ELEKTRO akustik
ELEKTRO AKUSTIK
I. SCHALL 3 Verhalten des Schalls 4 Beschallung von Räumen 5 II. DAS MENSCHLICHE OHR 6 Der Gleichgewichtssinn 7 Das Ohr und der Schall 8 Monofonie 9 Stereofonie 10 Kopfbezogene Stereofonie - KUNSTKOPF 10 III. KENNGRÖßEN 11 IV. WANDLER 15 Elektromagnetischer Wandler 16 Elektrodynamische Wandler 16 Magnetostriktiver Wandler 17 Elektrostatischer oder dielektrischer Wandler 18 Piezoelektrische Wandler 18 Allgemeines zu den Wandlern 19 V. MIKROFONE 19 Kohle-Mikrofon 20 Elektret-Mikrofon 20 Druckempfänger 20 Druckgradientenempfänger 21 Kenngrößen von Mikrofonen 21 Resonanzabstimmung der Membran bei Mikrofonen 22 VI. LAUTSPRECHER 22 Konuslautsprecher 22 Kalottenlautsprecher (abgeschnittene Kugel) 23 Druckkammerlautsprecher 23 Kenngrößen von Lautsprechern 23 Akustischer Kurzschluß 24 Zusammenschaltung von Lautsprechern 25 Anpassung von Lautsprechern 25 Frequenzweiche 26 VII. HÖRER 26 PARTIALSCHWINGUNGEN VON MEMBRANEN 26 KENNGRÖßEN VON MIKROFONEN UND LAUTSPRECHERN 29 Richtcharakteristik 29 Frequenzabhängigkeit 29 Richtmikrofone 29 Aussteuerung 30 ERSATZ-SCHALTBILDER 32 BERECHNUNGEN 33 QUELLENVERZEICHNIS 34 INDEX 34
Was ist der Schall eigentlich, wissenschaftlich betrachtet? Nun, er ist die Bezeichnung für mechanische Wellen, 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.
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:
proportional der Frequenz. 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 longitudinaler 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 Beugungen. Berechnung der Schallgeschwindigkeit: c0 … Konstante, (bei 0°C ® 332m/s) a … Temperaturkoeffizient = t … Temperatur in °C ® l = 2 cm … 20 m
Die Schallmauer wird bei zirka 1.200 km/h (330m/s) durchbrochen. Schallschnelle Sie ist jene Geschwindigkeit, mit der die einzelnen Teilchen schwingen.
a … Amplitude in m w … 2×p×f … Kreisfrequenz in s-1 Verhalten des Schalls Schallquellen bilden gewöhnlich stehende Wellen 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. 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 l und der Fläche A ab.
Zusätzlich zur Reflexion kommt es aber auch zu einer Absorption (siehe später). Dopplereffekt 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.
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 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.
Bei gekrümmten (konkaven) Flächen muß man je nach Abstand der Quelle zur reflektierenden Fläche vier Fälle unterschieden werden.
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. 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. 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 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“. 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. Verdeckungseffekte und Maskierungen Laute tiefe Töne können gleichzeitig erklingende leise Töne verdecken. 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. Lokalisierung von Schallsignalen
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.
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:
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.
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)
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). 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] 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.
Bezugsschalldruck = 0,00002 Pa = 2×10-5 Pa = 0dB
Absoluter Pegel, da genormter Wert (2×10-5 Pa). Schmerzgrenze = 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] 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 p … Schalldruck v … Schallschnelle Schallabsorption Diese ist stark frequenzabhängig, gegeben durch die Materialbeschaffenheit und den geometrischen Anordnungen. Die Schluckfähigkeit wird durch den Absorptionskoeffizienten a beschrieben, welcher sich auf die absolute Schallschluckung bezieht (0%=totale Reflexion [Faktor 0], 100% Schluckung ® z.B. 1m² offenes Fenster [Faktor 1]).
(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 … Nachhallzeit V … Raumvolumen k … Konstante (0,163)
Ages … Schallschluckung der Gesamtfläche
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 … 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
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 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.
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:
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