4)! - Nur durch die Tatsache, daß das Gehör ein Frequenzgemisch analysieren und die einzelnen Komponenten unterscheiden kann, reicht es aus, akustische Signale nur mit ihrer Hüllkurve einkanalig zu übertragen und wiederzugeben.

Anmerkung : Hier ist das Prinzip der MP3 Hüllkurven-Kodierung viel viel später vorweggenommen.

Daß wir Übertragungen mit durchaus meßbaren Mängeln gelten lassen, liegt sicher zum Teil an der „Hör-Erwartung", bei der manches in eine Wiedergabe „hineingehört" wird, das gar nicht vorhanden ist. Zum Glück setzte vor einigen Jahren eine Besinnung zur naturgetreuen Reproduktion ein, als deren Ergebnis die Einführung der Stereofonie, die ganze Palette der heute verfügbaren hochwertigen Hi-Fi-Geräte und das umfangreiche Repertoire auf Tonträgern anzusehen sind.

Trotzdem wird es heute auch dem geübten Hörer nicht schwerfallen, eine Originaldarbietung von der Übertragung oder der Reproduktion zu unterscheiden.

Denn recht weit und verschlungen sind oftmals die Wege des Schallsignals von der Erzeugung bis zur Konservierung und zur Wiedergabe. Es beginnt im Mikrofon mit der Umwandlung des Schalls in elektrische Signale. Sie werden fortgeleitet, mehrfach verstärkt, begrenzt und beeinflußt, es schließen sich an die Modulation auf einen Träger, die Abstrahlung über den Sender, der Empfang, die Demodulation, wiederum vielstufige Verstärkung und schließlich die Rückwandlung in Schall. Einige Einflüsse auf diesem langen Weg wurden schon erwähnt, viele andere sind komplex und lassen sich hier nicht erschöpfend behandeln, auf einige soll anschließend noch eingegangen werden.

Den Lautstärkebereich, den das Ohr verarbeiten kann, bezeichnet man - ebenso wie den Lautstärkeumfang eines Sprechers, Sängers oder Klangkörpers - als Dynamikumfang; Einheit ist das dB*).

In der Praxis kann nun der theoretisch verfügbare Dynamikbereich von 120 dB selten voll ausgenutzt werden, weil sich ein Schallereignis zunächst um einen bestimmten Betrag aus dem stets vorhandenen allgemeinen Störpegel herausheben muß, bevor es vernehmbar wird.

Ein Pianissimo im Konzertsaal muß erfahrungsgemäß mindestens 20 dB Lautstärke aufweisen, damit es auf entfernten Plätzen zu hören ist. Der Spitzenpegel eines Orchesters liegt bei 90 dB, so daß man eine (Grund-) Dynamik von 90 dB - 20 dB = 70 dB errechnen kann.

Der Geräusch- oder Störpegel anderer Räume, zum Beispiel Wohnungen, liegt oft bei 40 dB, ohne daß wir das bewußt als lästig empfinden. Soll unter diesen Umständen eine Übertragung mit gleicher Dynamik zustande kommen, so ergibt sich ein Spitzenpegel von 40 dB + 70 dB = 110 dB, ein Wert, der schon nahe an der Verträglichkeitsgrenze liegt - von der Problematik, solche Lautstärken in einer Wohngemeinschaft zu produzieren, ganz zu schweigen.

Bei der elektroakustischen Übertragung begrenzen systemeigene Stör-und Geräuschquellen zunächst die Dynamik nach unten. Zu leise Passagen gehen im Geräuschpegel unter.

Eine obere Grenze ist durch die aus wirtschaftlichen und übertragungstechnischen Gründen gegebene maximale Aussteuerung gesteckt. UKW-Rundfunk, Schallplatte und Tonband erreichen heute einen Dynamikumfang von 40 bis 46 dB.

Die Originaldynamik muß deshalb auf diesen Wert eingeengt werden. Dabei liegt viel am Können und Einfühlungsvermögen des Toningenieurs, das Klanggeschehen ohne Einbuße an künstlerischer Wirkung zu übertragen.

Legt man bei der Wiedergabe den erwähnten Wohnraum-Störpegel von 40 dB zugrunde, so muß eine gute Verstärkeranlage eine Schallstärke von 80 bis 86 dB unverzerrt erreichen, um den übertragenen Dynamikumfang voll auszuschöpfen.
*) 1 dB entspricht 1 phon bei 1000 Hz

Zur Ortung einer Schallquelle wertet das Gehör gleichermaßen Laufzeit- und Intensitätsunterschiede aus. So trifft ein beispielsweise von rechts kommender Schall das rechte Ohr früher und mit größerer Intensität als das weiter entfernte linke Ohr, das außerdem vom Kopf abgeschattet wird. Auf diese Weise können wir Wegeunterschiede von 1 cm !!! - das entspricht einem Winkel von etwa 3° - erkennen, allerdings nur in der Horizontalen und bei kleinen Abweichungen vom Mitteneindruck.
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Das Richtungshören sagt noch nichts über die Tiefendimension des Schallfeldes aus. Innerhalb geschlossener Räume gewinnen wir jedoch einen Raumeindruck aus den Zeitdifferenzen und Pegelunterschieden zwischen Direktschall und Nachhall sowie durch deren Eintreffen aus verschiedenen Richtungen.

Im Freien fehlen diese Kriterien häufig. Hier spielen offenbar außerordentlich geringe Veränderungen des Schallbildes eine Rolle, etwa Verfälschungen der natürlichen Klangfarbe oder Unterschiede zu unbewußt vorhandenen Erfahrungswerten, die sich bisher einer meßtechnischen Erfassung weitgehend entzogen haben.

