Räumliches Hören
Die Fähigkeit des Ohres, sich in bezug auf Schallwellen räumlich zu orientieren, d. h. aufgrund der wahrgenommenen Schallwellen ohne Unterstützung durch das Sehen eine Lokalisierung der Schallquellen vorzunehmen, ist für eine elektroakustische Stereoübertragung von besonderer Bedeutung.
Will man eine hochwertige Stereowiedergebe über Lautsprecher erreichen, dann muß man die Gesetzmäßigkeiten beachten, die beim natürlichen räumlichen Hören gelten.
Die räumliche Orientierung läßt sich auf drei Hauptbereiche beziehen: vorn-hinten, links-rechts, nah-fern (gelegentlich rechnet man noch einen vierten Bereich hinzu: oben-unten). Man faßt alle Bereiche meist unter dem Begriff des Richtungshörens zusammen.
Im Prinzip kommt das Richtungshören dadurch zustande, daß das Schallfeld mit den beiden Ohren an zwei verschiedenen Stellen abgehört wird. Aus den zwei verschiedenen Klangbildern wird dem Gehirn der Richtungseindruck vermittelt.
Für das Entstehen des Richtungseindrucks im Gehör gibt es verschiedene Theorien. Daß es sich dabei nur um Theorien handeln kann, leuchtet ein, wenn man bedenkt, daß die Funktionen des menschlichen Geistes kaum schematisiert werden können.
Intensitätstheorie (eigentlich Pegeldifferenztheorie)
Dreht man den Kopf seitlich zu einer Schallquelle, dann ergibt sich für die Kopfseite, die der Schallquelle zugewandt ist, eine Stauwirkung. Die andere Seite des Kopfes wirkt dagegen abschirmend. Für die beiden Ohren ergibt sich demzufolge ein Schalldruckpegelunterschied, der zur Lokalistation (Richtungsorientierung) ausgewertet werden kann. Nun ist aber der Pegelunterschied für sinusförmige Schallwellen bei tiefen Frequenzen sehr klein, bei hohen Frequenzen jedoch groß. Bei Sprache und Musik müßten die Ohren demnach laufend eine Mittelwertbildung vornehmen, woraus dann die Lokalisation folgen würde. Eine Lokalisation, die nur auf dem Schallpegelunterschied beruhen würde, wäre nicht sehr scharf.
Klangfarbentheorie
Sie ist verwandt mit der sogenannten "Intensitätstheorie", wobei aber die bekannte Tatsache berücksichtigt wird, daß die Schattenwirkung des Kopfes eine Veränderung der Klangfarbe hervorruft. Aufgrund der Klangfarbenunterschiede könnte das Ohr eine Richtungsbestimmung vornehmen.
Der Lokalisationsvorgang wäre dabei aber von besonderer Art; während nach der Pegeldifferenztheorie die Ortung ohne wesentliche Beteiligung des Gehirns möglich wäre (physiologischer Effekt), kann die Lokalisation nach der Klangfarbentheorie nur mit Beteiligung des Gehirns erfolgen (psychologischer Effekt), weil aus der Erfahrung und der Erinnerung Vergleiche herangezogen werden müßten.
Phasentheorie
Hierbei berücksichtigt man, daß bei seitlicher Kopfstellung zur Schallquelle die Schallwellen wegen der Wegunterschiede zu den Ohren mit unterschiedlichen Augenblickswerten der Schalldrücke an den beiden Ohren eintreffen. Ein solcher Gangunterschied wird als Phasendifferenz bezeichnet. Diese Theorie allein ist aber bei näherer Betrachtung kaum für das Richtungshören zutreffend. Dafür gibt es folgende Gründe: Einmal treten eindeutige Phasenunterschiede nur bei Sinustönen gleicher Frequenz auf. Zum anderen sind die Phasenunterschiede frequenzabhängig, d. h. sie werden mit zunehmender Frequenz größer. Das müßte sich dann aber so auswirken, daß bei einem in der Frequenz ansteigenden Ton sich für das Gehör laufend die Richtung ändern würde, was mit der wirklichen Wahrnehmung nicht übereinstimmt.
Schließlich würde bei hohen Frequenzen, bei denen der Phasenunterschied größer als 180° ist, ein eindeutiges Richtungshören unmöglich sein, da das Gehör nicht feststellen kann, welche der beiden empfangenen Schallwellen einen Phasenvorsprung und welche einen Phasenrückstand hat.
Zeittheorie
Diese ist verwandt mit der Phasentheorie, wobei man aber den Gangunterschied für ein Frequenzgemisch in Betracht zieht. Bei einem Schall, der mehrere verschiedene Frequenzen enthält, wie es praktisch immer der Fall ist, kann man nämlich nicht mehr von Phasendifferenzen sprechen.
Man spricht dann besser von einem Zeitunterschied der beiden Klangfolgen, der bei seitlicher Kopfhaltung zur Schallquelle an den Ohren feststellbar ist. Messungen haben bestätigt, daß das Gehör Zeitdifferenzen noch in der Größenordnung von 1/300 ms wahrnehmen kann.
