elektro akustik

NT-Referat
ELEKTRO
AKUSTIK
V1.1 - 13.04.98 20:58
ElektroAkustik
I.
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BIDMON Wolfgang, 5HNA
SCHALL
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Verhalten des Schalls
Beschallung von Räumen
4
5
II. DAS MENSCHLICHE OHR
6
Der Gleichgewichtssinn
Das Ohr und der Schall
Monofonie
Stereofonie
Kopfbezogene Stereofonie - KUNSTKOPF
7
8
9
10
10
III. KENNGRÖßEN
11
IV. WANDLER
16
Elektromagnetischer Wandler
Elektrodynamische Wandler
Magnetostriktiver Wandler
Elektrostatischer oder dielektrischer Wandler
Piezoelektrische Wandler
Allgemeines zu den Wandlern
V. MIKROFONE
17
17
19
19
19
20
20
Kohle-Mikrofon
Elektret-Mikrofon
Druckempfänger
Druckgradientenempfänger
Kenngrößen von Mikrofonen
Resonanzabstimmung der Membran bei Mikrofonen
VI. LAUTSPRECHER
21
22
22
22
22
23
24
Konuslautsprecher
Kalottenlautsprecher (abgeschnittene Kugel)
Druckkammerlautsprecher
Kenngrößen von Lautsprechern
Akustischer Kurzschluß
Zusammenschaltung von Lautsprechern
Anpassung von Lautsprechern
Frequenzweiche
24
24
24
25
25
26
27
27
VII. HÖRER
27
PARTIALSCHWINGUNGEN VON MEMBRANEN
28
KENNGRÖßEN VON MIKROFONEN UND LAUTSPRECHERN
31
Richtcharakteristik
Frequenzabhängigkeit
Richtmikrofone
Aussteuerung
31
31
32
32
ERSATZ-SCHALTBILDER
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BERECHNUNGEN
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QUELLENVERZEICHNIS
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INDEX
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Schall
Was ist der Schall eigentlich, wissenschaftlich betrachtet? Nun, er ist die Bezeichnung für
mechanische Wellen1, 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
Infraschall
Wahrnehmbarer Bereich
Ultraschall
Frequenzbereich
< 16 Hz
16 Hz ≤ x ≤ 20.000 Hz
> 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:
− Rosa Rauschen:
1
Ansammlung aller Frequenzen im hörbaren Bereich mit gleicher
Amplitude.
Hier ist die spektrale Intensitätsdichte umgekehrt
proportional der Frequenz.
Eine Welle ist eine Störung, die sich in einer Menge gleichartiger Oszillatoren ausbreitet (von denen jeder mit
seinem Nachbarn gekoppelt ist). Mechanische Welle: Vergleiche Wasserwellen. [Siehe Physikbuch 1, §46.1]
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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 longitudinaler2 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 Beugungen3.
Berechnung der Schallgeschwindigkeit:
c0 … Konstante, (bei 0°C → 332m/s)
c = c0 ⋅ 1 + α ⋅ t
α … Temperaturkoeffizient
=
1
273,15
t … Temperatur in °C
c= λ⋅ f
→
λ = 2 cm … 20 m
Medium
Vakuum
Luft bei 0°C
15°C
Wasser
Mauerwerk
Holz
Stahl
Glas
v [m/s]
0
331,6
340,6
1.480
3.500 ... 4.000
3.500 ... 5.000
4.800 ... 5.000
5.100 ... 5.500
Die Schallmauer4 wird bei zirka 1.200 km/h (330m/s) durchbrochen.
Schallschnelle
Sie ist jene Geschwindigkeit, mit der die einzelnen Teilchen schwingen.
v= a⋅w
a … Amplitude in m
w … 2⋅π⋅f … Kreisfrequenz in s-1
Verhalten des Schalls
Schallquellen bilden gewöhnlich stehende Wellen5 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.
longitudo (lat.): Länge → Es bewegen sich im Gegensatz zu einer Transversalwelle die einzelnen Teilchen
in der Ausbreitungsrichtung der Welle. Sie stoßen das jeweils Nächste an und übertragen so den Impuls.
