Periodische Schwingung
Schwingungszustand wiederholt sich nach einer Periodendauer P
Anschlussleistung
P=U*I
Akustische Grundformal
c=lamda*f
Schallgeschwindigkeit
343 m/s
Schalldruckpegel L
-in dB
-0dB=0mykroP
-120dB Grenze
Feldgrößen
d. h. Schalldruck u. el. Spannung
2=6dB, 10=20dB, 100=40dB
Energiegrößen
d. h. Schallleistung u. Schallintensität
2=3dB, 10=10dB, 100=20dB
Abstandsgesetz
I~1/r^2 bzw. p~1/r
Obertöne
x*Grundfrequenz mit x=1,2,3,...
Formanten
-typische Maxima der Amplitude im Spektrum
-ändern ihre Position nicht
-erzeugen charakterischen Klang z. B. bei Instrumenten
Schallausbreitung: Luft/Wasser vs feste Stoffe
Luft/Wasser: Longitudinalwellen
feste Stoffe: Transversalwellen
Longitudinal vs Transversal
Longitudinal: Schwingung u. Richtung parallel
Transversal: Schwingung u. Richtung senkrech
Vermeidung stehender Wellen
- Raumgeometrie ohne gegenüberliegende, parallele Wände
- Einbau von Tiefenabsorbern, die in der Frequenz auf die störenden Raummoden abgestimmt sind
Ebene Welle
-zeitlich unbegrenz, gleichmäßig schwingende Wand mit unendlicher Fläche
-hat an jedem Punkt der Periode die gleiche Energiedichte
Kugelwelle
-punktförmige Quelle
-es gibt das Abstandgesetz für die Energiedichte
Zylinderwelle
-unendlich lange Linienschallquelle
-jeder Zylinder der gleichen Periode in in x-Richtung die gleiche Energiedicht
-in Ausstrahlungsrichtung: Kugelwellenartiges Verhalten
Schallbeugung
Schall trifft Hindernis -> Öffnunf der Größe a
- a>lamda: ebene Welle
- a<lamda: Kugelwelle
Fresnel-Huygenssches Gesetz
Materieteilchen einer Kugelwelle tirfft auf schallharte Wand -> Auftreffpunkt wird Ausgangspunkt einer neuen Kugelwelle
Absorbtionsgrad
Verhältnis reflektierte/absorbierte Schallenergie
Höhenabsorber
Meist Vorhänge, Teppiche oder spezielle Schaumstoffplatten, die an Wänden montiert werden. Dämpfen bzw. schlucken Frequenzen ab 2kHz
Mittenabsorber
Stoffbahnen oder Schaumstoffmatten, die auf Holzrahmen in geringem Abstand vor schallharten Wand gespannt werden. Je nach Abstand erweitert sich der Absorbtionsumfang bis auf 500Hz nach unten
Tiefenabsorber
Vor schallharten Wänder frei schwingende Holzplatten. Durch große Masse und Fläche absorbieren sie Frequenzen bis zu 50Hz -> spezielle Resonanzkonstruktionen auf diekreten Frequenzbereich
Nachhallzeit T60
Zeitspanne in der Schalldruck um 60dB gesunken ist
-Regieraum: <0,3s
-Konzerträume 1-2s
Hallradius
Entfernung von einer Schallquelle, bei der Direktschll genauso stark ist wie der vom Raum reflektierte Schall -> Sprecher außerhalb des Radius nicht mehr verstehbar
Gesetz der ersten Wellenfront
Für Hörenden kommt Schall aus der Richtung aus der die erste Welle eintrifft, egal ob direkt oder reflektiert
Wandlerprinzipe
1) Kondensator-Mikrofon
2) Dynamisches Mikrofon
Dynamisches Mikrofon
- Membran ist mit einer Spule verbunden, die frei schwingt
- Schwingung induziert magnetisch Strom
- geringe Empfindlichkeit: wird oft für laute Quellen eingesetzt
- nicht linearer Frequenzgang und keine hohe Impulsgenauigkeit
- U = v B l
Kondensatormikrofon
- Membran wird durch Schall angeregt und schwingt
- Membran agiert als Elektro: Plattenabstand ändert sich durch Schwingung -> Kapazität ändert sich
- hohe Empfindlichkeit: Aufnahmen klingen klarer im Vergleich zu dynamischen Mikrofonaufnahmen
- linearer Frequenzgang
- hohe Impulsgenauigkeit
- Kondensatormikros benötigen 48V-Phantomspeisung (einzige Ausnahme: Elektret-Mikrofon)
Grenzflächenmikrofone: Vor- und Nachteile
+ es treffen immer Schalldruckmaxima auf das Mikrofon (keine Auswirkung von stehenden Wellen)
+ Grenzflächenmikros sind leicht zu verstecken
+ sehr gut für wandernde Schallquellen
- nehmen viele Raumgeräusche auf
Richtmikrofone
Nur Schallanteile mit 0° Einfallswinkel addieren sich im Rohr phasengleich. Alle anderen Einfallsrichtungen löschen sich aus oder werden gedämpft.
