Audiovisuelle Technik – Skript zur Vorlesung Akustik MI, 1. Semester

Audiovisuelle Technik (Hartz)
MI, 1. Semester
WS 2000/2001
Audiovisuelle Technik – Skript zur Vorlesung
Akustik
Akustik ist die Wissenschaft vom Schall.
MI, 1. Semester
Schall
Schall sind Schwingungen der Luft (Luftschall) oder eines Körpers im hörbaren Bereich. Die
Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft beträgt bei 20°C 343,8m/s.
Schalldruck, Schallpegel
Schalldruck ist der durch die Schallschwingungen hervorgerufene Druck. Die Einheit des Drucks
ist [N/m 2 ], [µbar] oder [Pa]. Es gilt: 1N/m 2 = 1µbar = 1Pa.
Die Schalldruckwerte im Hörschall umfassen einen sehr großen Zahlenbereich, der von der Hörschwelle
mit etwa 0,00002Pa bis zur sogenannten Schmerzgrenze mit etwa 100Pa reicht.
Um den großen Zahlenbereich besser fassen zu können, verwendet man meist den Schalldruckpegel
oder Schallpegel.
Der Schallpegel ist das 20fach logarithmierte Verhältnis des gemessenen Schalldrucks zu einem
Bezugsschalldruck. Seine Einheit ist [dB].
Bezugswert ist die Hörschwelle bei einem Ton von f=1kHz: p 0 =20µPa.
Somit gilt für den Schallpegel: L=20lg(p/p 0 ) [dB].
Hörschwelle 20µPa 0dB
200µPa 20dB
1mPa 34dB
2mPa 40dB
200mPa 80dB
1Pa 94dB
100Pa 134dB
Schmerzgrenze 200Pa 140dB
Durch die Einführung des Schallpegels ist der Zahlenbereich (gegenüber dem Schalldruck) kleiner
geworden, zudem entspricht der Schallpegel besser dem menschlichen Schallstärkeempfinden.
Da das Gehör den Schalldruck auch in Abhängigkeit von Frequenzen bewertet, hat man den
„bewerteten Schallpegel“ eingeführt, der entsprechend den Eigenschaften des Gehörs besonders
die Frequenzen zwischen 500Hz und 5000Hz berücksichtigt.
Der bewertete Schallpegel ist also ein frequenzabhängiger Schallpegel.
Lautstärke
Eine Schallwelle, die auf das Ohr trifft, ist eindeutig physikalisch definiert. Nun kommen jedoch
die subjektiven Eigenschaften des Ohrs und des Gehirns hinzu und damit entsteht aus den eindeutig
definierten Größen eine Empfindung.
Um über das Hörereignis gültige Aussagen machen zu können müssen die Aussagen von Versuchspersonen
ausgewertet werden.
Durchläuft ein Sinuston mit konstantem Schalldruckpegel Lp von z. B. 60dB den gesamten hörbaren
Frequenzbereich, so bleibt der Ton keinesfalls gleichlaut. Er wird mit steigender Frequenz
zunächst lauter und über etwa 4kHz wieder leiser. Um diese Feststellung für verschiedene Laut-
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stärken genau zu erfassen , hat man die Kurven gleicher Lautstärkepegel ermittelt. Sie geben
in Abhängigkeit der Frequenz den Schalldruckpegel an, der die jeweils gleiche Lautstärke hervorruft
und beschreiben damit die wichtigste Eigenschaft des menschlichen Gehörs.
Jeder Kurve wird ein bestimmter Lautstärkepegel zugeordnet, der in Phon angegeben wird. Für
1kHz stimmen Schalldruckpegel (in dB) und Lautstärkepegel (in Phon) zahlenmäßig überein.
Mikrofone
Mikrofone wandeln Schallschwingungen der Luft in elektrische Schwingungen (akustischelektrischer
Wandler). Dabei werden Schallschwingungen zunächst in mechanische Schwingungen
einer Membran und anschließend in elektrische Schwingungen umgewandelt.
Im Interesse eines großen Abstandes zwischen Stör- und Signalspannung (= Signal-Rausch-
Abstand) soll die Membran und die Membranauslenkung möglichst groß sein. Bei zu großer
Membranauslenkung entstehen aber nichtlineare Verzerrungen, unter anderem dadurch, daß die
Membran durch ihre Trägheit den Schallschwingungen nicht mehr exakt folgen kann.
Wandlerprinzipien
• elektrostatisches Prinzip (Kondensatormikrofon)
• elektrodynamisches Prinzip (Tauchspulenmikrofon)
Kondensatormikrofon
Die Kapazität eines Plattenkondensators beträgt:
ε ⋅
r
⋅ A
C = 0
ε
=
d
Q
U
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Zwischen den Platten eines Kondensators mit konstanter Ladung Q tritt eine Spannungsänderung
auf, wenn sich der Plattenabstand und damit C ändert. Ein Kondensator besteht aus einer feststehenden
Gegenelektrode und einer beweglichen Membran, die in sehr geringem Abstand (ca.