Kombinationstheorie
Betrachtet man die verschiedenen Theorien der vorigen Abschnitte, dann ergibt sich die Wahrscheinlichkeit, daß das Gehör die Richtungsorientierung aus mehreren Komponenten bezieht. So treten z. B. bei Musikklängen Pegel- und Zeitdifferenzen praktisch immer gleichzeitig auf. Es ist wahrscheinlich, daß das Gehör den besten Stereoeindruck gewinnt, wenn beide Komponenten, die die beiden Ohren vermitteln, zueinander passen. Erhärtet wird diese Theorie durch Versuchsergebnisse, die man auf elektrischem Wege mit Hilfe von Lautsprechern gewonnen hat.
Stellt man z. B. zwei Lautsprecher im Abstand von einigen Metern so auf, wie es bei einer Stereoübertragung üblich ist, dann kann man bei einer Testperson durch zwei genau übereinstimmende Klangübertragungen aus beiden Lautsprechern den Eindruck gewinnen, daß die Schallquelle in der Mitte zwischen den Lautsprechern geortet wird. Verändert man nun die Zeitdifferenz der beiden Klangübertragungen, dann scheint die Schallquelle für die Testperson zur Seite auszuwandern.
Den gleichen Effekt erreicht man aber auch, wenn man statt der Zeitdifferenz einen Intensitätsunterschied einstellt. Zahlenmäßig hat sich hierbei ergeben, daß je nach Klangzusammensetzung z. B. ein Zeitunterschied von 1 ms durch einen Intensitätsunterschied von 5 bis 12 dB ersetzt werden kann.
Präzedenzeffekt
Dieser auch mit Haaseffekt bezeichnete Einfluß auf die Richtungsempfindlichkeit ist eine weitere Eigenschaft des Gehörs.
Das Gehör ortet nämlich eine Schallquelle immer nach der Richtung, aus der die erste Schallfront ankommt. Wird zum Beispiel in einem Vortragssaal zur Verständlichkeitserhöhung eine Lautsprecherübertragung vorgenommen, dann hört man den Schall aus dem Lautsprecher, der einem am nächsten ist. Das kann möglicherweise ein Lautsprecher sein, der an der Wandseite des Raumes liegt und mit der Richtung zum Sprecher nicht übereinstimmt.
Das kann die Aufmerksamkeit des Hörers sehr stören. In solchen Fällen verzögert man elektronisch die zu verstärkende Mikrofonspannung, so daß der verstärkte Schall gegenüber dem direkten Schall verspätet zum Hörer gelangt. Der Hörer bezieht den Schalleindruck auf den Sprecher selbst, und der verzögert ankommende Schall erhöht nur die Lautstärke und damit die Verständlichkeit. Dieser Effekt ist wirksam, solange die Verzögerung nicht länger als 20 ms dauert.
Interessant ist außerdem, daß die Ortung auf die erste Schallfront auch noch erhalten bleibt, wenn der verstärkte Schall wesentlich lauter ist als der Originalschall des Sprechers. Der Haas-Effekt spielt auch bei der stereophonischen Ubertragung in Wohnräumen eine Rolle, wo Schallanteile das Ohr sowohl auf direktem als auch auf indirektem Wege - über Reflexionen - erreichen.
Hierdurch erklärt sich die Erscheinung, daß man auch in einem halligen Raum trotz vieler Reflexionen eine gute Ortungsmöglichkeit hat.
Enveloppenhören
Während sich die Theorien und Effekte der vorhergehenden Kapitel auf das Richtungshören der Rechts-Links-Orientierung beziehen, ergibt sich die Orientierung nach nah bzw. fern aus der Eigenschaft des Gehörs, die Hüllkurve oder Enveloppe eines Klanges zu bewerten.
Diese Hüllkurve ist von der Phasenlage der Frequenzen zueinander abhängig, wie in Abbildung an einem Beispiel erläutert wird.

In der Abbildung ist eine Frequenz 1 mit einer anderen Frequenz 2 durch Addition der Amplituden überlagert.
Hieraus ergibt sich eine Summen- oder Hüllkurve 3 von besonderer Gestalt. Verändert man die Phasenlage der Frequenz 2 z. B. um 180°, dann entsteht eine Enveloppe von anderer Gestalt, wie rechts in der Abbildung zu erkennen ist. Insbesondere unterscheiden sich die Enveloppen durch die jeweilige Steilheit der Schallfront.
Untersuchungen haben dabei ergeben, daß das sogenannte "Ohmsche Gesetz der Akustik" nur bedingt richtig ist. Ohm hatte seinerzeit aufgrund seiner Versuche angenommen, daß das Gehör beim Hören eines Klanggemisches eine Zerlegung in die einzelnen Teiltöne vornimmt und auf diese Weise den Höreindruck dem Gehirn vermittelt. Er war der Ansicht, daß dabei die Phasenlage der Teiltöne zueinander keine Rolle spielt. In Wirklichkeit wird jedoch vom Gehör - insbesondere bei tiefen Frequenzen, bei denen große Amplituden auftreten - die Enveloppe des Gesamtschalls ausgewertet.