+ gute Sprachqualität aus sehr großer Entfernung
- nicht für Musik geeignet
Lavaliermikrofone: Vor- und Nachteile
+ nahezu unsichtbar
+ speziell abgestimmter Frequenzgang für Sprache
+ Signalübertragung über Funkstrecke
- Batterien nötig
- oft Störgeräusche beim Bewegen (zB Mikro reibt am Hemd)
Eigenschaften eines Druckgradientenempfängers
- Richtcharakteristik -> Niere, Superniere, Hyperniere, Acht
- die Kapsel mit der Membran ist rückseitig offen
- Membran wird durch Druckunterschiede (Laufzeit) zwischen vorne und hinten bewegt
- Nahbesprechungseffekt
Kugelcharakteristik
- omnidirektional
- gleiche Empfindlichkeit in alle Richtungen
- Schalldruckempfänger
- nimmt Eigenklang des Raums mit auf
Achtcharakteristik
- bidirektional
- gleiche Empfindlichkeit nur vorne und hinten
- Schalldruckgradientenempfänger
- sehr linearer Frequenzgang
- nicht für sehr tiefe Frequenzen geeignet
Nierencharakteristik
- Mischung aus Kugel und Acht
- häufige Verwendung als Stützmikrofon
- blendet Raumanteile gezielt aus
- Kombination aus zwei Mikrofonkapseln oder mit Laufzeitgliedern als Dämpfungselement
Nahbesprechungseffekt
Nur bei Druckgradientenempfängern:
Bass-/Tiefenanhebung bei Abstand d zur Schallquelle kleiner als Wellenlänge lamda der Schallquelle
Wellfront wird gekrümmt und tirfft auf den Empfänger -> Schalldruckunterschied zw. Vorne u. Hinten -> ohne Wegdifferenz (bei d>lamda) erhöht sich Krümmung -> starke Auslenkung der Membran
Kammfiltereffekt
Überlagerung von Frequenzanteilen aus dem Direktsignal und dem Raumsignal -> Verstärkungen und Auslöschungen einzelner Frequenzen (Phasing) -> unnatürlicher Klang
Klirrfaktor
Verhältnis erzeugter Obertöne zu Sinussignal am Eingang
Bassbereich 5%
Sprachbereich 0,4%
Impulsverhalten
Phasenverschiebung bzw Verzögerung Eingangssignal zu Ausgangssignal
Wirkungsgrad
Verhältnis zugeführter Leistung zu abgegebenen Schalldruck
92dB = 1%
95db = 2%
Nearfield-Monitoring
Lautsprecheranordnung im Studio
Toningenieur bildet mit linkem u. rechten Lautsprecher ein gleichseitiges Dreieck -> Eigenklang des Raums weitesgehend ausgeschlossen
Je größer das Membran eines Mikrofons...
