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Schallquellenlokalisation

Bei Stereo-Lautsprechern oder Surroundanlagen kommt der Schallquellenortung als Folge von dem Zusammenspiel durch unterschiedliche Lautsprecher zustande, entsprechend spricht man von einer Phantomschallquelle.

Bei der kopfbezogenen Stereophonie, dem Hören mit Kopfhörern, spricht man dagegen von virtuellen Schallquellen: die Ortung basiert auf mehreren Lokalisationsanreizen.
Das Ergebnis ist bei Kopfhörern fast immer eine Im-Kopf Ortung der Instrumente - diese Bühne kann von Modell zu Modell jedoch sehr unterschiedlich sein. Das menschliche Ohrt hat mehrere sich ergänzende Möglichkeiten ein Signal zu orten.

  • Der bekannteste Effekt basiert auf der Intensitätsstereophonie. Ist der Schall beim rechten bzw. linken Ohr unterschiedlich laut, verwendet das Gehirn die Pegelunterschiede für eine Ortung der Schallquelle.


  • Eine weitere Möglichkeit ist die Laufzeitstereofonie. Trifft der Schall seitlich beim Hörer ein, gelangen die Schallanteile phasenverschoben beim Ohr an. Das menschliche Ohr ist für diese sogenannten intraauralen Laufzeitunterschiede sehr empfindlich, es können Lautzeitdifferenzen von ca 0,04 Millisekunden aufgelöst werden.


  • Ein weiterer Effekt basiert auf der Außenohrübertragungsfunktion, auch bekannt als „Head Related Tranfer Function (kurz: HRTF). Die Schallanteile, für welche das Ohr am empfindlichsten ist, haben eine Wellenlänge von 1 - 20cm und bewegen sich damit in ähnlichen Größenordnungen wie der Kopf und die Ohrgeometrie. Wenn ein Objekt (Kopf, Ohr) in der Größenordnung der Wellenlänge ist, beeinflusst dieses Objekt das Wellenfeld. Der Schall, welcher beim Ohr eintrifft, bekommt ein richtungsabhängige "Signatur" verpasst.


Durch Kammfiltereffekte an den Ohren, Beugung und Abschattungseffekte durch den Kopf, etc. wird der Frequenzgang völlig verbogen - jeweils unterschiedlich für das linke und rechte Ohr. Die zugehörigen richtungsabhängigen Frequenzbänder werden als  Blauertsche Bänder bezeichnet.

Bei der Lautsprecher-Stereophonie ist der Effekt kein Problem. Je nach Kopfdrehung verfärbt der Schall, das Gehirn ortet unbewusst durch die seit Geburt an bekannten Verfärbungen die Schallquelle - bei der Hifi-Wiedergabe das geht so weit, dass der (Energie-)Frequenzgang von Lautsprechern die Ortung beeinflussen kann.



Abbildung 1: Elektrostatischer Kopfhörer von Stax mit Speiseteil


Besonderheit bei der Abstimmung von neutralen Kopfhörern


Wird ein Kopfhörer für die Wiedergabe verwendet, stellt sich aus Entwicklersicht anhand der HRTF die Frage, wie der Kopfhörer abgestimmt werden muss. Wird der Kopfhörer auf einen linearen Frequenzgang abgestimmt wird dieser mit einer handelsüblichen Aufnahme für Stereolautsprecher völlig verfärbt klingen. Immerhin ist das Gehirn des Menschen seit der Geburt daran gewöhnt, dass der Schall durch die HRTF vorgefiltert wird.

  • Entzerrt man den Kopfhörer in der Art, als ob die Musik direkt von vorne kommen würde, bezeichnet man die Kopfhörer als freifeldentzerrt

  • Bei den heute üblichen Stereokopfhörern wird ein anderer Weg gegangen - die Diffusfeldentzerrung. Hierzu wird ein künstlicher Kopf mit Mikrophonen an den Stellen der Trommelfelle mit einem diffusen Schallfeld beaufschlagt. Das Schallfeld hat keine bevorzugte Eintrittsrichtung. Anschließend wird aus den Aufnahmen des Mikrophones ein optimaler Frequenzgang bestimmt auf dessen Basis später der Kopfhörer abgestimmt wird.


Auf diffusfeldentzerrten Kopfhörern kann normale für Stereophonie aufgenommene Musik mit einer vergleichsweise autentischen Klangfarbe gehört werden. Fast alle Kopfhörer sind Diffusfeldentzerrt. Einige Hersteller verwenden einen Mittelwert aus Diffusfeld- und Freifeldentzerrung für die Kopfhörer. Die Ergebnisse können in einigen Fällen sehr überzeugend klingen.

