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Technische Verarbeitung von Schall

Technische Gegebenheiten


Um sich mit den technischen Gegebenheiten vertraut zu machen, ist es erst einmal notwendig, die Frage zu klären, was überhaupt mit Hilfe der Technik verarbeitet wird. Dies werden in erster Linie Schallereignisse sein, die mit Hilfe von Schallwandlern wie Mikrofonen oder ähnlichem in die elektrische Ebene übertragen wurden. Weiterhin kommen Signale in Frage, welche die elektronische Ebene nie verlassen haben und auf diesem Wege erzeugt wurden. Anschließend wird das Signal über entsprechende Komponenten wie Schallwandler wiedergegeben und somit wieder hörbar.

In all diesen Fällen liegt ein Signal vor, welches eine elektrische Entsprechung bzw. Analogie des tatsächlichen Schallereignisses darstellt. Für eine originalgetreue Wiedergabe eines solchen Ereignisses ist es aus diesem Grunde notwendig, sämtliche für die Verarbeitung und Übertragung des Signals erforderlichen Komponenten so zu gestalten, dass eine Veränderung der klangbestimmenden Signalparameter gar nicht bzw. nicht hörbar stattfindet. Hierbei muss tatsächlich auf diejenigen physikalischen Parameter abgestellt werden, die wir als klangbestimmend erachten. Da wir mit unserem Ohr über ein sehr präzises Messinstrument verfügen, stellt sich die Frage, welche objektiven physikalischen Parameter wir damit eigentlich messen. Was verstehen wir eigentlich unter einem „guten Klang“?
Grundlegend ist zu sagen, dass sicherlich diejenige Komponente bzw. die gesamte Verarbeitungskette ideal ist, die „unhörbar“ ist bzw. die das originale Schallereignis so wiedergibt, dass der Unterschied zwischen dem Originalklang und der Reproduktion subjektiv nicht feststellbar ist. Nun stellen jedoch die heute existierenden Aufnahme-, Übertragungs- und Wiedergabesysteme trotz langjähriger Forschung und Entwicklung noch immer eine Einschränkung dieser Forderung dar. Hierbei muss aber auch das gesamte Verarbeitungssystem betrachtet werden, d.h. auch alle außerhalb der elektronischen Signalverarbeitung verwendeten Komponenten, wie z.B. die raumakustischen Gegebenheiten. Man muss feststellen, dass sicherlich die Schallwandler in Verbindung mit den Räumen, in welchen sie zum Einsatz kommen, die Hauptursache für die Veränderung bzw. Verfälschung des Klanges sind. So sind beispielsweise heutzutage Analog/Digital und Digital/Analog-Wandlerstrecken erhältlich, die, entsprechende Pegelanpassung vorausgesetzt, den Vergleich mit der Übertragung des Signals über ein einfaches (unverfälschendes (?), darüber werden wir noch sprechen müssen...) Kabel nicht mehr zu scheuen brauchen.
Welche sind nun die Parameter, die uns den Klängen oder dem Klang Eigenschaften wie z.B. dumpf, warm, schrill, spitz, hohl, matt usw. verleihen lassen? Da es sich hier um ganz subjektive Beschreibungen handelt, sind sie, wenn überhaupt, in fast allen Fällen nur durch eine Kombination vieler verschiedener physikalischer Parameter beschreibbar. Dies liegt auch daran, dass wir es in der Regel mit komplexen Klangereignissen zu tun haben, die nicht wie z.B. statische reine Töne auf drei konstante Parameter zurückführbar sind. Es wird also meistens weder von reinen Tönen noch von zeitlicher Konstanz der Parameter zu sprechen sein. Hinzu kommen noch die Unterschiede in der Schallwahrnehmung jedes Einzelnen aufgrund subjektiver physiologischer Gegebenheiten und die Beeinflussung des Klanges durch Einflüsse außerhalb der elektronischen Verarbeitungskette.
Worauf wir also eigentlich nur abstellen können, ist die Frage, inwiefern eine bestimmte Komponente der Verarbeitungskette einen Klangunterschied zwischen Ein- und Ausgang verursacht und, vor allem, was davon auch wirklich intendiert ist.