10µm) voneinander entfernt angebracht sind.
Mittels einer Kapselvorspannung U 0 wird die Kondensatorkapsel mit ihrer Ruhekapazität C 0
über einen Widerstand R aufgeladen.
Die von dem Mikrofon abgegebene Wechselspannung ist in ihrer Größe von der Auslenkung der
Membran direkt abhängig.
Das Gewicht der Membran liegt bei wenigen Milligramm, was ganz wesentlich die hohe Qualität
des Kondensatormikrofons begründet.
Das Einschwingverhalten ist um so besser, je leichter die Membran ist.
Prinzipieller Aufbau eines Kondensatormikrofons
Isolatoren
Schall
Gegenelektrode
R
U Mod
Membran
U 0
Das Kondensatormikrofon bietet hohe Qualität, hat eine weitgehend linearen Übergangsfaktor
und geringe Verzerrungen.
Es benötigt eine Betriebsspannung zum Erhalt der Ladung und zur Versorgung des Verstärkers
im Mikrofon.
Warum benötigt man einen Verstärker im Mikrofon?
Kabelkapazität
Bsp.: C K ≈100µF
R
U Mod
Mikrofonkapazität
Bsp.: C 0 ≈100µF
Durch den Einfluß des Kabels mit der Kabelkapazität C
K
geht die Ausgangsspannung des Mikrofons
mit zunehmender Kabellänge zurück.
Beispiel: Ein Kabel von einem Meter Länge würde die Nutzspannung bei C ≈ 0
100µ
F und
C K
≈ 100µF
schon um die Hälfte verringern.
Der Einbau eines Trennverstärkers
in das Mikrofonge-
Trenn-
Mikrofongehäuse
häuse trennt die Mikrofonkapsel
und das Kabel Rück-
R
verstärker
kopplungsfrei. Die Kabelkapazität
hat damit praktisch
0
U Mod
C
keinen Einfluß mehr auf die
Größe der abgegebenen Spannung.
U 0
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Phantomspeisung
Bei der Phantomspeisung wird die Versorgungsspannung
des Mikrofons von 12V oder 48V gleichzeitig über beide
Adern und über die Kabelschirmung dem Mikrofon zugeführt.
Der Versorgungstrom fließt vom Mikrofonnetzgerät
je zur Hälfte über beide Tonadern und über den Kabelschirm
zurück zum Netzgerät.
Da der Versorgungsstrom keine Spannungsdifferenz zwischen
den Adern erzeugt, haben auch Schwankungen der
Versorgungsspannung keinen Einfluß auf das Tonsignal.
Dynamische Mikrofone
Symetrisches Mikrofonkabel
zwischen den beiden Adern (rot
und blau) wird das Signal übertragen.
Die Versorgungsspannung
liegt zwischen dem Schirm und
dem Adernpaar (auf beiden
Adern gleichzeitig).
dΦ
Die Wirkung der dynamischen Mikrofone beruht auf dem Induktionsgesetz U = n ⋅ .
dt
In einem quer zu den Feldlinien eines Magneten bewegten elektrischen Leiter wird eine Spannung
Induziert.
Prinzip des Tauchspulenmikrofons:
Bei den dynamischen Mikrofonen wird in dem
N
Feld eines Permanentmagneten eine Spule von
der Membran bewegt. Die Ausgangsspannung an
Dauermagnet den Klemmen der Schwingspule ist der Bewegungsgeschwindigkeit
der Spule proportional.
Schall
Damit wird der Frequenzgang etwas unregelmäßig.
S
Wegen der – verglichen mit den Kondensatormikrofonen
– wesentlich größeren Masse von
Spule
Membran und Schwingspule ist das Einschwingverhalten
bei Tauchspulenmikrofonen langsamer.
Membran
N
Fazit
Bei Hohe Qualitätsanforderungen werden deshalb Kondensatormikrofone bevorzugt. Dynamische
Mikrofone benötigen jedoch keine Speisespannung.
Richtcharakteristik
Druckempfänger
Schall
Kleine Öffnung
Membran
Gehäuse
Bei Druckempfängern ist nur die Vorderseite der Membran dem
Schallfeld ausgesetzt. Die Membran spricht auf alle an ihrer Oberfläche
auftretenden Schalldruckschwingungen an, gleichgültig, in welcher
Richtung sich die Schallwellen ausbreiten.