[s. Physikbuch 1, §46.3]
3
Siehe Physikbuch 1, §46.6
4
Schallmauer: Aufgrund der hohen Geschwindigkeit erhöht sich der Luftwiderstand und es bildet sich
eine Kopfwelle. Bei Durchbrechen dieser Schallmauer kommt es zu Luftdruckerhöhungen
(Verdichtungsstöße), welche als Knall wahrnehmbar sind.
5
Stehende Wellen: Sie entstehen durch Interferenz von zwei Wellen gleicher Frequenz und Amplitude, aber
entgegengesetzter Richtung. [Physikbuch 1, §47.4]
2
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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 λ und der Fläche A ab.
− Ist λ << A → Reflexion. Die Phase dreht sich hierbei um 180° → stehende Welle.
− Ist jedoch λ >> 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).
Dopplereffekt6
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
6
Doppler-Effekt: [Physikbuch 1, §47.7]
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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.
II. 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
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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 Gleichgewichtssinn
Die 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.
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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
Abbildung 1, Das menschliche Ohr
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“.
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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.
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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.
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III. 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)
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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).
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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]
I = p eff ⋅ v eff
p … Schalldruck
v … Schallschnelle
Schalleistung
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.
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Schalldruckpegel
Bezugsschalldruck = 0,00002 Pa = 2⋅10-5 Pa = 0dB
Schalldruckpegel [dB] = 20 ⋅ lg
Schalldruck [ Pa ]
2 ⋅ 10 −5
Absoluter Pegel, da genormter Wert (2⋅10-5 Pa).
Schmerzgrenze = 20 ⋅ lg
20 Pa
= 120dB
2 ⋅ 10 −5 Pa
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]
Pa = I ⋅ F
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
Z0 =
p
v
p … Schalldruck
v … Schallschnelle
Schallabsorption
Diese ist stark frequenzabhängig, gegeben durch die Materialbeschaffenheit und den
geometrischen Anordnungen. Die Schluckfähigkeit wird durch den Absorptionskoeffizienten α
beschrieben, welcher sich auf die absolute Schallschluckung bezieht (0%=totale Reflexion
[Faktor 0], 100% Schluckung → z.B. 1m² offenes Fenster [Faktor 1]).
A=α ⋅F
(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=
V ⋅ k 55 ⋅ 2 ⋅ V
=
AGes
c⋅ A
T…
Nachhallzeit
V…
Raumvolumen
k…
Konstante (0,163)
Ages … Schallschluckung der Gesamtfläche
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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 
R h = 0.051 ⋅  
 T
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
Abbildung 4
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
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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.
Frequenzgang
Er gibt den Amplitudenverlauf in Abhängigkeit der Frequenz an.
Phasengang
Er ist der Verlauf der Phase in Abhängigkeit der Frequenz und wird auch als Gruppenlaufzeit
bezeichnet.
IV. 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 mechanischelektrischen Energieumsetzung.
Prinzip
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LAUTSPRECHER
MIKROFON
Abbildung 5
Abbildung 6
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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
Spannung
induziert,
die
der
Abbildung 7
vorhandenen
permanenten
Magnetfeldes
eine
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
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Tauchspul-Mikrofon
→
Die Induktion B = 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 Magnetfeld
u= N ⋅B⋅v⋅l
Bändchen-Mikrofon
Hier besitzt die „Spule“ im Magnetfeld nur eine Windung. Dieses Mikrofon ist zwar
hochwertig, jedoch gegenüber Stößen und Erschütterungen sehr empfindlich.
B=
Φ
→ Φ = B ⋅ A = B ⋅ s⋅ l
A
u= B⋅v⋅l
dΦ
= B⋅v⋅l
dt
m
V ⋅s
=V
2 ⋅ m⋅
s
m
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
F = B⋅I⋅l
W ⋅s V ⋅s
= 2 ⋅ A⋅m
m
m
B … Induktion im Luftspalt
l … Umfang der Spule
Einsatzbereich: Tiefe bis hohe Frequenzen.
Abbildung 9, Bändchen-Mikrofon
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Abbildung 10, Elektrodynamischer
Lautsprecher
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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
Abbildung 11
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.