Das Enveloppenhören vermittelt interessante Höreffekte.
So gibt z. B. die Orgel des Stiftes St. Florian bei Linz als tiefsten Pfeifenton 12.5 Hz ab. Die Töne in diesem Bereich sind, für sich allein gespielt, nicht hörbar, da sie unter der unteren Hörgrenze liegen. Im Zusammenspiel mit anderen Tönen jedoch tragen sie sehr dazu bei, eine kräftige und plastische sowie besonders räumlich nahe Klangwirkung zu erzeugen.
(Siehe E. Skudrzyk: Grundlagen der Akustik, Springer-Verlag 1954, Seite 624).
Besonders wichtig ist das Hören der Enveloppe bei kurzzeitigen Schallvorgängen, wie sie bei Ein- und Ausschwingvorgängen auftreten. Dies spielt eine wichtige Rolle bei hochwertiger Lautsprecherwiedergabe.
Dank an Eberhard Sengpiel (http://www.sengpielaudio.com) für Hinweise und Ergänzungen.
Physiologische Akustik (2002)
Beim subjektiven Hören akustischer Vorgänge muß man zwei wichtige Bereiche auseinanderhalten: den eigentlichen Hörvorgang im Ohr, mit physiologischer Akustik bezeichnet, und die Verarbeitung der Hörvorgänge im Gehirn zum Höreindruck, mit psychologischer Akustik bezeichnet. Zu letzterem gehört zum Beispiel die ästhetische Beurteilung von Musikwiedergabe, die Bewertung der Störfähigkeit von Lärm usw. .
Hier wird nur die physiologische Akustik behandelt.
Das Ohr und die Höreigenschaften
Man faßt alle mit dem Hören zusammenhängenden Probleme unter dem Begriff physiologische Akustik zusammen.
Das Ohr besteht anatomisch aus drei Abschnitten: Außen-, Mittel- und Innenohr.
Im Außenohr gelangt der Schall von der Ohrmuschel (die durch ihre Form zur Richtungsempfindung beiträgt) in den Gehörgang und von da zum Trommelfell.
Die Abmessungen des Gehörganges bewirken eine bevorzugte Aufnahme der Frequenzen um 3000 Hz. Das Trommelfell schließt das Mittelohr vollkommen gegen das Außenohr ab.

Im Mittelohr wird der Schall vom Stiel des Hammers, der an der Innenseite des Trommelfelles angewachsen ist, über den Hammerkopf auf den Amboß und von dort auf den Steigbügel übertragen. Diese drei Knöchelchen stellen ein kompliziertes Hebelsystem dar, in welchem die Bewegungen des Trommelfelles in kleinere Hübe, aber höhere Drucke (etwa 15-fach) umgesetzt werden.
Dieses System ist in der Übersetzung elastisch und schützt das innere Ohr vor Überlastung. Damit ist jedoch auch eine Nichtlinearität bezüglich der Fortleitung des Schalles bedingt, wodurch beim Hören größerer Schallstärken Verzerrungen im Ohr entstehen.
Es werden dadurch Kombinationstöne subjektiv empfunden, die objektiv im Schall nicht vorhanden sind.
Da das Mittelohr ein geschlossener Raum ist, würden sich atmosphärische Luftdruckschwankungen auf den Hörvorgang auswirken. Zum Ausgleich der Schwankungen hat die Natur einen Ausgleichskanal (Eustachische Röhre) vorgesehen, der im Rachenraum mündet und beim Schluckvorgang vorübergehend geöffnet wird. (Die Wirkung macht sich bemerkbar, wenn man z. B. mit einem Fahrstuhl oder mit dem Flugzeug in kurzer Zeit große Höhenunterschiede erreicht. Durch Schlucken kann man die auftretende Druckdifferenz am Trommelfell zwischen Mittelohr und Außenohr beseitigen.)
Das Innenohr beginnt bei der Membran, die vom Mittelohr her durch den Steigbügel berührt wird und im sogenannten ovalen Fenster sitzt. Diese Membran schließt ein Kanalsystem ab, welches mit Lymphflüssigkeit gefüllt ist. Hierin wird der Schall zur Schnecke weitergeleitet.
Die Schnecke, die wie ein Schneckenhaus bei etwa 2 3/4 Windungen mit allmählich kleiner werdendem Querschnitt aufgebaut ist, enthält im Innern die Basilarmembran, die je nach Tonhöhe an einer bestimmten Stelle zum Mitschwingen angeregt wird und dabei eine Reizung bestimmter Hörnerven hervorruft.
Etwa 2400 gegeneinander isolierte Nervenfasern führen zum Gehirn.
