Stereofonie

Mit Stereofonie (griechisch: στερεος stereos „hart, starr, Raum“; φονη phōnē „Ton“) werden Techniken bezeichnet, die mit Hilfe von zwei oder mehr Schallquellen durch Pegeldifferenzen Δ L oder Laufzeitdifferenzen Δ t der Lautsprechersignale (Lautsprecher-Stereofonie) einen räumlichen Schalleindruck beim natürlichen Hören erzeugen.

Grundlagen

Zeichen für Stereo (2.0 Sound) auf DVD-Hüllen

Schematische Darstellung der Stereofonie

Im einfachsten Fall erfolgt die horizontal verteilte Abbildung allein durch Pegelunterschiede oder durch Laufzeitunterschiede der beiden Lautsprecherkanäle. Die Abbildung der Tiefenstaffelung beruht auf Ausnutzung von frühen Reflexionen und auf Klangverfärbungen durch blauertsche Bänder, um bei der Abbildung „diffus und präsent“ herauszuarbeiten und räumliche Tiefenabbildung aus dem Verhältnis von Direktschallanteilen D und Raumschallanteilen R sowie Pegeldifferenzen herauszustellen.

Beim Hören wird das psycho-akustische Phänomen ausgenutzt, dass der Mensch mit seinen Ohren auf Grund von interauralen Pegel-Unterschieden (ILD = Interaural Level Difference) und Laufzeit-Unterschieden (ITD = Interaural Time Difference) die Richtung von Schallquellen lokalisieren kann. Gute Hörbedingungen bei der Stereo-Lautsprecherwiedergabe bringt die Aufstellung im Stereodreieck. Der individuelle Ohrabstand des Menschen spielt bei Lautsprecherstereofonie keine Rolle, wohl aber bei der binauralen Aufnahmetechnik (Kunstkopf-Stereofonie), die allein für Kopfhörerwiedergabe geeignet ist:
Die Kunstkopf-Stereofonie mit den interauralen Signaldifferenzen hat sich nicht durchsetzen können, da zu deren Wiedergabe Kopfhörer erforderlich sind. Zwar können normale Stereosignale mittels Kopfhörern wiedergegeben werden, nicht jedoch Kunstkopf-Aufnahmen mittels Lautsprechern: letzteres führt zu Klangverfärbungen und fehlerhaftem oder fehlendem Stereoeindruck, da die mit dem Kunstkopf-Mikrofon gewonnenen inneren Ohrsignale nicht mit den Lautsprechersignalen gleichzusetzen sind. Das heißt: ILD und ITD sind nicht gleich Δ L und Δ t. Die Ohren des Hörers bilden aus den Signalen der Stereolautsprecher die eigenen Ohrsignale mit der persönlichen HRTF (Head Related Transfer Function – Übertragungsfunktion des eigenes Kopfes).

Akustische Aspekte

Es gibt mehrere Aufnahmeverfahren, um für die Lautsprecherstereofonie Stereo-Signale aufzuzeichnen. Man unterscheidet bei der Mikrofonierung insbesondere zwischen Laufzeit-Stereofonie und „Intensitäts“-Stereofonie, die richtiger Pegeldifferenz-Stereofonie genannt werden sollte. Mischformen bezeichnet man als Äquivalenzstereofonie.