C=
εr
ε0
A
d
ε0 ⋅ εr ⋅ A
d
→
U NF =
Q0
C
… relative Dielektrizitätskonstante (materialabhängig)
… absolute Dielektrizitätskonstante (8,85⋅10-12 F/m)
… Fläche der Elektrode
… 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.
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In der Tonstudiotechnik werden solche
Wandler mit Ausnahme der Hallplatte nicht
mehr verwendet.
Abbildung 22
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.
V. 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
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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.
Abbildung 14
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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“.
Abbildung 15
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.
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Feld-Leerlaufübertragungsfaktor, Feld-Betriebsübertragungsfaktor:
Lautstärkeempfindung: L p = 20 ⋅ lg
Übertragungsfaktor =
−
p
[dB ]
p0
U
bei f=1kHz
p
Ausgangsspannung
B
→ a = 20 ⋅ lg
[dB ]
Schalldruck
B0
B0 = 1
V
Pa
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.
a N = 20 ⋅ lg
−
B=
U Signal
U Noise
[dB]
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 Ω.
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 … 16 Ω (25Ω)
♦ Tieftöner:
400 Hz
♦ alle anderen:
1000 Hz
Resonanzabstimmung der Membran bei Mikrofonen
! Empfänger \ Wandler "
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Kondensatormikrofon
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Dynamisches Mikrofon
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Druckempfänger
Druckgradientenempfänger
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Membran hoch abgestimmt
Membran mittig abgestimmt
und reibungsgehemmt
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Membran mittig abgestimmt
Membran tief abgestimmt
VI. 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 = Schwingspulenträger ; 6 = Schwingspule ;
7 = Zentriermembran ; 8 = Kalotte als
Staubschutz ; 9 = Schutzring ;
10 = Membran ; 11 = Membran einspannung mit Sticken oder Scharnier ;
12 = Zuführungslitzen ; 13 = Lautsprecherkorb
Abbildung 16
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 = Schwingspulenträger ; 7 = Kalotte mit Sicken ;
8 = Montageplatten ; 9 = Zuführungslitzen
Abbildung 17
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
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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
Abbildung 18
Kenngrößen von Lautsprechern
− Impedanz: Gibt den Betrag des Scheinwiderstandes des Lautsprechers an. Übliche
Werte sind 4 oder 8 Ω.
− 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
Abbildung 19
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
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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 λ/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]
a=
c
4⋅ fg
c … Schallgeschwindigkeit = 330 m/s
a … kürzester Abstand zwischen Lautsprecher und
äußerer Schallwandkante [m]
λ=
c
f
→
a>
λ
4
→
d>
λ
2
… 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
Abbildung 20
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.
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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
Abbildung 21
Publikum gesendet).
Anpassung von Lautsprechern
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.
Abbildung 22
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
VII. Hörer
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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
Kohlemikrofon
Bändchenmikrofon
(elektrodynamisch)
Tauchspulenmikrofon
(elektrodynamisch)
Kondensatormikrofon
(elektrostatisch)
Elektretmikrofon
(elektrostatisch)
Piezoelektrisches Mikro
(Kristallmikro)
Elektromagnetisches M.
Übertragungsmaß
groß
klein
Frequenzgang
schlecht
sehr gut
Innenwiderstand /
Nennimpedanz
mittel
klein
Hilfsspannung
nötig ?
ja
nein
mittel
gut
klein
nein
klein
sehr gut
groß
ja
klein
sehr gut
groß
nein
mittel
schlecht
sehr groß
nein
klein
schlecht
mittel
nein
Lautsprecher
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Elektrodynamischer L.
Elektrostatischer L.
(Kondensator-L.)
Piezoelektrischer L.
Übertragungsmaß
groß
mittel
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Frequenz - Innenwiderstand / Nenn gang
Nennimpedanz
leistung
gut
klein
groß
gut
mittel
mittel
groß
Hilfsspannung
nötig ?
nein
ja
klein
mittel
klein
nein
Übertragungsmaß
groß
mittel
Frequenz gang
gut
sehr gut
klein
schlecht
groß
sehr klein
nein
klein
schlecht
mittel
sehr klein
nein
Hörer
Elektrodynamischer H.