Auf diese Weise kann das menschliche Ohr etwa 3000 verschiedene Tonstufen unterscheiden (zum Vergleich: das Klavier umfaßt 84 Töne, das umfassendste natürliche Instrument, die Orgel, 108 verschiedene Töne).
Bei jeder Tonhöhe kann das Ohr auch noch einen weiten Bereich von Tonstärken unterscheiden. Die Übertragung der Reize im Nervensystem erfolgt durch elektrische Impulse, wobei die Anzahl der Impulse für die empfundene Lautstärke maßgebend ist (bei sehr großen Lautstärken werden etwa 1000 Impulse je Sekunde übertragen).
Die Empfindlichkeit des Ohres ist außerordentlich groß, sowohl in bezug auf Tonhöhen als auch Tonstärken, was z. B. für die Beurteilung einer Lautsprecherwiedergabe von besonderer Wichtigkeit ist. Das Ohr vermag Töne zwischen etwa 16 Hz und 16000 Hz wahrzunehmen.
Die Empfindlichkeit in bezug auf Tonstärken ist bei den einzelnen Frequenzen verschieden. Am empfindlichsten ist das Ohr im Bereich zwischen 1000 und 4000 Hz. Hier werden noch Schalldrücke von 2/10000 ubar wahrgenommen.
Würde das Ohr noch empfindlicher sein, dann wäre das molekulare Rauschen der Luft hörbar, was dann stören würde.
Wie groß die Hörempfindlichkeit des Ohres ist, ergibt sich auch aus folgendem Beispiel:
Nachts hört man bei der Stille der Umgebung das Summen einer Mücke noch in 0.5 m Entfernung. Nun ist aber die Schallenergie, die die Mücke beim Flügelschlagen erzeugt, ohnehin schon sehr klein, da die meiste Energie zur Bewegung der Mücke benötigt wird.
Da der Schall sich um die Mücke kugelförmig ausbreitet, verteilt er sich in 0.5 m Entfernung auf eine Kugeloberfläche von ca. 30000 cm2.
Da das Ohr etwa eine Flächenöffnung von 1 cm besitzt, hört man etwa noch den 30000sten Teil der Schallenergie der Mücke.
Der Schalldruck, bei dem die Schmerzgrenze beim Hören erreicht wird, ist mehr als 1000000-fach größer.
Man hat den Bereich zwischen der Reizschwelle bei schwachen und der Schmerzschwelle bei starken Schallempfindungen in Stufen unterteilt.
Als Maßeinheit wurde in Deutschland das Phon gewählt, während in den USA dafür das Dezibel gebräuchlich ist. Allerdings bemüht man sich auch hier, von der Angabe des Lautstärkepegels in DIN-Phon wegzukommen und statt desssen (nach IEC) von bewerteten Schalldruckpegeln (weighted sound level) zu sprechen.
Weil nun energiemäßig vom leisesten bis zum lautesten Ton ein Unterschied von 13 Zehnerpotenzen vorhanden ist, hat man den ganzen Hörbereich in 130 Phon eingeteilt.
Die Wahl von 130 statt 13 hat den Vorteil, daß man bei Messungen usw. keine Kommawerte zu benutzen braucht, weil das Ohr einen Lautstärkeunterschied von etwa 1 Phon gerade noch wahrnehmen kann. Man hat daher die Hörschwelle von 2×10-4 ubar als Bezugsgröße für Schallfeldgrößen festgelegt.
Die Lautstärkeempfindlichkeit des Ohres ist nach dem Weber-Fechnerschen Gesetz etwa logarithmisch, was in der Phonskala entsprechend zum Ausdruck kommt. Erhöht sich z. B. die von einer Schallquelle abgegebene Schallstärke um das Zehnfache, dann geht die empfundene Lautstärke um 10 Phon herauf.
50 Phon bedeutet demnach, daß bei dieser Lautstärke eine 10×10×10×10×10, also 100000-fache Schallstärke von Seiten der Schallquelle im Vergleich zur unteren Schwelle vorhanden sein muß.
Zum Vergleich sind in der FAQ eine Reihe von Schallarten mit den empfundenen Lautstärken in Sone aufgeführt. Der Energiebereich innerhalb dieser Lautstärkestufen ist außerordentlich groß. Die Intensität zwischen Blättersäuseln und der auf einem Motorprüfstand steht in einem Verhältnis von 1:10 Milliarden!
Untersucht man die Empfindlichkeit des Ohres bei verschiedenen Frequenzen, dann ergeben sich Zusammenhänge, wie sie in der Kurvendarstellung unten enthalten sind.

Diese Kurven stellen Mittelwerte aus Hörversuchen mit vielen Personen dar und sind genauer als die früher verwendeten Kurven nach Fletscher und Munson. Diese Kurven gelten allerdings nur für reine Sinustöne.
Trotzdem können sie von Fall zu Fall bei einzelnen Menschen individuell verschieden sein.
In der Darstellung sind unten in der Waagerechten die Frequenzen aufgetragen im sogenannten logarithmischen Maßstab.