...umso tiefere Frequenzen können aufgenommen werden
Konuslautsprecher
Funktion: Strom durch Spule -> induziertes Magnetfeld -> Membran wird in Schwingung versetzt
+ gut für Tiefen
- schlecht für Höhen -> Partialschwingungen entstehen
-> kleinerer Konus gut für Mitten
elektrodynamischer Kalottenlautsprecher
keine äußere Membran, Klappe erzeugt Schwingung
+ besseres Impulsverhalten
- kleiner Kalottendurchmesser -> nur Hochtöner
magnetostatischer Lautsprecher
Membran aus Kunststoff von Schwingspule angetrieben, Magneten auf durchlöcherten Polplatten sorgen für parallele Schwingspulenentwicklung
+ hervorragendes Impulsverhalten
- begrenzte Membranauslenkung -> meist nur Hochtöner
elektrostatischer Lautsprecher
el. Elektroden: eine frei beweglich -> Prinzip des Kondensatormikrofons
- schlecht für tiefe Frequenzen
elektrodynamischer Bändchenlautsprecher
zwischen Magnetplatten gespanntes Aluminiumbändchen
+ schnellster Schallwandler -> fast nur Hochtöner
- niedrige Impedanz u. Wirkungsgrad
Flachmembranlautsprecher
klassicher elekrodynamischer Schwingspulenantrieb, plattenförmige Membran -> Nachahmung abstrahlender Flächen von Instrumenten
+ als Einrichtung tarnbar
+ Abstrahlverhalten vor Einbaufläche sehr homogen
Piezoelektrischer Wandler
Piezoelektrischer Kristall verformt sich unter Spannung -> erzeugt Schwingung
Besonders: Kondensatorverhalten
- kleine Amplituden -> nur Hochtöner
+ theoretisch parallel schaltbar zu anderen Lautsprechern
Bassreflexgehäuse
Rückseitiger Schall wird über Bassreflexrohr nach vorne ausgegeben -> Resonanzfrequenz sorgt für phasenrichtige Überlagerung
Mehrweglautsprechergehäuse
Übertragung auf mehrere Strahlersysteme über Frequenzweiche
- Phasenproblem, Laufzeitunterschiede -> Klangfärbung
-> Abhilfe: Koaxialbauweise: Zwei Lautsprecher auf einer Achse
Vorteil der Koaxialbauweise von Mehrweglautsprechergehäusen
Mittel- und Tieftöner sind "ineinander gebaut"
+ Vorteil: gleichphasige Abstrahlung -> kein Laufzeitunterschied zwischen Tief-, Mittel- und Hochtöner
Messtechnische Kennwerte eines Lautsprechers
- Frequenzgang -> möglichs gesamter Hörbereich
- Impulsverhalten
- Wirkungsgrad
- Klirrfaktor -> ideal 0%
Symmetrische Signalführung
XLR Stecker (1 Masse, 2 Hot/+, 3 Cold/-)
dreiadrige Kabelführung
+ umempfindlich gegen elektromag. Einstreuung
-> 180° verschobene Phasen, die phasengedreht addiert werden
+ über große Kabllängen relativ stabil und störungsfrei
Unsymmetrische Signalführung
v. a. für Consumer-Geräte, z. B. CD-Player, PC-Audioverbindung
- Störsignale bei langen Kabeln
+ wirtschaftlicher und platzsparender
Berechnung analogen Funkhauspegel p
p = 20 lg ( U / 1,55V )
analoge vs digitale Pegelmessung
digital: Digitale Null bei 0dB fs (full scale) -> digitale Vollaussteuerung, keine positven Werte
analog: 9dB = 0dB fs, 0dB entspricht 100% Aussteuerung
Def. Stereo
Wiedergabe eines Tonsignals über zwei Lautsprecher, die auf der Höreben in gleicher Höhe aufgestellt sind
Wiedergabe monofoner Tonaufnahme mit zwei Lautsprechern
Phantomschallquelle in der Mitte (vom Kopf)
Vorausgesetzt: gleicher Pegel der Lautsprecher, Hörer u. Lautsprecher bilden gleichseitiges Dreieck
Wiedergabe von stereofoner Tonaufnahme mit zwei Lautsprechern
räumlicher Höreindruck -> Laufzeit- und Intensitätsunterschiede zw. den Lautsprechern
Pegeldifferenz-Lokalisationkurve
beschreibt Wanderung der Phantomschallquelle zw. zwei Lautsprechern bei Pegel- bzw. Laufzeitänderung
Mehrkanalstereofonie
bis zu 5 vollwertige Lautsprecher und Subwoffer: Links, Center, Rechts, Hinten links, Hinten rechts und Subbass
+ Fixierung der Phantomschallquelle mittig -> auch wenn Hörer nicht perfekt mittig ist
Musik meist auf Front (L+R)
Dialoge meist Center
Surroundkanäle für Effekte, Hall, Atmo
XY-Stereofonie
Intensitätsstereofonie
beide Mikrofonkapseln sind am gleichen Ort im Raum
zwei Mikros im 90°-Winkel zueinander
+ monokompatibel -> nur Pegeldifferenz zw. den Signalen
- wenig räumliche Abbildung -> ungeeignet z. B. für Orchester
*4 Ebenen des räumlichen Hörens und zugehörige Filter
- Pegelunterschied -> Compressor
- Zeit/Laufzeitunterschied -> durch Delay
- Filter/Frequenzunterschied -> durch EQ
- Kanäle -> mono/stereo/mehrkanal
AB-Stereofonie
Laufzeitstereofonie
zwei Mikrofone parallel nebeneinander im Abstand von ca. 20 cm („Klein-AB") bis zu 2 m („Groß-AB")
A-Mikro links, B-Mikro rechts
+ sehr räumlich -> gut für Konzertsäle
- Phasenprobleme, Kammfiltereffekt
- nur bedingt monokompatibel
Äquivalenzstereofonie
Mischung Intensitäts- u. Laufzeitstereofonie
Laufzeitstereofonie mit zwei Nierenmikrofonen
z. B. ORTF-Technik
*Welchen Nachteil hat ein Mehrweglautsprechergehäuse ohne Koaxialbauweise
Laufzeitprobleme (Kammfiltereffekt)
*Stereofon aufnahmen
- zweimal das Gleiche aufnehmen, zB ein Gitarrenstück
- eine Aufnahme auf den linken Kanal, die andere auf den rechten Kanal legen
MS-Stereofonie
Mono „M" ist eine Kugel oder eine Niere
Stereo „S" dagegen immer eine Acht -> el. zweifach verwendet in Phase (+) und Gegenphase (-)
Verwendung: z.B. UKW-Radio
+ Achter-Signal: durch Veränderung kann Sterobasisbreite beeinflusst werden
Warum verwendet man symmetrische Signalführung über XLR-Stecker?
Unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen von außen, weil die beiden signalführenden Adern um 180° phasenverschoben sind
Die Pegel-Aussteuerung beträgt 50% - welche Werte ergeben sich dabei für:
- absoluter Spannungswert in V
- absoluter Spannungspegel in dBᵤ
- digitale Anzeige in dBfs
+0,775 V
+0 dBᵤ
-15 dBfs
Arten von Stereofonie
AB-Stereofonie (auch Laufzeitstereofonie genannt)
Stützmikrofonierung
Bearbeitung in der Zeitebene
Hartschnitt: Zusammenführung ohne Überblendung
Crossfade/Überblende: “weicher” Schnitt, variable Blendzeiten und logarithmische bis lineare Blendkurven
Time-Compression/-Expansion: Anpassung der Abspielgeschwindigkeit ohne Tonhöhenveränderung
Pitchshifting: Tonhöhenveränderung, “stimmen” der Geräusche, Anpassen von tonalen Unsauberheiten
Bearbeitung im Pegel
Nach gestalterischen Kriterien wird jedes Spurensignal in der Lautsärke statisch oder dynamisch festgelegt. Gesamtpegel im Summenkanal beachten -> Addition von Teilsignalen führt schnell zu Übersteuerung
Bearbeitung im Spektrum
Filter zur klanglichen Optimierung von Aufnahmequellen:
Mitten- oder Grenzfrequenz: Cut-Off in Hz
Absenkung/Verstärkung in dB
Flankensteilhiet in dB/Oktave bzw. Q-Faktor (Bandbreite)
Ein-/Ausschalter (Bypass)
4 Tipps zum Arbeiten mit Filtern
Störfrequenzen: erst maximal verstärken u. hohe Güte, dann Mittenfrq. verschieden bis Störfrq. deutlich, schließlich abschwächen
Filter ist Beginn der Effekt-Kette
Sprachaufnahmen: 300 Hz bei tiefen Stimmen zu viel, 2-3 kHz bei allen zu wenig -> Hochpass ca. 80 Hz + obere Frq. auf ca. 8 kHz erhöhen
Verteilung: typische Spektren von Instrumenten müssen berücksichtigt werden -> nicht überdecken
Filterbandbreite
Mittenfrequent fC geteilt durch Güte Q
z. B. eingestell fC= 1kHz, Q=5 -> Filterbandbreite=200Hz -> untere Grenzfrequenz 900Hz, obere 1100Hz
kleine Güte -> breitbandig
große Güte -> schmallbandig
Bearbeitung in der Lautheit
d. h. Kompression u. Limiter
begrenzen/minimieren Dynamik des Signals -> Amplitude nachträglich angehoben
Je kürzer aufeinanderfolgende Peaks, desto lauter wird es empfunden
Attack: wie schnall Signal nach Schwellwertüberschreitung (Treshold) abgeschwächt wird
Release: wann die Reduktion endet
Knee: Einsatzpunkt der Abschwächung
Bearbeitung der Räumlichkeit
d. h. Hall u. Delay
Halltypen: Halle, Raum, Platte, draußen
Hallanteil: Pegel, Abfallzeit/Decay oder Reverb Time
Reflexionsanteil: 100% Diffusion = sehr dichter Hall, 0% Diffusion = totale Absorption
über Hilfskanal (stereo) bzw. Aux-Kanal
Einstellung: Delay, Reflexionsstärke, Feedback (Reflexionswiederholung)
Predelay
Zeitspanne bis zum Eintreffen der ersten Raumreflexion
3 Tipps zum Arbeiten mit Hallprozessoren
einzelne Geräusche “verhallen” statt Gesamtmischung
Drum und Snare eigener Hallästhetik
Akustische Tiefenstaffelung über Predelay und Hallanteil
4 Tipps zum Arbeiten mit Delays
kürzer als 10ms -> Kammfiltereffekt d. h. Klangfärbung
10-100ms: diskretes Reflexionsignal, erhöht Gesamtlautheit