Elektrostatischer H.
mit Elektretmembran
Piezoelektrischer H.
(Kristallhörer)
Elektromagnetischer H.
Innenwiderstand / Nenn - Hilfsspannung
Nennimpedanz
leistung
nötig ?
klein
sehr klein
nein
mittel
sehr klein
nein
Kenndaten
Dynamik:
Ohr
Orchester
HiFi
UKW-Empfang
Mikrofon
Magnettonaufzeichnung
CD
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130 dB
70 dB
70 dB
65 dB
75 dB
60 dB
90 dB
Lautstärke:
Flugzeugstart
Straßenverkehr
Bürolärm
Normale
Unterhaltung
Wohnung
Flüstern
Waldesruhe, Blätter
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130 Phon
85 Phon
60 Phon
50 Phon
40 Phon
30 Phon
20 Phon
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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
Ausrichtung „auszublenden“. Die Richtwirkung wird graphisch zwei- oder dreidimensional
dargestellt und zeigt die Änderung der Empfindlichkeit bezüglich der Richtung. Die
Richtwirkung beruht weitestgehend auf der Bauweise und kann in gewissen Grenzen variiert
werden. Die Unterscheidung erfolgt nach Druckempfänger und Druckgradientenempfänger
(siehe vorher).
♦ Richtungsfaktor:
Abhängig von der Einfallsrichtung und der Frequenz.
Dimensionslos.
♦ Richtungsmaß:
20⋅lg(Richtungsfaktor), in dB
♦ Bündelungsgrad:
Verhältnis zwischen aufgenommener Leistung und jener, welche
aufgenommen würde, hätte das Mikro bei gleichem
Übertragungsfaktor Kugelcharakteristik.
♦ Bündelungsmaß:
10⋅lg(Bündelungsgrad)
Damit das direkte und diffuse Schallfeld keine Klangfärbungen erhält, sollte die
Richtcharakteristik frequenzunabhängig und der Frequenzgang möglichst gleichmäßig sein.
Frequenzabhängigkeit
Während Nieren und Achten sowie ihre Zwischenformen noch relativ frequenzunabhängige
Richtdiagramme haben, sind Kugel und Keulen für Direktschall vergleichsweise erheblich
frequenzabhängig. Die folgenden Diagramme gelten für 1.000 Hz.
Abbildung 25
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Richtmikrofone
Für den praktischen Einsatz von Richtmikrofonen ist zunächst wichtig, daß die Richtwirkung
nur für Direktschall wirksam ist, also nicht weit über den Hallradius hinaus. Nur im Freien oder
in sehr trockenen Räumen kann demnach ein Mikrofon aus größerer Entfernung Störschall aus
anderen Richtungen als aus derjenigen der Schallquelle ausblenden. In sehr halligen Räumen
können nur Keulen-Richtmikrofone bis zum zwei- bis dreifachen Wert des Hallradius noch
Schall ausblenden. Die Ausblendung von Störschall bzw. Nachhall ist um so besser, je näher
das Mikrofon an die Schallquelle herangebracht wird.
Das Verhältnis von Direktschall zu Diffusschall ist bei der Mikrofonaufnahme ein wichtiges
Kriterium für die Wahl der geeigneten Richtcharakteristik, denn man wünscht sich meist, nur
den Direktschall aufzunehmen.
Vergrößerungsfaktoren
für
die
verschiedenen
Richtmikrofone
bei
gleichem Direktschall /
Diffusschall-Verhältnis wie bei einem
ungerichteten Mikrofon. Der Faktor ist
bei
Keulenrichtcharakteristik
stark
frequenzabhängig: für tiefe Frequenzen
liegt er wie bei der Niere bei rund 1,7 ,
bei hohen Frequenzen steigt er bis etwa
auf den Wert 3,3.
Abbildung 26
Aussteuerung
Dies bedeutet, den Pegel einer Tonaufnahme technisch optimal und im Lautheitsablauf
ausgewogen einzustellen. Einerseits wird der Höchstpegel auf einen bestimmten Wert
eingestellt und die Dynamik an den zur Verfügung stehenden Bereich angepaßt.