Dieser Maßstab hat nicht nur den Vorteil, daß auf der kurzen Linie alle Frequenzen zwischen 16 und 20000 Hz untergebracht werden können, sondern diese Aufteilung entspricht auch der Bewertung, die das Ohr vornimmt. Es werden nämlich hierbei alle Oktaven gleichmäßig berücksichtigt.
Unter Oktave versteht man bekanntlich in der Musik einen Abstand zweier Töne, der so groß ist, daß die 8 Töne der Tonleiter dazwischen liegen.
In der Akustik unterscheiden sich die Oktaven durch die doppelte Schwingungszahl. So ist z. B. in der Abbildung der Abstand der Oktave 40 Hz bis 80 Hz ebenso groß wie der von 500 Hz bis 1000 Hz oder 6000 Hz bis 12000 Hz usw. .
Es ergibt sich daraus, daß das Ohr im gesamten Tonbereich etwa 10 Oktaven wahrnehmen kann.
Die Kurven geben nun an, wie groß der Schalldruck jeweils sein muß, um die entsprechende Lautstärke zu hören.
Wie der Abbildung zu entnehmen ist, beträgt z. B. bei 40 Phon für den Ton von 1000 Hz der Schalldruck 0.02 ubar. Will man den Ton von 60 Hz mit derselben Lautstärke von 40 Phon hören, dann muß der Schalldruck 0.2 ubar, also 10-mal stärker sein. Ein Ton von 10000 Hz muß mit 0.08 ubar vorhanden sein, um die gleiche Lautstärke hervorzurufen.
Obwohl das Phonmaß den Höreigenschaften des Ohres schon weitgehend gerecht wird, ist es doch noch nicht für alle subjektiven Wahrnehmungen von Schall befriedigend.
Man hat daher noch das sogenannte Sone-Maß eingeführt. Dieses Lautheitsmaß berücksichtigt besonders die subjektive Empfindung, die man im mittleren Lautstärkebereich hat.
Hört man nämlich einen Schall mit 50 Phon und steigert man ihn auf 60 Phon, dann hat man das Empfinden einer Verdopplung der Lautstärke. Von 60 auf 70 Phon ergibt sich wieder eine Verdopplung usw., was im Sone-Maß besser zum Ausdruck kommt.
Mit zunehmendem Alter geht die Hörempfindlichkeit für hohe Frequenzen zurück. Dies liegt an der Verhärtung des Trommelfells, der Gelenke von Hammer, Amboß, Steigbügel usw.
In untenstehender Tabelle sind diese Zusammenhänge dargestellt.
Alter |
8kHz |
10kHz |
12kHz |
14kHz |
16kHz |
18kHz |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 20-29 | 100 | 100 | 100 | 90 | 60 | 40 |
| 30-39 | 100 | 100 | 90 | 70 | 30 | 20 |
| 40-49 | 100 | 90 | 70 | 40 | 15 | 10 |
| 50-59 | 100 | 80 | 40 | 20 | 5 | 0 |
| 60-69 | 90 | 70 | 20 | 0 | 0 | 0 |
Diese Tabelle stellt Mittelwerte dar, die bei einer größeren Zahl von Versuchspersonen aufgenommen wurden. Sie gibt die Prozentzahl der Personen an, die in einem normalen Zimmer bei einem Schalldruck von etwa 1 ubar die jeweilige Frequenz noch hören.
Die Auswirkung dieser Altersabhängigkeit wird vielfach überschätzt.
Man muß dabei bedenken, daß die Abnahme der Hörempfindung für hohe Frequenzen oktavenmäßig und nicht nach Frequenzhöhen zu betrachten ist. Der Bereich von 8000 bis 16000 Hz ist nur 1 Oktave. Bei Lautsprecherwiedergabe ist im Vergleich dazu häufig die Tiefenwiedergabe infolge ungünstiger Abstrahlbedingungen schlecht.
Wird dabei als untere Grenzfrequenz z. B. 130 Hz abgestrahlt, dann bedeutet dies einen Verlust von 3 Oktaven.
Man beobachtet häufig, daß bei Lautsprecherwiedergabe in Kaufhäusern, Fahrstühlen und dergl. der Bereich der hohen Frequenzen absichtlich beschnitten wird.
Diese Maßnahme ist ein Problem der sogenannten psychologischen Akustik (Auswirkung auf seelische Bezirke).
Die Sprache und viele Musikinstrumente haben nämlich in bezug auf hohe Frequenzen eine starke Richtwirkung. Das wirkt sich auf Grund der Hörgewohnheit so aus, daß der Hörer unbewußt zur Konzentration auf solche Frequenzen gezwungen wird.
Wird eine Lautsprecherwiedergabe nun nicht mit Aufmerksamkeit gehört, sondern nur als "Berieselung" oder Hintergrundgeräusch benutzt, dann wird dieser unbewußte Zwang zur Lästigkeit. Verstärkt wird diese Erscheinung noch bei Übermüdung oder höherer nervlicher Reizbarkeit.