Bevor wir uns aber diesen objektiven Parametern widmen können, stellen wir uns der Frage, welche physikalischen Parameter es denn überhaupt bei der elektrischen Signalübertragung und –verarbeitung gibt. Und welche Verbindung besteht dann zu den wahrnehmbaren Veränderungen bei der Verarbeitung eines Schallsignals durch die Verarbeitungskette? Nun, um diese Fragen zu beantworten, müssen wir doch relativ weit ausholen und gewissermaßen beim „Urschleim“ anfangen, um uns langsam an deren Beantwortung heranzutasten. Auch wenn die Materie manchmal ein wenig trocken erscheint, es lohnt sich bis dorthin vorzudringen. Aber man darf sich nichts vormachen: Der derzeitige Wissensstand ist alles andere als einfach zu überblicken. Ich werde, neben den verbalen Erläuterungen, entgegen aller Hoffnungen, auch die Mathematik zu Worte kommen lassen, da sie eine eindeutige Sprache spricht und uns hilft, die Dinge in aller Kürze darzustellen. Eine einzige Gleichung sagt häufig mehr als eine mehrseitige verbale Erläuterung. Da ich beides nach Möglichkeit unterbringen werde, sei auch demjenigen bei der Lektüre der Themenwelt Mut zugesprochen, dessen Interesse es ist, sein gesamtes tontechnisches Verständnis zu erweitern, ohne noch einmal Mathematik und Physik zu studieren, und der lediglich in seiner praktischen Tätigkeit die besprochenen Dinge anwenden möchte.

Signale


Signale dienen der Informationsspeicherung, -übertragung und -darstellung. Es werden bestimmte physikalische Größen zur Informationsdarstellung genutzt, deren Parameter durch die Information zeitlich verändert werden.

Das Signal stellt also einen physikalischen Vorgang oder ein Signalträger eine physikalische Größe dar, der bzw. die durch zeitliche Änderung seiner bzw. ihrer Parameter Information beinhalten kann. Welche Bedeutung der Parameteränderung zukommt, ist entweder (wie z.B. beim Hörprozess) durch die physikalische Struktur des Senders und Empfängers bestimmt oder muss vorher vereinbart worden sein. Ermöglicht ein Signal die Informationsübertragung, wird es als Nutzsignal bezeichnet, wird der Informationsgehalt beeinträchtigt, spricht man vom Störsignal.

Da wir beim Hören von vornherein mit bestimmten Sinnesorganen ausgestattet sind, stehen die Signalträger und informationsbeinhaltende Parameter bereits fest. Soweit die Physik den Vorgang der Schallausbreitung beschrieben hat, lassen sich also auch ganz konkret Parameter bestimmen, die in ihrer Kombination die Bedeutung darstellen.

Elektrizität

Bei Schallsignalen geht es im physikalischen Sinne erst einmal um mechanische (akustische) Energie. Sie ist deshalb mechanischer Natur, weil der Erscheinung des Schallereignisses entweder ein mehr oder weniger zufälliger mechanischer Vorgang (z.B. Rauschen eines Wasserfalls oder des Windes) oder ein mechanischer Schwingungsvorgang zugrunde liegt (z.B. Saitenschwingung, Schwingung einer Luftsäule im Resonanzrohr, schwingendes Rohrblatt,...). Auch die Übertragung der Schwingung des mechanischen Körpers auf das angrenzende Medium (i.d.R. Luft) ist ein rein mechanischer Prozess. Es überträgt sich der Impuls der Teilchen des in Bewegung befindlichen Körpers auf die Teilchen des angrenzenden Mediums. Jedes dieser schwingenden Teilchen wird wiederum zum Schwingungserreger und Zentrum der Schwingungsausbreitung.