Druckempfänger bezeichnet man deshalb als ungerichtet und haben
eine Kugelcharakteristik. Durch die sehr kleine Druckausgleichsöffnung
ist gewährleistet, daß der Druck im Inneren des Mikrofons den
langsamen Änderungen des atmosphärischen Luftdrucks folgen kann.
Und dadurch wird erreicht, daß der Innendruck gleich dem atmosphärischen
Druck ist.
Die Richtcharakteristik eines Mikrofons erfährt durch zwei Phänomene
Abweichungen von ihrer idealen Form. Sie wirken sie nur im Bereich
hoher Frequenzen aus.
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1. Abschattung von Schall, der rückwärtig oder von der
Seite das Mikrofon trifft.
Schall wird nur dann um ein Hindernis gebeugt, wenn die
Schallwellenlänge groß ist im Verhältnis zur Hindernisgröße.
Ist die Wellenlänge eines auf der Rückseite der
Kapsel produzierten Schalls kleiner als der Durchmesser
der Mikrofonkapsel, so entsteht ein mit steigender Frequenz
stärker werdender Schallschatten vor der Membran.
Somit folgt mit zunehmender Frequenz eine Ausrichtung
der Richtcharakteristik.
2. Interferenzerscheinungen
Ist die Membran in der
Größenordnung der
Phasendifferenz
Schallwellenlänge, so
treffen senkrecht von vorne kommende Schallwellen auf die gesamte
Membranfläche gleichphasig auf. Schräg aufkommende
Schallwellen treffen hingegen mit unterschiedlicher Phasenlage
auf die einzelnen Membranzonen auf, was zu einer teilweise
Aufhebung der Auslenkung führt. Der Interferenzeffekt engt die
Membran
Richtcharakteristik auf eine Keulenform ein.
Schallschattung und Interferenz ließen sich dadurch vermeiden, daß der Durchmesser der Empfängerkapsel
kleiner gewählt wird als ein Viertel der Wellenlänge der höchsten zu übertragenden
Frequenz ( ≈ 16 kHz ⇒ λ = 2,15
min
cm ). Dagegen steht jedoch die Forderung nach einer möglichst
großen Empfindlichkeit.
Druckgradientempfänger
Bei einem Mikrofon, bei dem der Schall nicht nur zur Vorderseite der
Membran, sondern auch zur Rückseite Zutritt hat, entsteht die Membranauslenkung
durch eine zwischen Vorder- und Rückseite auftretende
Schall
Druckdifferenz, es handelt sich also genaugenommen um einen Druckdifferenzenempfänger.
Der Druckgradientempfänger in seiner einfachsten Form besteht aus einer
beidseitig für den Schall zugänglichen Membran. Eine solche Anordnung
hat 8-Charakteristik. Denn seitlich eintreffender Schall läßt keine Druckdifferenz an der Membran
entstehen.
Durch akustische Laufzeitglieder zwischen Membran Vorder- und Rückseite können Mikrofone
mit Nierencharakteristik gebaut werden.
Schall von vorne Schall von hinten Schall von der Seite
Membran
Membran
Membran
Membran
Laufzeitglied
Bei Laufzeitunterschied von
½λ: maximale Auslenkung
Laufzeitglied
Laufzeit zur Vorder- und
Rückseite etwa gleich, deshalb
keine Membranauslenkung.
Laufzeitglied
Keine Laufzeitendifferenz zur
Vorder- und Rückseite, deshalb
keine Membranauslenkung.
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Die Membranauslenkung ist Frequenzabhängig. Zunächst steigt sie mit der Frequenz an. Maximal
ausgelenkt wird die Membran, wenn die mittlere Wegdifferenz zwischen Membranvorderund
-rückseite eine halbe Wellenlänge (Phasendifferenz 180°) entspricht. Bei größerer Phasendifferenz
wird die Auslenkung wieder geringer.
Um eine Membranauslenkung zu erhalten, die
von der tiefsten bis zur höchsten zu übertragenden
Frequenz (in einfacher Weise / linear) zunimmt,
wird die mittlere Wegdifferenz zwischen
Membranvorder- und -rückseite so festgelegt,
daß sie der halben Wellenlänge der
höchsten zu übertragenden Frequenz entspricht.
Damit arbeitet das Mikrofon im ansteigenden
Teil der Frequenzkurve.
Druckgradient in dB
Gewünschter Verlauf der Membranauslenkung
- Im hörbaren
Bereich linear
steigend
20
f in kHz
1
2 3
R U Mod
Umschaltung der Richtcharakteristik
Ein Mikrofon mit nebenstehender Schaltung kann zwischen
drei Richtcharakteristiken umgeschaltet werden.
Schalterstellung Spannung / Potential Summierung der
Richtcharakteristik
1 Gleiche Spannung an Zwei Nieren, die sich
beiden Elektroden. addieren.