Von Vollaussteuerung spricht man bei jenem Pegel, bei dem (bei einer Bezugsfrequenz) die
für das jeweilige Übertragungsglied festgelegten nichtlinearen Verzerrungen noch nicht
überschritten werden. Übersteuerung führt zu diesen nichtlinearen Verzerrungen.
Zur optischen Überwachung des Pegels dienen sogenannte Aussteuerungsmesser. Diese sind
Spitzenspannungsmesser, welche in Effektivwerten geeicht sind.
♦ Regelverstärker
Dies sind Begrenzer (Limiter), um Übersteuerungen zu unterbinden. Sie haben eine
variable Verstärkung, deren Wert vom zu verstärkenden Signal selbst geregelt wird. Der
Begrenzer regelt den Pegel dann zurück (Verstärkung = 1), wenn dieser einen eingestellten
Ansprechpegel (Limiter Threshold) überschreitet.
Bei Sprache (impulshaltige Modulation) ermöglicht ein solcher Begrenzer bei gleichem
Pegel eine größere Lautheit, da man wegen der Unterdrückung von Pegelspitzen höher
aussteuern kann.
Einstellbar sind folgende Parameter:
• Ansprechpegel (Limiter Threshold): Der Pegel, über welchem zurück geregelt
wird.
• Ansprechzeit (Attack): Jene Zeit, die bis zum Einsetzen der Begrenzung vergeht.
• Rücklaufzeit, Hochlaufzeit (Release Time):
Die Zeit, in der nach einer
Begrenzung die ursprüngliche Verstärkung wieder hergestellt wird. Sie
wird pro 10 dB Verstärkung angegeben.
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♦ Kompressor
Er verändert in allen Pegelbereichen die Verstärkung, wobei niedrige Pegel angehoben
werden. Je höher der Pegel, desto weniger stark wird er verstärkt. Somit erreicht man eine
kleinere Differenz zwischen lauten und leisen Pegeln, der Störabstand wird verbessert.
Abbildung 27
Abbildung 28
♦ Expander
Da beim Kompressor auch Störpegel verstärkt werden würden, wird dieser zu dessen
Verhinderung mit einem Expander gekoppelt. Die Verstärkung hängt nun von der Größe des
Pegels ab (Störungen haben ja kleinere Pegel → schwächere Verstärkung → Rauschen wird
gegenüber dem tatsächlichem Signal weitgehendst unterdrückt). Erst danach wird der
Kompressor eingesetzt.
Einstellbare Parameter:
• Expanderverhältnis (Expander ratio):
Kennzeichnet die Steilheit der
Expandergeraden.
• Rotationspunkt (Expander rotation point): Bestimmt den Pegel, über dem das
Signal angehoben wird.
Abbildung 29
Abbildung 30
♦ Kompander(-system)
Dies ist die Kombination aus Expander und Kompressor, mit anschließendem Limiter.
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Ersatz-Schaltbilder
Halterungsmasse = ∞
A … Fläche
p … Druck
K … Kraft
Kel … Kraft innerhalb des Druckkörpers.
v … Schnelle
−
Magnetwandler
♦ Mikrofon:
Vom Schallfeld gesteuerte
Stromquelle.
K
A⋅ P
=
H1
H1
♦ Lautsprecher:
Trägermasse = ∞
−
Wandler mit elektrischem Feld:
♦ Mikrofon:
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Vom Schallfeld gesteuerte Quelle.
♦ Lautsprecher:
CM1, RM1 , LM … ZMech. der
Membran
Berechnungen
Werte bzw. Komponenten können mit den folgenden 3 Messungen bestimmt werden:
# Messung der Eingangsimpedanz bei
Abstrahlung in Luft:
= Gesamtimpedanz des Lautspr. ZGes
Berechnung der Komponenten:
Z El = Z 3
Z Mech = Z 2 − Z 3
Z 1 − Z 3 = Z M || Z Ak = Z p
1
1
1
=
−
Z Ak Z p Z M
$ Messung bei Abstrahlung in
Vakuum:
= Keine Abstrahlung → Zak = ∞
⇓
Z Ak =
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(Z 2 − Z 3 ) ⋅ (Z1 − Z 3 )
(Z 2 − Z1 )
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% Messung bei festgebremster
Membran:
Es wird nichts bewegt und somit nichts
abgestrahlt.