Die dunklere Wiedergabe wird dann meist als angenehmer empfunden.
Eine weitere Erklärung für das gefühlsbedingte Beschneiden der hohen Frequenzen ergibt sich aus den Gesetzmäßigkeiten der Schallausbreitung.
In der Luft werden die hohen Frequenzen wesentlich stärker absorbiert als die tiefen Frequenzen. Will jemand eine Lautsprecherwiedergabe leiser stellen, dann entspricht das dem vergleichbaren Originalfall, daß er einen größeren Abstand zur Schallquelle einnehmen will.
In diesem Fall hört er dann die hohen Frequenzen relativ leiser als die tiefen Frequenzen und ahmt das gefühlsmäßig durch dunklere Klangfarbe nach.
Die Beziehungen von Reizgröße und Empfindungsgröße werden bei Versuchen in einem "objektivierten wissenschaftlichem Klima" meist mit Sinustönen oder Rauschen gewonnen. Diese Hörbedingungen unterscheiden sich von denen, wie wir sie z.B. beim Hören von Musik vorfinden, erheblich, denn ein Ton in einem Musikstück hat nicht nur Lautheit, Dauer und Tonhöhe, sondern ist auch musikalischer Sinnträger.
Er hat eine bestimmte Stellung in einer Melodie oder Harmonie, oder er ist Träger eines Wortes; er kann aber auch Teil eines lästigen Geräusches sein. Diese verschiedenen Sinnfunktionen, die ein Ton annehmen kann, beeinflussen natürlich die Empfindung außerordentlich.
Weiteren Aufschluß könnten hier nur spezielle psychologische Testmethoden bringen.
Hörbarkeit nichtlinearer Verzerrungen
Von derartigen Verzerrungen spricht man, wenn bei der elektroakustischen Ubertragung neue, im Original nicht vorhandene Töne auftreten.
Verursacht werden solche Verzerrungen durch Schaltelemente, die keine geradlinige Charakteristik haben, wie Transistoren, Röhren, Übertrager und Lautsprecher. In erster Linie treten harmonische Obertöne auf, die in der Regel umso kleiner sind, je höher die Stellungszahl der Harmonischen ist. Die 5. Harmonische ist z. B. kleiner als die 3. Harmonische.
Das Maß für diese Art von Verzerrungen ist der Klirrfaktor, der in Prozenten angegeben wird. Er wird gemessen, indem man eine Meßfrequenz an das zu prüfende Gerät legt und die entstehenden Obertöne mißt.
So mißt man z. B. beim Lautsprecher die abgestrahlten Schallwellen mit einem Mikrofon. Aus der Mikrofonspannung filtert man die zu untersuchende Harmonische heraus und setzt sie ins Verhältnis zur Gesamtspannung, die der Lautsprecher im Mikrofon erzeugt.
Es ist
| kn = Un/Ua |
mit
kn = Klirrfaktor der n-ten Harmonischen
Un = Spannung entspricht der n-ten Harmonischen
Ua = Gesamtspannung entspricht dem Gesamtschall
So unterscheidet man k2, k3 usw. entsprechend der 2. Harmonischen, 3. Harmonischen usw.. Der Gesamtklirrfaktor, den alle Harmonischen zusammen hervorrufen, ergibt sich aus
| k = √(k22 + k 32 + k4 2 + ...) |
mit
k = Gesamtklirrfaktor
k2 = Klirrfaktor der 2. Harmonischen
k3 = Klirrfaktor der 3. Harmonischen
k4 = Klirrfaktor der 4. Harmonischen usw.
√() = Quadratwurzel
Die Hörbarkeit des Klirrfaktors hängt ab vom übertragenen Frequenzbereich.
Je größer der Übertragungsbereich, desto höher sind die Anforderungen. überträgt man bis 4000 Hz, dann ist erst 1.4 % wahrnehmbar und 8 % erträglich.
Überträgt man bis 15000 Hz, dann ist bereits 0.8 % hörbar und 2-3 % erträglich. Diese Zahlenwerte stellen jedoch nur Richtwerte dar.
Man hat nämlich festgestellt, daß je nach Musikübertragung mitunter schon kleinere Klirrfaktoren bemerkbar sind, während bei anderen Übertragungen größere Klirrfaktoren noch nicht stören.
Dies liegt daran, daß entsprechend der o.a. Formel die beteiligten Einzelklirrfaktoren mit dem gleichen Gewicht am Gesamtklirrfaktor beteiligt sind.
Das Gehör bewertet aber die Klirrfaktoren der einzelnen Harmonischen unterschiedlich, wie an einem einfachen Beispiel erkennbar ist.
Stellt man z. B. zum Grundton von 100 Hz (der auch als 1. Harmonische bezeichnet wird) die zugehörigen Harmonischen tabellarisch zusammen, und vergleicht man damit die Oktaven, die zu 100 Hz gehören, dann ergibt sich folgende Tabelle:
Harmonische: |
1. |
2. |
3. |
4. |
5. |
6. |
7. |
8. |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Frequenz | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 |
| Oktaven | 100 | 200 | 400 | 800 |
Man erkennt, daß die 1., 2. und 8. Harmonische mit den Oktaven übereinstimmen, in ihrer Klangwirkung also harmonisch empfunden werden und nicht als Verzerrung auffallen können.
