Eine Binaurale Tonaufnahme ist eine Aufnahme von Schallsignalen mit Mikrofonen, die bei der Wiedergabe über Kopfhörer einen natürlichen Höreindruck mit genauer Richtungslokalisation erzeugen sollen. Bei der Aufnahme in Kunstkopfstereofonie wird häufig ein Kunstkopf verwendet.
Allgemein werden Stereo-Tonaufnahmen allein über Lautsprecheranlagen beim Abhören gemischt; daher der Name "Lautsprecher-Stereofonie". Dabei werden die vom Menschen zur Lokalisation verwendeten Eigenschaften wie die Kopf- oder Ohrmuschelformen zu Recht nicht berücksichtigt. Dieses liegt daran, dass beim natürlichen Hören und bei der Wiedergabe über die Stereo-Lautsprecher im Stereodreieck das jeweilige Gehör des Zuhörers die Ohrsignale selber bildet.
Binaurale Aufnahmen sind "Stereo"-Aufnahmen mit besonderer Aufnahmetechnik, die jedoch typischerweise nur mit Kopfhörern korrekt wiedergegeben werden sollten; daher der Name "Kopfhörer-Stereofonie". Binaurale Aufnahmen - welche die durch Kopfhörerwiedergabe unterbundenen natürlichen Ohrsignale ersetzen - sind die beste Möglichkeit, einen räumlichen Höreindruck realitätsnah zu reproduzieren.
Lokalisation.png (Transversalebene)
mitte: 2. Medianebene (Sagittalebene)
unten: 3. Frontalebene]]
Horizontalebene: Sobald die Schallquelle nicht mehr direkt auf der 0°-Achse liegt, kommt es zu unterschiedlichen interauralen Signalen, also interauralen Laufzeitdifferenzen (ITD) und interauralen Pegeldifferenzen (ILD). Laufzeitdifferenzen (Laufzeitunterschiede) können durch das menschliche Gehör bereits ab einer Größe von 10 µs zur Richtungslokalisation ausgewertet werden. Dieses entspricht einer Lokalisationsschärfe in der Horizontalebene von etwa einem Grad. Bis zu einer Laufzeitdifferenz von 0,63 ms erhöht sich die seitliche Lokalisation in etwa proportional zum Laufzeitunterschied. Eine Laufzeitdifferenz von 0,63 ms entspricht einer Wegstreckendifferenz des Schalls 21,5 cm. Diese, auch "Hornbostel-Wertheimer Konstante" genannte Größe, entspricht der Wegstreckendifferenz bei Schalleinfall aus 90° bzw. 270° Einfallsrichtung bei einem durchschnittlichen Abstand der beiden Ohren am menschlichen Kopf.
Die Duplex-Theorie wurde von Lord Raleigh (J. W. Strutt 1907) angegeben. Diese Theorie trägt wesentlich zum Verstehen des Vorgangs beim "natürlichen Hören" beim Menschen bei. Es ist die sehr einfache Erkenntnis, dass die interauralen Laufzeitdifferenzen ITD bei Frequenzen als Phasendifferenzen unterhalb 800 Hz bei der Richtungslokalisation als Ohrsignale bedeutsam sind, während bei Frequenzen oberhalb von 1600 Hz allein die interauralen Pegeldifferenzen ILD wirksam sind.
Interaurale Pegeldifferenzen entstehen nicht nur durch die unterschiedlichen Weglängen und die dadurch unterschiedliche Dämpfung, sondern auch durch Abschattungen durch den Kopf. Beide Phänomene, besonders aber das letztere, sind stark frequenzabhängig, da Frequenzen mit Wellenlängen in der Größenordnung des Hindernisses kaum noch gebeugt werden, sondern am Hindernis reflektiert werden. Tiefe Frequenzen unterhalb von etwa 300 Hz bilden dagegen keinen Schallschatten und damit keine wahrnehmbaren Pegeldifferenzen aus.
Schallereignisse, die bei der Aufnahme mit dem Kunstkopf genau aus der Mitte kommen, also auf der 0°-Achse liegen, können beim späteren Abhören nicht lokalisiert werden. Dass in der Realität solche Schalle dennoch lokalisiert werden können, liegt möglicherweise daran, dass ein Mensch seinen Kopf nie vollkommen ruhig hält und dadurch Pegel- und Laufzeitunterschiede entstehen.