In einem Punkt ist allerdings das Gehör unvollkommen: Gleich laut und gleichphasig eintreffender Schall zweier seitlich angeordneter Schallquellen erzeugt einen Mitteneindruck, d. h. der Schallaustritt scheint auf der Verbindungslinie zwischen den beiden wirklichen Schallquellen zu liegen. Dieser Effekt wird bei der heute allgemein praktizierten Intensitäts-Stereofonie ausgenutzt, auf die noch einzugehen ist.

Von nicht zu unterschätzender Bedeutung für eine akustische Darbietung ist die Raumakustik, denn die Klangerzeugung ist kein abstrakter Vorgang, sondern rein physikalisch an das Vorhandensein der Atmosphäre, eines Luftraumes gebunden.

Raumgröße und die akustischen Eigenschaften der Begrenzungsflächen sind für Art und Frequenzzusammensetzung von Reflexionen verantwortlich, die neben dem Direktschall das Ohr erreichen (Bild 5).

Von diesen Umständen hängt es ab, ob man einem Raum eine gute, eine ungeeignete oder gar eine schlechte Akustik bescheinigt. Viel Mühe und Kosten müssen oft aufgewendet werden, um insbesondere in großen Räumen eine angemessene Akustik zu erzielen.

Das Gehör urteilt dabei wiederum nach Kriterien, die meßtechnisch nicht ohne weiteres zu erfassen sind, so daß der Erfolg nicht von vornherein garantiert ist. Näher auf das umfangreiche Gebiet der Raumakustik einzugehen, verbietet sich hier leider aus Platzgründen.

Bei der Reproduktion wird nun dem Schallereignis zusätzlich die Raumakustik des Wiedergaberaumes aufgeprägt, wodurch sich zwangsläufig eine Verfälschung des ursprünglichen Klangbildes ergibt. Dabei ist der stark gedämpfte Wohnraum im Gegensatz etwa zu einem halligen Schulzimmer das kleinere Übel.

Darüber hinaus bleibt eine solche (monofone) Wiedergabe selbst bei höchster Übertragungsgüte hinter dem Original zurück, weil wesentliche vom Ohr ausgewertete Kriterien nicht übertragen werden. Der Ursprung des Schalls bleibt auf die Lautsprecheröffnung beschränkt, durch die man sozusagen wie durch ein Fenster in den Aufnahmeraum hineinhört. Das Ergebnis der Bemühungen, wenigstens eine der fehlenden Rauminformationen in das Klangbild einzufügen, ist die Stereofonie.

Die heute allgemein gebräuchliche Intensitäts-Stereofonie führt in das Klangbild eine Richtungskomponente ein und vermag auch bis zu einem gewissen Grad die Raumakustik des Aufnahmeraumes wiederzugeben.

Stereofonie benötigt zwei Schallquellen (Lautsprecher), die in einem gewissen Abstand angeordnet werden. Der beste Hörort befindet sich etwa in gleicher Distanz vor den beiden Lautsprechern, wie diese voneinander entfernt sind (Bild 6).

Den Lautsprechern werden die Signale gleichphasig, aber mit unterschiedlichen Pegeln zugeführt, wodurch sich das Schallgeschehen scheinbar auf die Verbindungslinie der beiden Lautsprecher verteilen läßt. Gute Stereofonie erzielt so ein durchsichtiges, quer verteiltes und gegliedertes Schallpanorama. Natürlich kann zeitweise auch nur ein Lautsprecher als Schallquelle dienen, oder es werden den Lautsprechern völlig unterschiedliche Signale zugeführt.

Für anspruchsvolle Hörer bleibt jedoch der Hörplatz wegen fehlender diffuser Schall- und Nachhallanteile immer noch außerhalb des akustischen Geschehens.

Man war daher bestrebt, auch diese Informationen, zum Beispiel in Form der Quadrofonie, noch einzufügen. Hörtests haben gute Ergebnisse gezeigt und gewisse Verbesserungen ergeben. Ob jedoch der erheblich höhere Aufwand - vier Verstärker, vier Lautsprecher — angesichts der relativ geringen Anhebung der Wiedergabequalität gerechtfertigt ist, muß die Zukunft erweisen.

Eines steht heute schon fest: Auch mit Quadrofonie wird sich die Wiedergabe für den geschulten Hörer noch um einiges vom Original unterscheiden. Dafür sind die - zugegeben minimalen - aktuellen technischen Unzulänglichkeiten, aber auch die augenblickliche Disposition des Hörers zum Musikgenuß verantwortlich.

So lauscht hier ein HiFi-Fan oft mehr auf den Klang seiner 100 W Boxen als auf das Dargebotene, dort ein verzückter Kenner auf die historische, aber technisch unzureichende Aufnahme eines berühmten Interpreten. Beide haben sich auf der Suche nach dem akustischen Ebenbild dem Ziel genähert. Ein Dritter aber wird einen - notfalls sogar schlechten - Hörplatz im Konzertsaal jeder perfekten Lautsprecherwiedergabe vorziehen.

Bildunterschriften

Bild 1. Schematische Darstellung des Ohrs. A = äußeres Ohr, B = Mittelohr, C = Innenohr
Bild 2. Froquenzumfang verschiedener Schallquellen
Bild 3. Kurven gleichen Lautstärkeemptindens
Bild 4. Überlagerung zweier Sinustöne
Bild 5. Direktschall und reflektierter Schall im Raum
Bild 6. Lautsprecheranordnung und bester Hörort bei Stereofonie