>100ms: Reflexion als Einzelsignal (Echo) wahrnehmbar -> virtueller akustischer Raum simuliert
Berechnung Delaylänge: (60s/min Taktart 1000ms/s) / beats/min
Verlustbehaftete Kodierung
möglichst starke Datenreduktion ohne klangliche Einbußen
Maskierung bestimmter Frequenzen -> entfernen redundanten Daten
- rechenaufwendig
- Originalsignal nicht rekonstruierbar
Lauflängenkodierung/Run-lenght-encoding
originale Zeichenfolge beibehalten
sich wiederholende Zeichenketten nur einmal übertragen mit Anzahl der Wiederholungen (M-Byte)
-> nur sinnvoll bei großer Anzahl an Wiederholungen
z. B. aaaabbaaaaaabaaaaaaa -> 4a2b6a1b7a
Huffman-Kodierung
spezielle Form der Entropiekodierung
zwei Ebenen: Häufigkeit der Zeichen, häufigstes Zeichen = 1 Bit, nachfolgend mit Huffman-Code
geringste Bitzahl pro Zeichen
+ verlustfrei
+ relativ große Datenreduktion
z. B. 15xA, 7xB, 5xC, 6xD, 5xE -> {A, [ (B, C), (D,E) ] }
Prädiktive Kodierung
Keine Abfolge von Bytes sondern, Diffenz zum vorausgehenden Byte
z. B. DPCM
Implementiertes Vorhersagemodell -> vermeidet neue Daten
Transformationskodierung
z. B. FFT, DCT, MDCT
zeitabhänige Funktion in frequenzabhängige umgewandetlt
einzelne Spektralräume gut seperat in Subband-Codierung berechenbar
Subbandkodierung
nach FFT wird Signal in einzelne Frequenzbänder aufgeteilt und getrennt kodiert
jeweils nach Änderungswahrscheinlichkeit kodiert -> relevante Bänder feiner quantisiert und kodiert, d. h. höhere Bitrate -> kein Änderung führt zur Bit-reduzierten Kodierung
*Zwei Merkmale digitaler Filter
- Signalverzögerungen bis zu einigen ms (Verzerrung)
- Flankensteilheit bis zu 100dB pro Oktave
*Funktionsweise Compressor
1) Einengung der Dynamik (erst ab dem eingestellten Threshold, zB -24 dB, wird das Signal reduziert)
2) Verstärkung (= Gain) des gesamten Signals
X Unterschied zwischen:
- PlugIn als Insert
- PlugIn als Aux-Return
- Insert: der Effekt (zB Hall) ist auf der gleichen Spur wie das Signal
- Aux-Return: der Hall ist auf einer getrennten Spur wie das Signal
X Kodierungsform mp3
Subbandkodierung:
- Aufteilung des Eingangssignals durch FFT oder DCT in einzelne Frequenzbänder
- Komprimierung kaum/nicht hörbarer Frequenzbänder (anhand psychoakustischem Modell)
X Wobei hilft das Mastermeter
Es hilft, die Mischung zu optimieren (zeigt Übersteuerungen und Verzerrungen an)
X Wie sollte man den Wet/Dry-Regler beim Hall über Aux-Send einstellen
Auf 100% Wet
X Was ändert der Wet/Dry-Regler beim Compressor
je größer der Dry-Anteil, umso natürlicher der Klang (weil unkomprimiert)
je größer der Wet-Anteil, umso stärker die Kompression und umso unnatürlicher der Klang
*New York Compression bzw. Parallelkompression
- 1 kopierte Subgruppe mit Kompressor
- Vorteil: natürliche Dynamik
-> Erzeugt mehr Natürlichkeit und Präsenz
* Offene/Geschlossene Instrumente
Geschlossen: Sinusbauch an “Wand”, lamda/4
Offen: lamda/2
Tipp zum Arbeiten mit Kompressoren
für dynamische, hochfrequente Verläufe: kurze Attack ca. 20ms
für hohen Eigenklang, Bass: lange Attack ca. 50ms
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