Natürlich gibt es auch Abstimmungen welche auf neutrale Klangfarbenabbildung verzichten. Stattdessen wird der Klang auf die Vorlieben der Kundschaft abgestimmt. Der sogenannte Badewannenfrequenzgang hebt die Bässe und die Höhen leicht an womit der Klang direkter wargenommen wird, gemäß der blauertschen Bänder scheint der Schall verstärkt von vorne einzutreffen.

Einige Hersteller bieten Kopfhörer an, welche bei der Abstimmung irgendwo zwischen Diffusfeldentzerrung und Freifeldentzerrung liegen. Ein durchaus nachvollziehbarer Ansatz der versucht das beste aus zwei Welten zu bieten.

Die Diffusfeldentzerrung hängt stark von der Art und vom richtigen Sitz des Kopfhörers ab.

  • Sogenannte In-Ear-Kopfhörer sind werden in den Gehörgang des Menschen geschoben - dementsprechend wird die natürliche HRTF des Ohrs zu großen Teilen umgangen, der InEar muss mit seiner Abstimmung die volle HRTF ausgleichen. Sauber abgestimmte InEars sind entsprechend schwer zu finden - und die Bewertung der Klangfarbe hängt stark vom Hörer ab. Der Einsatz von Equalizern kann sinnvoll sein.

  • Ein Gegenbeispiel ist der AKG K1000 bei welchem die Seiten des Kopfhörers vom Kopf weggeklappt werden konnten. Somit trifft der Schall vergleichbar wie mit dem Hören über eine Stereoanlage beim Kopf ein - und lässt der HRTF der Ohrgeometrie unvoreingenommen Ihren Lauf. Die Abstimmung eines solchen Kopfhörers ist entsprechend einfach.

  • Hochwertige Bügelkopfhörer setzen oft auf große Membranen (größer 40mm) was eine möglichst gleichmäßige Beschallung des Komplettohrs ermöglicht. Oft sind die Treiber leicht angewinkelt und haben einige cm Abstand zum Ohr um den Schall möglichst natürlich eintreffen zu lassen.

  • Elektrostaten und Magnetostaten sind oft sehr kostspielig, haben aber meist sehr viel größere Membranen als konventionelle dynamische Kopfhörer. Möglicherweise ist der oft als natürlich angepriesene Klang auch hier begründet?


Will man einen möglichst präsenten Eindruck eines Kopfhörers hinterlassen empfiehlt sich die unten gezeigte Abstimmung des Kopfhörer-Frequenzganges.


Abbildung 2: Abstimmung eines möglichst präsenten Kopfhörers


Ein entsprechend abgestimmter Kopfhörer wird eine deutlich stabilere und präsentere Bühnenabbildung haben als konventionelle Modelle. Allerdings ist der Trick zur Abstimmung bekannt - viele Tontechniker wenden standardmäßig solche Filter schon bei der Abmischung von Musik an, immerhin funktioniert dieser Effekt auch bei normaler Lautsprecherwidergabe. Die Kombination aus beiden Effekten kann etwas zu viel vom Guten sein.

Zudem greift der Effekt nur bei Musik welche breitbandig das gesamte Spektrum abdeckt. Bei schmalbandigen Signalen greift der Effekt nur bedingt. Entwickler von Kopfhörern benötigen daher immer auch Erfahrungswerte.


Kunstkopfaunahmen

Einen Kopfhörer mit einer neutralen Klangfarbe zu erzeugen ist alles andere als eine exakte Wissenschaft - doch selbst mit dem besten Kopfhörer findet die Bühnendarstellung beim Abspielen von üblichen Musikaufnahmen komplett im Kopf statt. Doch es gibt Abhilfen:

Eine Besonderheit sind Kunstkopfaufnahmen welche mit einem nachgebildeten Kopf durchgeführt werden. In dem lebensgroßen Kopfmodell werden Mikrophone an den Stellen der Trommelfelle angebracht. Diese nehmen Geräusche inklusive der HRTF des künstlichen Kopfes auf.

Entsprechende Aufnahmetechniken ermöglichen eine vollständige Nachbildung des Hörraumes und können auch Geräuschquellen oberhalb, seitlich oder vor dem Kopf darstellen. Idealerweise basiert der Kunstkopf auf dem Abdruck des eigenen Kopfes damit die HRTF möglichst identisch mit der HRTF der eigenen Ohren/Kopfgeometrie ist.


Virtual Surround


Moderne Soundkarten in PCs oder AV-Receiver mit Kopfhörerausgängen verfügen teilweise über Möglichkeiten das Surroundsignal über digitale Filter in eine Kunskopfaufnahme umzurechnen.