2 Gleiche Spannung mit Zwei Nieren, die sich
entgegengesetzem Vorzeichen.
subtrahieren
3 Nur eine Membran hat Eine Niere.
Spannung
Richtcharakteristik des
Mikrofons
Kugelcharakteristik
Acht-Charakteristik
Eine Niere
Dreidimensionale Darstellung und Richtbilder einiger Richtcharakteristika
Kugel
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Niere
Acht
Keule
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Hyperniere
Richtrohr
Beim Richtrohr-Mikrofon gelangt der Schall durch
unterschiedlich lange Rohre zur Membran. Trifft der
Schall von vorne auf das Mikrofon, so treffen die
Schallwellen gleichzeitig (und damit gleichphasig)
auf die Membran.
Trifft der Schall von der Seite auf das Mikrofon, so
hat der Schall über die unterschiedlich langen Rohre
unterschiedlich lange Wege zurückzulegen. Der
Gesamtdruck auf die Membran ist dann kleiner.
Stereophonie
Es gibt verschiedene Arten, klang räumlich mit
zwei Kanälen aufzunehmen, z. B.:
• Intensitätsstereophonie: Hierbei sind Intensitäts-
bzw. Pegelunterschiede zwischen den Stereosignalen
L (links) und R (rechts) für das Zustandekommen
des stereophonen Klangbildes
maßgebend.
• Laufzeitstereophonie: Das Stereosignal wird aus Laufzeitunterschieden zwischen den Signalen
zweier voneinander distanzierter Einzelmikrofone gewonnen.
• Einzelmikrofonverfahren: Dabei wird im Nahbereich jeder Schallquelle ein Mikrofon aufgestellt,
dessen Abbildungsrichtung mit dem Panpot (Panorama-Potentiometer, Regler am
Mischpult, mit dem man bestimmen kann, zu wieviel Prozent das Eingangssignal auf die
beiden Stereokanäle verteilt werden soll) eingestellt wird.
Intensitätsstereophonie
Um ausschließlich Pegelunterschiede zwischen den beiden Stereokanälen zu erhalten plaziert
man zwei Mikrofone sehr dicht zueinander, so daß praktisch keine Wegunterschiede für den einfallenden
Schall auftreten.
Es gibt 2 Möglichkeiten für dieses Verfahren:
Schall von 0°
Schall von ≠0°
Membran
Membran
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Beim MS-Verfahren wird eine Mikrofonkapsel des Koinzidenzmikrofons
(Mikrofon mit zwei unabhängigen eng beieinanderliegenden
Kapseln) wie bei einer Monoaufnahme
direkt auf den Klangkörper ausgerichtet. Dieses Mikrofon
mit Nierencharakteristik liefert das M-Signal (Mitte). Die
zweite Kapsel hat Acht-Charakteristik und wird um 90° zur
M-Kapsel gedreht und damit nach links und rechts ausgerichtet.
Diese zweite Kapsel nimmt vorwiegend die Seiteninformationen
-S und +S auf.
0° Mittensignal Diese Mikrofonanordnung
erzeugt
die Signale für die
beiden Stereokanäle
nicht unmit-
90°
Seitensignal
180°
270°
Klangkörper
Aufnahmeraum
Stereobasis
Widergaberaum Zuhörer
telbar, sondern
diese werden erst
durch die Summen-
und Differenzbildung
aus M- und S-Signal gewonnen: L=M+S
und R=M-S.
Überträgt man die beiden Signale an eine Monoanlage,
so fallen die Seitensignale weg. Das MS-Verfahren ist absolut monokompatibel, da nur das
Mittelsignal bleibt: (M+S)+(M-S)=2M.
60°
Beim XY-Verfahren haben beide Mikrofonkapseln
die gleiche Richtcharakteristik, meist Niere. Beide
Kapseln werden um den gleichen Winkel bezüglich
der Mittelachse nach links bzw. nach rechts gedreht.
Links ist das X-System, rechts das Y-System.
X-Signal
0°
Y-Signal
90° 270°
Laufzeitstereophonie
Durch den Abstand zweier Mikrofone erhält man unterschiedliche Laufzeiten des Schalls zu den
Mikrofonen. Befindet sich die Schallquelle genau in der Mitte zwischen den Mirkofonen, so gibt
es keinen Laufzeitunterschied, man erhält identische Signale
auf beiden Kanälen.
Befindet sich die Schallquelle auf einer Seite (z. B. links), so
ist der Schall am linken Mikrofon früher als am rechten.
Durch diese Wegstreckendifferenz erhält man Laufzeitenunterschiede.
Im Beispiel eilt das L-Signal dem R-Signal vor,
die Schallquelle wird in der linken Hälfte der Stereobasis abgebildet.