Medianebene: Bei der Medianebene kann man davon ausgehen, dass es keine Laufzeit- und Pegeldifferenzen an den Ohren gibt. Dennoch kann ein Schallereignis in dieser Ebene lokalisiert werden (wenn auch weniger gut). Dieses geschieht mit Hilfe von Klangfarbenunterschieden, den Spektraldifferenzen, die man aber nicht direkt als Klangunterschied wahrnimmt. Es sind bestimmte Frequenzbereiche, die Blauertschen Bänder, auch "richtungsbestimmende Frequenzbänder" genannt. Es sind sehr komplexe Formen von Frequenzanhebungen und Absenkungen notwendig, um ein Hörereignis lokalisieren zu können. Naturgemäß dürfen Hörereignisse für diese Art der Lokalisation nicht zu schmalbandig sein. Es macht im allgemeinen bei einer Kunstkopfaufnahme keinen Sinn, die gemessenen Signale mit einem Equalizer zu bearbeiten. Durch eine Manipulation des Frequenzgangs werden ansonsten unter Umständen auch richtungsbestimmende Frequenzbänder verändert, was dann zu einer Fehllokalisation führt.
Die Lokalisationsschärfe liegt bei unbekannten Signalen bei rund 17 Grad, bei bekannten Signalen um 9 Grad. Diese Werte gelten für den Blick nach vorne. Je weiter ein Signal aus der Vorwärtsrichtung austritt, desto schlechter wird die Lokalisationsgenauigkeit.
Eine solche Lokalisation kann experimentell simuliert werden, indem man bei einem Stereosignal, dessen beide Kanäle identisch sind, die Amplitudenwerte eines der beiden Kanäle spiegelt (invertiert) und sich das resultierende Signal mit Kopfhörern anhört.
Messungen im freien Schallfeld (Freifeld) werden unter Bedingungen eines, wie der Name schon sagt, freien Schallfelds, also ohne reflektierende akustische Begrenzungsflächen, gemacht. Diese Bedingungen erhält man mit guter Näherung in einem reflexionsarmen Raum. Der daraus entstehende Freifeldfrequenzgang gilt nur für eine bestimmte Schalleinfallsrichtung. Da ein ebener Frequenzgang gewünscht ist, muss man das Signal mit Hilfe eines Filters entzerren. Bei Druckmikrofonen wie sie bei einem Kunstkopf verwendet werden, unterscheidet sich der Diffusfeldfrequenzgang sehr stark vom Freifeldfrequenzgang. Das liegt daran, dass bei Druckmikrofonen bei Direktschall aus 0°-Besprechungsrichtung, bei einem Membrandurchmesser von ca. 18 mm, eine Pegelanhebung um 6 dB bei 10 kHz im Übertragungsmaß stattfindet. Das wird durch die Schallwellen verursacht, deren Wellenlänge dem Membrandurchmesser entsprechen oder kleiner sind. Diese werden an der Membran reflektiert und der Schalldruck verdoppelt sich somit an der Membran. Im Diffusfeld führt das zu einem Höhenabfall, da Frequenzen mit kleinerer Wellenlänge nicht mehr um die Mikrofonkapsel gebeugt werden. Das betrifft allerdings nur Frequenzen aus seitlicher oder rückwärtiger Schalleinfallsrichtung. Für Schallwellen, die von vorne auf die Membran auftreffen, also aus der Nähe der Vorne-Schalleinfallsrichtung, kommt es zu einer Pegelanhebung um 6 dB. Da der Kunstkopf aber nicht für die Aufnahme im Nahfeld gedacht ist, sondern eher eine größere Entfernung zur Schallquelle hat, spielt der Diffusfeldfrequenzgang eine erheblich größere Rolle. Das Diffusfeld ist gekennzeichnet durch gleichmäßig einfallende Schallanteile aus allen Richtungen. Es gibt im diffusen Schallfeld also nicht nur eine Schalleinfallsrichtung, wie es beim freien Schallfeld der Fall ist.
FrequenzgangDruckempfänger.png Bild: Übertragungsmaße eines Druckmikrofons
Bei der Wiedergabe über Kopfhörer sollte ebenfalls ein diffusfeldentzerrter Kopfhörer verwendet werden. Die Kopfhörer mit einem ebenen Diffusfeldübertragungsmaß bieten eine optimale Klangneutralität. Besser wäre dazu ein Kopfhörer mit einer speziellen IRT-Entzerrung.
Eine weitere kopfähnliche Anordnung ist das Kugelflächenmikrofon.
Der erste Stereo-Kunstkopf mit Nachbildung des menschlichen Gehörganges wurde bereits 1933 gebaut. Die Kunstköpfe KU-81 und KU-100 der Firma Neumann sind heute die am meisten benutzten binauralen Geräte. Das KEMAR-System ist eine andere Alternative. Das teurere und aufwändigere System von Head Acoustics aus Aachen hat eine automatische Frequenzgangeinstellung und soll einen besseren Rundumeindruck vermitteln. Es ist vor allem in der akustischen Messtechnik verbreitet.
Das erste im deutschen Radio ausgestrahlte Hörspiel in Kunstkopf-Stereofonie war zur Funkausstellung 1973 in Berlin die RIAS/BR/WDR-Produktion "Demolition" (The demolished man) nach dem Roman von Alfred Bester.