Das geschieht mit jedem angrenzenden Teilchen, welches in Wechselwirkung mit dem bereits schwingenden steht usw. Auf diese Art und Weise breitet sich die Schallschwingung im Raum als Welle aus. Während die Schwingung eine periodische zeitliche Änderung einer bestimmten physikalischen Größe beschreibt, ist der Wellenbegriff sowohl zeitlich als auch räumlich orientiert. Die mechanische Energie wird also teilweise als von Schallquellen erzeugte und sich räumlich ausbreitende Schwingung an entsprechenden Sensoren (z.B. Mikrofonen) in elektrische Energie gewandelt, indem der Schallwandler mit Hilfe eines bestimmten Übertragungsprinzips die durch die Luftteilchenbewegung hervorgerufene mechanische Bewegung der Membran in eine elektrische Größe transformiert. Diese Transformationen beruhen auf den Gesetzmäßigkeiten des Magnetismus sowie der Elektrostatik. Wir finden in der Tontechnik hauptsächlich diese Schallwandler. Deren Membranen werden durch ein Magnetfeld bzw. durch ein elektrisches Feld angetrieben oder es erzeugt deren Bewegung eine magnetische oder elektrische Feldänderung. Die elektrischen Wandlerprinzipien werden wir später noch genauer besprechen.
Mit einem elektrischen Signal liegt uns ein mit Hilfe einer elektrischen Größe dargestelltes Schallsignal vor. Wie entsteht diese Energie aber?
Die Physiker sagen, Energie kann nicht entstehen und auch nicht verloren gehen, sondern lediglich aus anderen Energieformen gewonnen bzw. umgewandelt werden (Energieerhaltungssatz). Alle Energie ist bereits da.

Durch welche Prinzipien kann elektrische Energie aus anderen Energieformen gewonnen werden? Schallwandler nutzen die uns von der Natur zur Verfügung gestellten Phänomene und physikalischen Prinzipien. Die Kraftwirkung, welche von bestimmten Naturerscheinungen ausgeht - z.B. die Ausrichtung der Kompassnadel im Magnetfeld der Erde oder zu Berge stehende Haare bei räumlicher Nähe zu bestimmten Stoffen, wie elektrisch geladenen Kämmen oder auch die Wettererscheinungen wie Nordlicht oder Blitz und Donner – nutzen wir prinzipiell auch in der Tontechnik. Manchen Stoffen wohnen demnach unter bestimmten Bedingungen charakteristische Eigenschaften inne, in denen sie sich von anderen unterscheiden. Man hat diese Wirkungen, die auf scheinbar unsichtbare Weise vermittelt werden, elektrische oder magnetische genannt. Später wurde es notwendig, das Ganze noch mehr aufzugliedern und zu differenzieren, aber man hatte Begrifflichkeiten und entwickelte Beschreibungsmodelle für diese Phänomene und Erfahrungswerte.

Hierbei fiel den Wissenschaftlern auf, dass diese Wirkungen, das Vorhandensein der Ursache vorausgesetzt, zwar unterschiedlich stark, jedoch immer durch den Raum vermittelt wurden. Egal, welche Stoffe sich im Raum befinden, die Wirkung ist immer feststellbar. Der Ausschlag der Kompassnadel ist immer präsent, die Kraftwirkung immer vorhanden, egal, ob sich die Kompassnadel im stoffleeren Raum (Vakuum) oder in einer Flüssigkeit befindet, es gibt immer die Kraftwirkung, die Stärke ist lediglich unterschiedlich.

Es bildet sich um die noch näher zu ergründende Ursache der Erscheinung also ein Raum heraus, der durch diese Wirkung gekennzeichnet ist, dessen Eigenschaft diese Kraftwirkung ist. Auf diese Art und Weise begründet sich der Feldbegriff: Das Feld ist eine Raumeigenschaft, wobei jedem Raumpunkt der Wert einer bestimmten physikalischen Größe zugeordnet werden kann. So hat man die Möglichkeit, den mit bestimmten Eigenschaften versehenen Raum als gegebene Größe zu betrachten und die Ursache davon abzugrenzen. Die Eigenschaft der physikalischen Größe, nur durch Betrag oder durch Betrag und Richtung definiert zu sein, unterscheidet zwischen skalarem Feld und Vektorfeld. Anhand der Art der physikalischen Größe als auch der Ursache unterscheidet man zusätzlich zwischen verschiedenen Feldarten.