Aufnahmeraum
Durch den Versatz der Mikrofone erhält man neben Laufzeitunterschieden
auch Intensitäts- und Pegelunterschiede.
Klangkörper
180°
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Anpassung
Beim Zusammenschalten von zwei Geräten hat das Verhältnis
von Ausgansimpendanz zu Eingangsimpedanz
Einfluß auf die Dämpfung / Verstärkung und die (lineare
und nichtlineare) Verzerrung.
Bei den Ein- und Ausgangsimpedanzen handelt es sich im Allgemeinen um frequenzabhängige
Widerstände, die für die Frequenz 1kHz angegeben werden.
Aus der Zeichnung ist sichtbar, daß zwischen den
Spannungen und den Impedanzen folgender Zusammenhang
besteht:
U
0
Z
A
+ Z
=
U Z
E
E
Leistungsanpassung
E
Anpaßbedingung: Z
1
A
= Z
E
⇒ U
E
=
2
U
0
Für Tonstudiotechnik ist die Leistungsanpassung unzweckmäßig, da durch den großen Frequenzbereich
und wechselnde Lasten (z. B. Parallelschaltung mehrerer Geräte) Die Anpaßbedingung
Z = Z nicht einzuhalten ist.
A
E
Spannungsanpassung
Impedanz: Innenwiderstand eines
Geräts. Die Impedanz ist Frequenzabhängig
und wird mit dem
Buchstaben Z abgekürzt.
Anpaßbedingung: ZE
>> Z
A
⇒ U
E
≈ U0
(in derPraxis genügt ZE
> 10 ⋅ Z
A
)
Die Spannung wird in voller Höhe weitergegeben. Der Vorteil: Die Impedanzen müssen nicht
genau definiert sein, es genügt, wenn sie die vorgegebenen Höchst- und Mindestwerte nicht
überschreiten. Damit spielt die Frequenzabhängigkeit der Impedanz keine Rolle mehr. Die
parallele Zusammenschaltung von mehreren Eingängen ist solange möglich, bis die
Gesamtimpedanz nicht die definierten Minima und Maxima überschreitet.
In der Tonstudiotechnik wird in der Regel Spannungsanpassung verwendet.
U 0
Z A
Z E
mit U E
Beispiele
CASS TB
Dieses Beispiel
funktioniert, da
die Eingangsimpedanzen
parallel
geschaltet
TMP sind. Die Gesamtimpedanz
wird über die Kehrwerte berechnet und ist
kleiner als die kleinste einzelne Eingangsimpedanz.
Trotzdem bleibt die Gesamtimpedanz
wesentlich größer als die
Ausgangsimpedanz.
MD DISC
Wenn einer der beiden
Zuspieler gestartet wird,
so liegen seinem Ausgang
der Eingang des
Verstärkers und der
Ausgang des anderen
Gerätes entgegen. Auch
hier ist die Gesamtimpedanz der Eingänge
kleiner als die kleinste einzelne Eingangsimpedanz.
Da der inaktive Zuspieler
eine gleichgroße Ausgangsimpedanz wie der
verwendete Zuspieler hat, ist die Eingangsimpedanz
ähnlich groß wie die Ausgangsimpedanz.
Man hört zwar etwas, allerdings
nur sehr leise. Dieses Beispiel funktioniert
nicht!
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Mikrofondaten
Zur Beurteilung der Mikrofoneigenschaften veröffentlichen die Hersteller im Datenblatt alle
wichtigen Werte. Anhand dieser Daten sollte man entscheiden können, welches Mikrofon für
welchen Zweck eingesetzt werden kann. Die subjektiven Eigenschaften eines Mikrofons, zum
Beispiel die Klangeigenschaft, kann man natürlich nicht dem Datenblatt entnehmen.
Folgende Daten sollten auf einem Mikrofon-Datenblatt stehen:
Wandlerprinzip
dynamisch oder elektrostatisch – siehe weiter vorne im Skript.
Akustische Arbeitsweise
Druckempfänger oder Druckgradient – siehe weiter vorne im Skript.
Richtcharakteristik
Kugel, Niere, Acht oder Keule – siehe weiter vorne im Skript.
Impedanz / Nennimpedanz
Die Impedanz eines Mikrofons ist der von außen meßbare frequenzabhängige Wechselstromwiderstand.
Dieser Wert ist wichtig, um das Mikrofon an den nachfolgenden Verstärker anzupassen.
Die Impedanz bei Studiomikrofonen beträgt maximal 200Ω, in der Regel um 40Ω.
Abschlußimpedanz
Dies ist die kleinste zulässige Eingangsimpedanz des nachfolgenden Verstärkers. Sie beträgt ca.
1000Ω.