Besonders bekannt sind die X-Fi Soundkarten des Herstellers Creative bei denen der Effekt (je nach Kopfhörer) sehr gut gelingt. Bei 3D-Spielen ist der Soundkarte die komplette Umgebung der Spielewelt bekannt - durch die vollständig vorliegenden Informationen kann der Soundchip die einfallenden Wellen auf den Hörer anschließend nahezu perfekt korrigieren.

Bei Filmen sind entsprechende interaurale-Nachbearbeitungen der Tonspur deutlich schwieriger. Es liegen in der Regel zwei Stereokanäle oder  5.1 bzw. 7.1 Surroundspuren vor. Informationen über die Elevation (Höhe) der Schallquellem liegen nicht vor. Dementsprechens sind Filme mit nachbereiteten Tonspuren über Kopfhörer meist weniger beeindruckend.

New Audio Technology hat auf der Webseite mehrere Ausschnitte aus den Bereichen Musik, Filme und Games mit Headphone-Tonspuren veröffentlicht, es kann jederzeit zu den üblichen Stereotonspuren umgeschaltet werden. Der Effekt kann hier kostenlos und ohne Anmeldung mit handelsüblichen Kopfhörern erlebt werden.

Link: http://newaudiotechnology.de/demoplayer/de/

Die Bewertung der Demos von NewAudioTechnology ist stark vom Hörer abhängig. Einigen Personen fällt vor Verblüffung die Kinlade hinunter, andere Personen fragen sich, was an den Aufnahmen besonders sein soll. Der Eindruck hängt immer vom Wechselspiel von Kopfhörer und Ohrgeometrie ab - und kann individuell unterschiedlich gut funktionieren.


Headtracking


Als besonders ausgeklügelt gilt das Headzone System von Beyerdynamic. Ein Bewegungssensor auf dem Kopfhörer erfasst Kopfdrehungen und leitet diese an eine Dekoderstation weiter, welche in Echtzeit die intraurale Laufzeitdifferenzen und HRTF für die beide Stereokanäle des Ohres berechnet. Der Mensch bewegt seinen Kopf meist instinktiv ein wenig, um mit den Verfärbungsunterschieden eine Schallquelle besser lokalisieren zu können. Beim Headzone wird genau dieser Lokalisationsmechanismus gefördert. Das Verfahren wird als Headtracking bezeichnet.

Headtracking Systeme funktionieren meist deutlich besser als virtual Surround Systeme wie z.B. NewAudioTechnology oder Creative - sind preislich aber meist deutlich oberhalb der 1000€ Grenze angesiedelt.


Headtracking mit Einmessung


Ein äußerst interessantes Konzept ist das Headtracking-System von Smyth Research.

http://www.smyth-research.com/products.html


Anfangs wird das System kalibriert. Hierzu werden kleine Mikrofone in die Ohrkanäle geschoben, anschließend werden Testsignale über eine Stereo- oder Surroundanlage gehört. Anschließend wird ein Kopfhörer an der Smyth-Dekoderstation angeschlossen und wieder werden Testsignale abgespielt.


Anschließend wird eine Übertragungsfunktion für den Kopfhörer berechnet und nachfolgend bei der Musikwiedergabe in die Musiksignale eingerechnet. Einige Hörer berichteten davon, dass Sie kaum unterscheiden konnten, ob gerade die Surroundanlage oder der der Kopfhörer lief. Das Headtracking rundet den Effekt ab.

Als kleines Extra können Profile von unterschiedlichen Anlagen gespeichert werden kann. So kann man jederzeit zwischen einem Tonstudioanlage mit Genelec Mainmonitoren, der Heimkinoanlage zuhause oder den Elektrostaten vom Arbeitskollegen umschalten. Somit kann man defakto Hifi Anlagen und Tonstudios sammeln.

Man muss nur bei jeder der Anlagen kurz ein Kalibrierprofil erzeugen. Einige gut bestückte Tonstudios mit guter Akustik bieten gegen Bezahlung entsprechende Kalibrierungen für die Smyth Dekoderstation an.

Der Hersteller bietet auch Standardprofile an, wie gut diese funktionieren ist jedoch Glückssache.


Multi-Treiber-Kopfhörer


Einige Surroundkopfhörer setzen auf mehrere Kopfhörerchassis pro Ohr. Das Musiksignal wird auch hier durch einen Dekoder vorgefiltert und auf die einzelnden Chassis verteilt.

Durch die unterschiedliche Ohr-Schalleinfallsrichtung der Chassis kann ein Surroundeffekt erzeugt werden. Die Ergebnisse sind jedoch oft durchwachsen. Systeme mit Headtracking funktionieren meist deutlich besser.

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