Zak = ∞ ZM = 0
Quellenverzeichnis
Schulbücher:
♦ Svoboda / Trieb: Physik - Band 1. - R. Oldenbourg Verlag Wien
♦ Tabellenbuch - Elektrotechnik … Friedrich … Dümmler-Bonn
Encarta 97
Diverse Referate des Herrn Professor Milfait
Michael Dickreiter: Handbuch der Tonstudiotechnik, Band 1, 5. Auflage. - Saur
Norbert Pawera: Mikrofon-Praxis. - Franzis’
Index
A
M
H
Akustische Leistung · 13
Akustischer Kurzschluß · 24
Aussteuerung · 30
B
Hallradius · 14
Hallzeit · 13
Hörer · 26, 27
I
Belastbarkeit · 24
Berechnung · 34
Beschallung von Räumen · 5
Bündelungsgrad · 29
Bündelungsmaß · 29
D
Impedanz · 23
K
Diffusschall · 14
Direktschall · 14
Dopplereffekt · 5
Druckempfänger · 20
Druckgradientenempfänger · 21
Druckkammerlautsprecher · 23
Dynamik · 14, 29
E
Empfindlichkeit · 21
Ersatz-Schaltbilder · 32
Expander · 31
F
Frequenzabhängigkeit · 29
Frequenzgang · 15
Frequenzweiche · 26
G
Geräuschspannungsfaktor · 21
Gleichgewichtssinn · 7
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Kalottenlautsprecher · 23
Kenngrößen · 11
Kenngrößen von Mikrofone und
Lautsprecher · 29
Kennschalldruck, mittlerer · 24
Klirrfaktor · 15
Kompander · 32
Kompressor · 31
Konuslautsprecher · 22
Kunstkopf · 10
L
Lautheit · 12
Lautsprecher · 22, 27
Lautsprecher, Druckkammer · 23
Lautsprecher, Elektrodynamisch ·
17
Lautsprecher, Kalotte · 23
Lautsprecher, Konus · 22
Lautsprecher, Zusammenschaltung
· 25
Lautsprechern, Kenngrößen · 23
Lokalisierung von Schallsignalen ·
9
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Maskierungen · 9
Messung · 34
Mikrofon · 19, 27
Mikrofon, Bändchen · 17
Mikrofon, Elektret · 20
Mikrofon, Kohle · 20
Mikrofon, Kondensator · 18
Mikrofon, Tauchspul · 16
Mikrofonen, Kenngrößen · 21
Monofonie · 9
N
Nennabschlußimpedanz · 22
Nennimpedanz · 22
Nennscheinwiderstand · 22
O
Ohr - Dynamik · 29
Ohr des Menschen · 6
Ohr und Schall · 8
P
Partialschwingungen von
Membranen · 26
Phantomschallquellen · 8
Phasengang · 15
Phon · 11
R
Regelverstärker (Begrenzer,
Limiter) · 31
Resonanzabstimmung der
Membran · 22
Resonanzfrequenz · 24
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ElektroAkustik
Richtcharakteristik · 29
Richtmikrofone · 30
Richtungsfaktor · 29
Richtungsmaß · 29
S
Schall · 3
Schallabsorption · 13
Schalldruck · 12
Schalldruckpegel · 13
Schalleistung · 12
Schallintensität · 12
Schallschnelle · 4
Schallwand · 25
MILFAIT, NT
1997 / 98
Schallwellenwiderstand · 13
Schwebung · 8
Stereofonie · 10
Störabstand · 14
Störpegel · 22
Ü
Übertragungsbereich · 24
Übertragungsfaktor · 21
V
BIDMON Wolfgang, 5HNA
W
Wandler · 15
Wandler, dielektrisch · 18
Wandler, elektrodynamisch · 16
Wandler, elektromagnetisch · 16
Wandler, elektrostatisch · 18
Wandler, magnetostriktiv · 17
Wandler, piezoelektrisch · 18
Wandlern, Allgemeines · 19
Verdeckungseffekte · 9
HTBL Wien X
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