Feldübertragungsfaktor / Empfindlichkeit
Der Feldübertragungsfaktor gibt an, wie groß die Ausgangsspannung bei einem Schalldruck von
1Pa ist. Der Feldübertragungsfaktor ist frequenzabhängig und wird für f = 1kHz angegeben.
Übertragungsbereich
Der Übertragungsbereich ist das vom Hersteller angegebene zur Schallaufnahme ausnutzbare
Frequenzband. Er wird in Form eines Diagramms angegeben.
Beispiel eines Übertragungsbereich-Diagramm
Störspannung / Eigenstörspannung
Unter der Eigenstörspannung versteht man die Ausgangsspannung des Mikrofons, wenn ihm
kein Schall zugeführt wird. Die Störspannung entsteht durch Temperaturunterschiede, verbaute
elektrische Bauteile und ähnliche Einflüsse.
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Geräuschspannung
Die Geräuschspannung ist die bewertete vom Mikrofon abgegebene Eigenstörspannung. Eine
Störspannung wird durch das menschliche Ohr bei 2kHz als wesentlich störender Empfunden,
als eine gleichgroße Störspannung bei 5Hz oder 15kHz.
Daraus folgt: Rauschen im Bereich von 1kHz bis 8kHz wird überbewertet, außerhalb dieses Bereichs
wird das Rauschen unterbewertet.
Grenzschalldruckpegel
Der Grenzschalldruckpegel ist der maximale Schalldruckpegel, dem ein Mikrofon ausgesetzt
werden kann, ohne daß ein bestimmter Klirrfaktor überschritten wird.
Aufnahmepegel unterhalb des Grenzschalldruckpegels:
Unverzerrte Widergabe
OUT
Aufnahmepegel über dem Grenzschalldruckpegel:
Verzerrte Widergabe
OUT
IN
Linearer Verlauf
Verstärker-Kennlinie
IN
Linearer Verlauf
Verstärker-Kennlinie
Klirrfaktor
Der Klirrfaktor ist das Maß für die nichtlineare Verzerrung. Er gibt das Verhältnis von den bei
Verzerrung entstehenden Oberwellen zum Nutzsignal an. Studiomikrofone haben einen Klirrfaktor
von etwa 0,5%, das heißt, daß die Amplitude der Oberwellen maximal 0,5% der Amplitude
des Nutzsignals betragen.
Seite 12
12.12.2000 22:38 (Jens Kuttig)

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Leitungen
Zur Leitungsverbindung gibt es drei verschiedene Möglichkeiten:
symmetrisch aber nicht erdfrei
a
R R R R
b
Schirm
Die Adern a und b führen stehts gleich großes, aber entgegengesetztes Potential (gegen Erde).
Dies hat zur Folge, daß Störspitzen sich bei der späteren Addition aufheben:
A
Signal a
A
t Signal b
Signal a+b
Störung - wirkt auf
t
beide Signale identisch
symmetrisch und erdfrei
b
a
Schirm
Symmetrisch und erdfreie Ein- und Ausgänge haben zum 0V-Potential (Masse, Erde) keine
elektrische Verbindung, sie sind galvanisch getrennt. Gleichspannungen werden so nicht übertragen.
Deshalb können keine Brummschleifen entstehen und Phantomspeisung wird möglich.
asymmetrisch (nicht erdfrei)
R
a
Schirm
R
Bei asymmetrischen Verbindungen liegt die Spannung zwischen dem Schirm und nur einer Ader
an. Da man hier nicht mit Differenzen arbeiten kann, können Störungen nicht herausgefiltert
werden. Cinch-Kabel an der Home-Hifi-Anlage sind zum Beispiel asymmetrische Verbindungen.
12.12.2000 22:38 (Jens Kuttig) Seite 13

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Pegel
Für die Angabe von Spannungen und Spannungsverhältnissen (Verstärkung und Dämpfung) und
Schalldruckverhältnissen wird in der Tonstudiotechnik das Pegelmaß verwendet. Dies hat mehrere
Vorteile:
• Berechnungen sind leichter durchzuführen, denn durch den Logarithmus geht Multiplikation
in Addition und Division in Subtraktion über.
• Die Kennlinie des menschlichen Gehörs verläuft annähernd logarithmischen und nicht linear.
Deshalb entspricht das Pegelmaß unserem Hörempfinden besser.