Betrachtet man dagegen z. B. die 7. Harmonische, dann erkennt man, daß sie mit 700 Hz unharmonisch neben dem Oktavton 800 Hz liegt. Sie macht sich also störend bemerkbar.
Wollte man dies in einer Klirrfaktorformel berücksichtigen, dann müßte man den Klirrfaktoren der einzelnen Harmonischen ein verschiedenes Gewicht zuordnen. Dazu wurden verschiedene Vorschläge unterbreitet.
Man sollte z. B. die Wirkung einer n-ten Harmonischen noch multiplizieren mit n/2, nach einem anderen Vorschlag mit n2/4 usw. Eine Vereinheitlichung war jedoch bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht möglich.
Trotzdem kann die Klirrfaktordefinition nach o.a. Formel entsprechend DIN 45403 als Qualitätsmaßstab verwendet werden, denn grundsätzlich wird eine Übertragungsanlage eine um so höhere Wiedergabequalität bieten, je kleiner der Klirrfaktor ist.
Kritischer werden nichtlineare Verzerrungen, wenn gleichzeitig mehrere Töne übertragen werden, wie es praktisch fast ausschließlich der Fall ist.
Hierbei werden durch die Verzerrungseigenschaften aus den zu übertragenden Frequenzen zusätzlich noch Summen- und Differenztöne gebildet. Sollen z. B. die beiden Frequenzen 700 Hz und 1000 Hz übertragen werden, dann entstehen zusätzlich die Frequenzen 1700 und 300 Hz neben der Harmonischen 1400 Hz, 2000 Hz, 2100 Hz, 3000 Hz usw..
Meist liegen die Summen- und Differenztöne sehr unharmonisch im Gesamtklang und fallen dabei störend auf. Zur Messung verwendet man nach dem Differenztonverfahren zwei Meßfrequenzen, die man gleitend durch das ganze Übertragungsfrequenzband variiert, wobei man die Amplitude und den gegenseitigen Abstand der beiden Frequenzen gleich groß hält.
Die Verzerrungsanteile lassen sich dann analysieren, wobei man Meßgrößen erhält, die in der Klirrfaktormessung allein nicht erfaßt werden. Das Differenztonverfahren ist aber wenig gebräuchlich, da es sehr umständlich ist. Daher sind keine Erfahrungsgrößen bekannt, nach denen Qualitätsmaßstäbe aufstellbar wären.
Eine häufiger verwendete Methode ergibt sich aus dem Intermodulationsverfahren.
Hierbei verwendet man zwei feststehende Frequenzen, z. B. 100 Hz und 4000 Hz (oder 250 Hz und 8000 Hz), deren Amplituden verschieden sind. Meist setzt man das Amplitudenverhältnis 4:1 fest.
Es entstehen hierbei Summen- und Differenzprodukte, die man wegen der zusätzlichen Amplitudenabhängigkeit als Intermodulationsfrequenzen bezeichnet.
Nach DIN 45403 Blatt 3 setzt man bei der Messung alle entstehenden Fremdfrequenzen ins Verhältnis zur oberen der beiden Meßfrequenzen.
Dieser Intermodulationsfaktor m wird bei Solostellen (Geigen, Flöten, Klavier) in hochwertigen Anlagen bereits bei 0.5 % hörbar. Im allgemeinen werden jedoch 1-2 % noch als ausreichend angesehen. Die Verzerrungen machen sich meist dadurch bemerkbar, daß die Klänge rauh, heiser oder sogar zischend verändert werden.
Hörbarkeit linearer Verzerrungen
Bei der Übertragung von Sprache und Musik vom Mikrofon bis zum Lautsprecher können Verzerrungen entstehen. Man unterscheidet lineare und nichtlineare Verzerrungen. Unter linearen Verzerrungen versteht man Abweichungen von einer geraden Übertragungscharakteristik, wie sie als Beispiele in Bild dargestellt sind.

Im Bild ist eine waagerechte Linie gezeichnet, die die Kennlinie eines Übertragungsgliedes, z. B. eines Lautsprechers, darstellen soll.
Würde diese Linie über den gesamten Frequenzbereich von 20-20000 Hz schnurgerade verlaufen, dann würden alle Frequenzen gleichmäßig übertragen.
In Wirklichkeit treten aber bei Lautsprechern Abweichungen von der geraden Linie auf, indem bestimmte Frequenzen oder Frequenzbereiche hervorgehoben oder benachteiligt werden.
So zeigt die Übertragungskurve von Bild an der Stelle 1 eine muldenförmige Senke von der ungefähren Breite einer Oktave, an der Stelle 2 einen resonanzartigen Höcker von der Breite einer Terz (gemessen von den Fußpunkten aus), an der Stelle 3 einen resonanzartigen Einbruch und an der Stelle 4 ein allmähliches Absinken.