Ohrstecker mit Mikrofon: Diese "Ohrstöpsel mit Mikrofon", auch unter der Bezeichnung "Originalkopf-Mikrofon" (OKM) bekannt, sehen aus wie ganz normale Kopfhörer wie man sie von einem Walkman kennt. Sie sind mit Elektretmikrofonkapseln mit Kugelcharakteristik versehen. Die Mikrofone sind mit ganz normalen 3,5-mm-Klinkensteckern ausgestattet und eignen sich somit sehr gut für den mobilen Einsatz, da man mit ganz normalen MiniDisc-Playern oder DAT-Recordern aufnehmen kann. Man kann sich aus dem Nachteil, dass man immer an einen menschlichen Kopf gebunden ist, der sicher nie ganz still gehalten wird, einen Vorteil machen. Es sind für Hörspiele Choreographien möglich, die mit einem herkömmlichen Kunstkopf nicht ohne weiteres möglich wären. Man kann somit nicht nur Bewegungen um den Kunstkopf machen, sondern auch den Kunstkopf ganz bewusst in das Stück mit einbeziehen. Viele Bootlegs von Live-Konzerten werden mit Hilfe dieser Mikrofone produziert, da sie sehr unauffällig zu tragen sind und hervorragende Ergebnisse liefern.
Das Abhören mit Kopfhörern ergibt eine Hörerfahrung, die die Räumlichkeit des üblichen Lautsprecher-Klangbildes übertreffen kann, da es eine präzisere binaurale Abbildung der Schallwellen ermöglicht. Obwohl die rechts-links-Lokalisation sicher erfolgt, ist die Identifizierung der oben-unten-Position von Tonsignalen schwieriger. Auch die Lokalisierung eines frontalen Schallereignisses bereitet Probleme, da es in einem bestimmten Winkel in die Höhe verschoben scheint. Typisch ist, dass eigentlich vorne vorhandene Signale nur hinten gehört werden.
LAutsprecherwiedergabe Kopie.jpg
Für das Problem der Kanaltrennung gibt es einen Lösungsvorschlag des Heinrich-Hertz-Instituts in Berlin und dem Institut für technische Akustik der TU Berlin. Hier werden, wie in der Skizze zu erkennen, vier Lautsprecher aufgestellt. Die jeweils gegenüberliegenden Lautsprecher "arbeiten zusammen". Das heißt, die hinteren Lautsprecher sind jeweils phasengedreht, mit einem Filter bearbeitet (Höhenabsenkung) und jeweils so laufzeitverzögert, dass eine Auslöschung hervorgerufen wird. Es ist bei dieser Lautsprecheraufstellung notwendig, die richtige Hörposition einzuhalten.
Der zweite Lösungsvorschlag stammt vom 3. physikalischen Institut in Göttingen. Hier wird jedes Ohr mit einem Lautsprecher beschallt. Man verwendet hier aber nicht mehr die übliche Stereo-Aufstellung der Lautsprecher, sondern die Lautsprecher werden neben dem Hörer positioniert. Es kommt zu Pegel- und Laufzeitunterschieden an den Ohren und auch der Frequenzgang ist verändert. Alle Frequenzen, die im Bereich der Kopfgröße und kleiner liegen, werden am Kopf reflektiert und nicht mehr gebeugt. Die Signale, die immer noch am anderen Ohr ankommen werden durch die entstandenen Laufzeitunterschiede phasenverschoben und dadurch möglicherweise ausgelöscht. Dieses Verfahren erfordert ebenfalls eine feste Einhaltung der Hörposition und ist noch dazu empfindlich gegen Kopfdrehungen. Kann ein Hörer nicht die optimale Hörposition einhalten und sitzt außerhalb, bekommt er immer noch eine der Stereo-Aufstellung ähnliche Klangübertragung, allerdings muss mit Klangfärbungen gerechnet werden.
Lautsprecherwiedergabe-Göttingen.png
Grundsätzlich ist bei Musikaufnahmen zwischen dem im Rock- und Pop-Bereich üblichen "Take-by-Take-Verfahren" auf mehreren Einzelspuren und reinen Stereo-Aufnahmen zu unterscheiden. Dieses Verfahren ist auch bei Kunstkopfaufnahmen möglich. Man muss, bevor man die Aufnahme beginnt, alle Instrumente so um den Kunstkopf verteilen, wie sie später im Klangbild platziert sein sollen. Man kann die einzelnen Instrumente dann auf einem Multitrack-Recorder wie gewohnt nacheinander aufnehmen. Beim späteren Mixdown ist nur darauf zu achten dass man die einzelnen Signale nicht mehr uneingeschränkt mit einem Equalizer bearbeiten darf, da dieses die richtungsbestimmenden Frequenzbänder beeinträchtigen könnte, die zur Lokalisierung des jeweiligen Instruments wichtig sind. Auch ein Bearbeiten mit dem Pan-Pot ist nicht möglich.
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"Binaurale Tonaufnahme".
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