Leistungspegel
Der Relative Leistungspegel P in dB ist
definiert als der zehnfache dekadische
Logarithmus des Verhältnisses von
Ausgangsleistung P
2
zu Eingangsleistung P
1
:
P2
P = 10lg [ dB]
P
Relativer Spannungspegel
Ersetzt man die Leistungen P
1
und P
2
durch
Seite 14
1
2
2
U1
U und
2
R1
R2
Eingangs- und Ausgangsspannungen berechnen:
2
U ⋅ R
2 1
U
2
10lg 20lg 10 lg R
P =
= +
2
U ⋅ R U R
1
2
1
, so läßt sich der Pegel auch aus den
R
Für R
1
= R2
folgt 10lg 1
= 0 . Damit erhalten wir die Formel für den relativen Spannungspegel:
R2
U
2
P = 20lg [ dBr
]
U
Zahlenbeispiele
relativer Verstärkungsfaktor
Verhältnis
U
Spannungspegel
2
zu U1
0dB 1 U
2
= U1
6 2 U
2
= 2U
1
12 4 U
2
= 4U
1
-12 0,25 1
U
2
=
4
U1
20 10 U
2
= 10U
1
Absoluter Spannungspegel
Der Kehrwert des Spannungsverhältnisses ergibt den gleichen Pegelwert, jedoch mit negativem
Vorzeichen.
Legt man eine der beiden Spannungen, zum Beispiel U
1
als konstanten Bezugswert U
0
mit
definierter Größe fest, so erhält man den absoluten Spannungspegel.
Aus praktischen und historischen Gründen hat man in der Nachrichtentechnik eine
Bezugsspannung von U = 0,775
0
V gewählt. Die Einheit des absoluten Spannungspegels ist
dB
m
. (Das “m” kommt daher, weil diese Spannung an einen 600Ω-Widerstand angelegt werden
mu0, um 1mW umzusetzen.)
1
Eingangsleistung P 1
Ausgangsleistung P 2
R 1
U 2
R 2
U 1
1
2
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Es gilt also: 0dB
m
entspricht 0,775V.
Anstelle von dBm wird heute oft die Einheit
dB
U
gewählt, da es sich um einen Pegelbezug auf
eine Spannung handelt.
Studiopegel
Pegelangaben werden in der Tontechnik entweder als absoluter Spannungspegel in dBm bzw.
dBu gemacht, oder aber sie werden auf eine Spannung bei Bollaussteuerung (1,55V) bezogen.
Dies ist der sogenannte Rundfunknormpegel oder Studiopegel. Er ist der Pegel bei
Vollaussteuerung. Deshalb haben alle Pegelangaben im Arbeitsbereich die die auf
Vollaussteuerung bezogenen negativen Werte.
U
1,55V
Zusammenhang zwischen Studiopegel und absolutem Pegel:
P P − 6dB
Studiopegel: P = 20lg [ dB]
= U
Beide Pegelangaben sind üblich und man muß zwischen den Angaben genau unterscheiden. Die
Vollaussteuerung liegt beim Studiopegel bei 0dB, beim absoluten Pegel bei +6dB.
Flachbandregler
+15dB
+10dB
+5dB
0dB
-5dB
-10dB
-15dB
-∞dB
Verstärkung
Dämpfung
Abblendbereich
Arbeitsbereich
An Mischpulten werden normalerweise Flachbandregler eingesetzt.
Ist der Pegel auf 0dB eingestellt, wird das Signal unverändert
weitergegeben, im Bereich darüber wird es verstärkt, im Bereich
darunter gedämpft.
Voltage-Controll-Amplifier
Heutige Mischpulte werden meist mit Voltage-Controll- Potentiometer
Amplifiern (VCA) gebaut. Dies hat den Vorteil, daß das Tonsignal
selbst nicht über das Stellglied geht und somit dort auch
keine störenden Effekte auftreten können. Anstelle dessen wird
das Tonsignal einem Verstärker zugeführt, dessen Verstärkungsmaß
über eine extern veränderbare Gleichspannung ge-
In
steuert wird. Diese Steuerspannung wird über den Flachbandregler
(dem Stellglied) eingestellt.
Vorteile dieser Anordnung sind:
• Steuerung und Signalregelung können räumlich getrennt sein
• Zugriff auf die Pegelsteller ist von verschiedenen Bedienplätzen aus möglich
• Möglichkeit zur Automatisierung.
Steuerstromkreis
Tonsignal
VCA
Out
12.12.2000 22:38 (Jens Kuttig) Seite 15

Audiovisuelle Technik (Hartz)
MI, 1. Semester
WS 2000/2001
Dynamik
Unter Dynamik versteht man die Differenz vom höchstem zum niedrigsten Pegel des Nutzsignals.
Der Dynamikbereich des menschlichen Ohrs beträgt etwa 130dB.
Musik kann diesen Dynamikbereich theoretisch auch erreichen, da aber Umgebungsgeräusche in
selbst ruhigen Räumen einen Pegel von 20dB bis 30dB haben, ist die natürliche Originaldynamik
eingeengt. Bei Musikaufnahmen kommen weitere (technisch bedingte) Dynamikeinschränkungen
dazu. So erreichen analoge Aufzeichnungsverfahren nur eine Dynamik von maximal 70dB.