Die Grenze der Hörbarkeit solcher Änderungen ist durch die Frequenzselektivität und die Pegelunterschiedsschwelle des Gehörs bestimmt. Demnach wird bei breitbandigen Schallen eine unmittelbare Änderung des Amplitudenfrequenzganges dann bemerkt, wenn sich der Pegel in irgendeiner Frequenzgruppe um mehr als 1 dB ändert.
Dieser geringe Wert gilt jedoch nur für den direkten Vergleich.
In der Praxis ist dieser direkte Vergleich nicht möglich, vielmehr ist man auf seine Erinnerung oder Erfahrung bezüglich des Klangeindruckes angewiesen, den ein Schall im Original hervorgerufen hat. Für diesen Fall sind Werte für Pegeleinbrüche oder -überhöhungen einzusetzen, die etwa zwei- bis dreimal so groß sind.
Zur Untersuchung der Einflüsse von nichtlinearen Verzerrungen auf die Wiedergabe von Sprache und Musik hat man mit elektronischen Mitteln künstlich beliebige Einbrüche und Höcker auf der Übertragungslinie erzeugt und durch Testpersonen beurteilen lassen.
Bei älteren Testversuchen hatten sich folgende Gesetzmäßigkeiten ergeben:
-
Oktaveinbrüche von 4 dB Tiefe sind gerade noch wahrnehmbar. Bei tiefen Frequenzen bis herauf zu 250 Hz können je nach Musikart sogar noch tiefere Einbrüche von 6-8 dB unbemerkt bleiben.
(Modernere Untersuchungen kommen auf eine Wahrnehmbarkeitschwelle bei Oktaveinbrüchen von 1 dB.) -
Je schmaler der Einbruch ist, umso tiefer darf er sein, ohne bemerkt zu werden. So sind spitze Einbrüche, die schmaler als eine Terz sind, noch bei 10 dB Tiefe schwer wahrnehmbar.
-
Gegen Höcker ist das Ohr empfindlicher. So werden Höcker von Oktavbreite bei 2 dB wahrnehmbar.
-
Bei resonanzartigen Höckern kann man bis zu 5 dB zulassen.
-
Prüft man mit weißem Rauschen, bei dem also alle Frequenzen gleichzeitig vorhanden sind, dann heben sich resonanzartige Höcker als wahrnehmbare Einzeltöne aus dem Rauschen heraus. Breitere Höcker oder Überhöhungen geben dem Rauschen eine bestimmte Klangfarbe.
Bei diesen Gesetzmäßigkeiten muß man berücksichtigen, daß sie nur für einzelne Einbrüche oder Höcker gelten.
Bei mehreren Abweichungen kommt es darauf an, wie viele es sind, wie dicht sie beieinander liegen, inwieweit Höcker und Einbrüche aufeinander folgen usw.
Es hat sich gezeigt, daß am empfindlichsten gegen lineare Verzerrungen Klaviermusik ist, während bei Orchestermusik größere Werte zugelassen werden können.
Adaptionseffekt
Das Ohr besitzt eine weitere Eigenschaft, die der des Auges sehr ähnlich ist.
Unser Auge vermag sich bekanntlich verschiedenen Helligkeitsstufen seiner Umgebung anzupassen, indem es durch uns unbewußte Änderung der Pupillenweite eine bestimmte Lichtmenge für die dahinterliegenden Sehnerven durchläßt. Diese mit Adaption bezeichnete Eigenschaft ist auch beim Gehör in besonderer Weise vorhanden.
So stellt sich das Gehör z. B. beim Hören eines bestimmten Musikstückes auf einen mittleren Pegel ein. Wird plötzlich der Schallpegel geändert, dann braucht das Gehör eine Übergangszeit, bis es sich dem neuen Pegel anpaßt. Dies ist etwa mit dem Blinzeln des Auges bei plötzlicher Helligkeitssteigerung zu vergleichen. Wir erleichtern damit dem Auge die Adaption an die neue Lichtstufe.
Auf ähnliche Weise erklärt sich auch die beim Hören von Rundfunkübertragungen beobachtete Eigentümlichkeit, daß z. B. nach einer mit großem Orchester gespielten Sinfonie der Lautstärkepegel des Ansagers je nach Voraussetzung zu laut oder zu leise empfunden wird. Diese schon früher beobachtete Ohreigenschaft wird seit einigen Jahren intensiver untersucht.
Die Gesetzmäßigkeiten, die man dabei entdeckt, werden sicherlich wichtige Anhaltspunkte für die Beschallung von Räumen mit Lautsprechern ergeben.
Aus dem Adaptionseffekt ergibt sich bereits jetzt die Erkenntnis, daß eine hochwertige Übertragungsanlage bei richtiger Einstellung im Wohnzimmer auch leise eine ausgezeichnete Wiedergabequalität erzielen kann.