In der Elektrizitätslehre grenzt man das elektrische Strömungsfeld, das elektrostatische und das magnetische Feld voneinander ab. Anfang des 20. Jahrhunderts wurde jedoch festgestellt, dass sich die Feldarten gegenseitig bedingen bzw. in Wechselwirkung stehen. Dies war die Begründung der Elektrodynamik. Der Elektromagnetismus stellt das Zusammenwirken von Elektrostatik (ruhende Ladung) und Magnetostatik (gleichförmig bewegte Ladung) unter der Bedingung der relativ langsamen Ladungsträgerbewegung dar. Die elektromagnetische Welle beschreibt die Ausbreitung der Felder im Raum und deren Loslösung von der Quelle, während die statische Betrachtung die Felder in der Nähe ihrer Entstehungsursache beschreibt.

Wir haben es also mit verschiedenen Feldarten zu tun, mit deren Hilfe die Wirkungen, die für die Erzeugung elektrischer Energie und Signale genutzt werden, beschrieben werden können.

Analogtechnik

Aufgabe der Tontechnik ist es in erster Linie, die im Schallsignal enthaltene Information verlustfrei auf andere, den Schallfeldgrößen ähnliche Größen zu übertragen, sie auf andere Art und Weise speicherbar, veränderbar und reproduzierbar zu machen. In der Physik bietet sich hier das elektromagnetische Feld als Analogie zum Schallfeld an, da es durch Größen beschreibbar ist, auf welche die akustischen Größen durch geeignete Wandler (Tonabnehmer, Mikrofone,...) abgebildet werden können.

Man bildet also die Originalgröße (Schalldruck, Schallschnelle) auf einer ihr entsprechenden oder analogen Größe ab (Spannung, Strom). Deshalb wird auch von Analogtechnik gesprochen.
 

Ein weiteres entscheidendes Kriterium für die Beschreibung von (Schall-)Signalen ist deren Kontinuität. Sie beschreibt die Eigenschaft der Stetigkeit der Größen des Schallfeldes als auch deren Analogien im Elektrischen. Gemeint ist deren Ablauf oder Änderung ohne räumliche (Welle) oder zeitliche (Schwingung) Unterbrechung. So wird auf einem (leider heute aus Kostengründen selten anzutreffenden) Magnetband mit Hilfe des Tonkopfes ein dem Schallereignis entsprechendes magnetisches Feld erzeugt, welches durch die Eigenschaften des Bandes bedingt, eine Spur unterschiedlicher Magnetisierungen auf dem Band hinterlässt. Hierbei gibt es keinen Zeitpunkt (das Anliegen eines Tonsignals vorausgesetzt), zu welchem das Feld eine Unterbrechung hätte. Zudem kann die Feldstärke innerhalb festgelegter Grenzen (Aussteuerungsbereich) jeden beliebigen Wert annehmen.


Da ein technisches System eine physikalische Größe durch seine Eigenschaften direkt beeinflusst, unterliegt die Information, die durch bestimmte physikalische Parameter der entsprechenden Größe repräsentiert werden, diesen Einflüssen. Diese können sowohl gewollt als auch ungewollt sein. In letzterem Fall handelt es sich um Abweichungen von den idealen Verarbeitungseigenschaften (Rauschen, aussteuerungsabhängige Verstärkung und Nichtlinearitäten, Alterung von Bauelementen, Temperatureinflüsse,...). Demzufolge verändert jedes analoge Verarbeitungssystem durch die Gesamtheit seiner Eigenschaften die eigentliche Information. Es projiziert gewissermaßen seine eigene Charakteristik auf die Information.  

Digitaltechnik

Diesen Nachteil hat, abgesehen vom Wandlungsprozess, die Verarbeitung auf digitaler Ebene nicht: Das Digitalsystem verarbeitet diskrete Zustände von physikalischen Größen. Jedoch liegt die eigentliche Information als Zahl vor, nicht die Größe selbst stellt die Information dar, sondern die durch die Zustände repräsentierte Zahl. Die Störeinflüsse bleiben somit auf die Größe selbst beschränkt, sie haben keinen Einfluss auf die durch sie repräsentierte Information, solange die Störungen gering sind und die Zustände eindeutig bleiben.
 