Bei Aufnahmen muß der Dynamikbereich deshalb sinnvoll eingeengt werden, man muß den Dynamikbereich
des Orchesters auf die 70dB des Aufnahmesystems „schrumpfen“.
Regelverstärker
Regelverstärker sind Verstärker, die die Verstärkung in Abhängigkeit
der Größe des Eingangspegels selbstständig regeln.
Regelverstärker haben also keine fest einstellbare Verstärkung
wie übliche Verstärker, sondern eine pegel- und zeitabhängige
Gleichrichter
veränderte Verstärkung. Die Pegelabhängigkeit der Verstärkung beziehungsweise Dämpfung
wird durch eine Kennlinie beschrieben. Die zeitliche Veränderung kann durch wählen einer Ansprechzeit
(Attachtime) und Abklingzeit (Releasetime) eingestellt werden.
Kompressor
Ein Kompressor ist ein Regelverstärker. Er Arbeitet bei kleinen Pegeln mit Pegelanhebung, bei
großen Pegeln mit Pegeldämpfung. Übersteigt das Eingangssignal einen bestimmten Wert
(Threshold) wird die Verstärkung des Kompressors
verringert, das Ausgangssignal wird also
gedämpft. Die Threshold liegt in der Regel einige
Dezibel unter Vollaussteuerung beziehungsweise
unter dem erlaubten maximalen Pegel. Der
Anstieg des Eingangssignals, der ein um 1dB
höheres Ausgangssignal zur Folge hat wird mit
Compression Ratio bezeichnet.
Eine Compression Ration von 4:1 bedeutet zum
Beispiel, daß eine Erhöhung des Eingangssignals
um 4dB zu einer Erhöhung von nur 1dB am
Ausgang führt. Dies gilt natürlich nur für Signale,
die über der Threshold liegen. Unterhalb der
Threshold arbeitet der Kompressor im Verhältnis
Ausgangspegel in dB
-30 -20 -10
VCA
OUT
Steuerung
1:1, also mit 0dB Verstärkung. Lag der maximale Pegel vor der Kompression bei Vollausssteuerung,
dann liegt der maximale Pegel nach der Kompression mit einer Threshold von –20dB und
einer Ration von 2:1 bei nur noch –10dB. Um diesen Betrag wird nun die Gesamtverstärkung
erhöht. Der minimale Pegel ohne Kompression wird damit ebenfalls um 10dB angehoben, was
einer Dynamikverringerung von 10dB gleichkommt.
Die Ration eines Kompressors kann im Bereich von 2:1 bis 8:1 liegen. Bei höheren Werten
spricht man von Limiter.
Das Gegenteil eines Kompressors ist ein Expander. Er vergrößert den Dynamikbereich.
0
-40
IN
"fertige Kurve"
ohne Kompressor
Gain / Hub
Ratio
(= Steigung)
Threshold
-40 -30 -20 -10
Eingangspegel in dB
Kompression 2:1
(noch ohne Hub)
0
eingeengter
Dynamikbereich
ursprünglicher
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12.12.2000 22:38 (Jens Kuttig)

Audiovisuelle Technik (Hartz)
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WS 2000/2001
Attachtime und Releasetime
Ändert sich das Eingangssignal sprunghaft, so verändert der Kompressor dies kontinuierlich. Die
Zeit, die der Regelverstärler zum Ansprechen benötigt,
wird Attachtime genannt.
Die Attachtime ist die zeit, in der das Eingangssignal
beim überspringen der Threshold am Ausgang des
Regelverstärkers um 63% der Amplitudendifferenz
zum Ausgeregelten Signal gefallen ist. Umgekehrt gibt Attachtime
die Releasetime die Zeit an, die nach dem Unterschreiten
der Threshold vergeht, bis der Hub 63% seines
ursprünglichen Wertes erreicht hat. (63% sind 3dB
Dämpfung) Die Attachtime sollte mindestens eine Periode der Schwingung dauern.
Anwendungsbeispiele
Kompressoren werden zum Beispiel bei Talkrunden eingesetzt. Hier stellt man eine sehr hohe
Releasetime ein, damit der Sprecher nicht während einer didaktischen Redepause das Mikrofon
geschlossen wird.
Hingegen wird mein Einsatz eines Kompressors als Noisegate die Attachtime sehr kurz eingestellt,
damit man z. B. den Schlag auf eine Snaredrum noch voll mitbekommt, zuvor jedoch keine
Geräusche des restlichen Drumsets übertragen werden.
Pegel
Amplitude des Eingangssignals
63% 100%
Amplitude des Ausgangssignals
t
t
0
- Überschreiten der Threshold
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