Die Strategie, nur bestimmte diskrete Werte zu bestimmten festgelegten und zeitlich regelmäßig aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zuzulassen, verfolgt die Digitaltechnik. Dadurch werden die Zustände eines Signals zu einem bestimmten Zeitpunkt abzählbar, also digital (digitus (lat.): Finger). Hier haben wir es mit diskontinuierlichen Signalen, im Falle von definierten Zuständen mit diskreten Signalen zu tun. Diskontinuierliche Signale können jedoch immer noch analog sein. Die Frage, ob ein Signal analog oder digital ist, entscheidet sich daran, ob die Diskretisierung der Parameter auf eine bestimmte Anzahl von zugelassenen und daher abzählbaren Zuständen begrenzt ist. Kann ein Parameter noch beliebig viele Zustände annehmen, ist das Signal in Hinblick auf diesen Parameter noch kontinuierlich oder stetig. Es liegt also keine endlich abzählbare Menge von Zuständen vor, also auch kein digitales Signal. Auf diese Weise gibt es noch Signale, die nur teilweise diskret bzw. kontinuierlich sind.
 

Der digitalen Signalverarbeitung liegt die Darstellung der Information mittels Zahlen zugrunde. Die digitalen Systeme verarbeiten Sequenzen von Zahlen, deren Reihenfolge und zeitlicher Bezug von entscheidender Bedeutung ist. Erst die in ihrer zeitlichen Abfolge richtige Zusammensetzung der den analogen Werten eines Signals entsprechenden Zahlen repräsentiert die ursprüngliche Information auf der digitalen Ebene. Durch welche physikalischen Größen und damit auch nach welchem physikalischen Prinzip diese Zahlen verarbeitet und dargestellt werden, ist prinzipiell von untergeordneter Bedeutung.
 

Heutige tontechnische digitale Systeme nutzen ebenso wie die Analogtechnik die elektromagnetischen Feldgrößen für die Darstellung. Aus diesem Grunde findet man auch hier die im Analogbereich verwendeten Bauelemente wieder. Der Vorteil besteht darin, dass die digitalen Vorgänge aufgrund der besseren Unterscheidung einer endlichen Zahl von Zuständen durch geringe Störeinflüsse wenig bzw. nicht zu beeinträchtigen sind. Die beste Unterscheidbarkeit wird durch die Reduzierung auf zwei Zustände (Dual- bzw. Binärdarstellung) erreicht, da hierfür technisch gegensätzliche physikalische Zustände verwendet werden können (Strom fließt bzw. fließt nicht; optische Oberfläche absorbiert bzw. reflektiert; magnetischer Fluss ist N-S bzw. S-N gerichtet;...).
 

Die gute Unterscheidbarkeit von Gegensätzen stellt im technischen System einen großen Vorteil hinsichtlich der Reproduzierbarkeit, Störanfälligkeit, Linearität als auch der Reversibilität von Verarbeitungsprozessen dar. Auf der Gegenseite bringt die Diskretisierung des Signals jedoch von vornherein einen entscheidenden Nachteil mit sich: die Abbildung stellt immer nur eine Annäherung an das Original dar, nie eine originalgetreue Abbildung.
 

Wird jedoch eine bestimmte Bandbreite zugrunde gelegt, kann man zeigen, dass die Informationsdarstellung innerhalb dieser Bandbreite objektiv verlustfrei ist. Liegt der Abbildungsfehler (der sogenannte Quantisierungsfehler) außerhalb unserer subjektiven Wahrnehmung, ist die Abbildung als subjektiv verlustfrei zu betrachten. Entscheidend ist lediglich die Festlegung der gerade noch durch die menschlichen Sinne wahrnehmbaren Extrema der abzubildenden Parameter.


Im weitesten Sinne ranken sich sämtliche Diskussionen, welcher Technik (analog oder digital) nun eigentlich der Vorzug zu geben sei, um die Wahrnehmbarkeit. Dass es sich mit der Wahrnehmbarkeit nicht nur um den bekannten Frequenzbereich von 20Hz-20kHz handeln kann (um hier nur ein Beispiel zu nennen), sollte eigentlich mittlerweile jedem, der ein wenig Hörerfahrung besitzt, aufgefallen sein, denn messtechnisch sind die digitalen Systeme zur Übertragung und verlustfreien Verarbeitung dieser Bandbreite allemal in der Lage.