Bei der sogenannten „Intensitäts“-Stereofonie (= Pegeldifferenz-Stereofonie) werden zwei Mikrofone verwendet, deren Richtwirkung so ausgenutzt wird, dass die Pegeldifferenz der Signale auf den beiden Kanälen eine bestimmte Hörereignisrichtung bei der Wiedergabe auf der Stereo-Lautsprecherbasis hervorruft. Genauer sind es allein die Schalldruckunterschiede, die hier wirksam sind und welche die Richtung der gehörten Phantomschallquelle bestimmen. Wird ein Tonsignal auf zwei Stereolautsprecher identisch verteilt, so nimmt der Hörer eine Phantomschallquelle genau aus der Stereomitte (Center) wahr. Wird nun das Signal auf einem Lautsprecher im Pegel erhöht, so wandert die Phantomschallquelle in Richtung dieses Lautsprechers, bei einer Pegeldifferenz von etwa 18 dB (16 dB bis 20 dB) nimmt der Hörer eine vollständige Auslenkung aus der Richtung der Lautsprecher wahr. Die einfachsten Hauptmikrofonaufstellungen sind hier X/Y-Stereofonie (zwei Nierenmikrofone mit dem entsprechenden Achsenwinkel zueinander, aber dicht am selben Ort) und M/S-Stereofonie (Kugelmikrofon für die Mono-Summe (M) und Achtermikrofon für das Links/Rechts-Differenzsignal (S), über eine elektronische Matrix zu Links und Rechts gemischt). Siehe hierzu Richtungsmischer und Panpot. Mit der Pegeldifferenzstereofonie erzeugt man bei der Lautsprecherwiedergabe die größte Lokalisationsschärfe der Phantomschallquellen.

Bei der Laufzeit-Stereofonie werden zwei Mikrofone mit einem gewissen Abstand voneinander, der Mikrofonbasis, aber auch in einem gewissen Abstand von der Schallquelle aufgestellt, so dass Schallereignisse abhängig von ihrer Position zu verschiedenen Zeitpunkten auf den beiden Kanälen als Laufzeitdifferenz Δ t aufgenommen werden. Wird ein Tonsignal auf zwei Stereolautsprecher identisch verteilt, nimmt der Hörer eine Phantomschallquelle genau aus der Stereomitte (Center) wahr. Wird nun das Signal auf dem einen Lautsprecher durch Laufzeitverzögerung verändert, so wandert die Hörereignisrichtung in die Richtung des anderen Lautsprechers. Bei einer Laufzeitdifferenz von etwa Δt = 1,5 ms (1 bis 2 ms) nimmt der Hörer eine vollständige Auslenkung (100% Hörereignisrichtung) aus der Richtung eines Lautsprechers wahr. Durch die unterschiedliche Distanz der Mikrofone zur Schallquelle ergibt sich zumindest bei den mikrofonnahen Instrumenten allerdings immer auch ein gewisser Pegelunterschied. Die bekannteste Hauptmikrofonaufstellung ist die A/B-Stereofonie. Das sind zwei Kugelmikrofone in definiertem Abstand, der Mikrofonbasis zueinander. Man unterscheidet „Klein-A/B“ etwa bei einer Basis kleiner als 35 cm (quasi Doppelkopf) und „Groß-A/B“ bei entsprechend größerer Basis. Dieser Wert ist nicht allgemein festgelegt.

Die Laufzeit-Stereofonie ergibt dabei einen besseren Raumeindruck des resultierenden Schallsignals, hat jedoch gegenüber der „Intensitäts“-Stereofonie die Nachteile, dass die Lokalisationsschärfe der Phantomschallquellen geringer ist und sich das Signal im Klang weniger kompatibel über Mono-Abspielgeräte wiedergeben lässt, da es durch die zeitlichen Verschiebungen zu Interferenz-Erscheinungen (Auslöschungen von bestimmten Frequenzen) kommen kann, die den Klangeindruck verfälschen (Mono-Inkompatibilität).

Mischformen, die nach dem Prinzip der Äquivalenzstereofonie Lokalisationsinformationen sowohl über Laufzeit- als auch über Pegeldifferenzen enthalten, versuchen, die Vorteile beider Verfahren zu verbinden. Bekannte Mikrofonaufstellungen sind hier beispielsweise ORTF und NOS.

Als eine seltene Aufnahmemethode sei hier noch an die Kunstkopf-Aufnahmetechnik erinnert. Dabei wird die Form eines menschlichen Kopfes nachgebildet, und an Stelle der beiden Ohren werden die Mikrofone angebracht. Diese Aufnahmetechnik zeichnet das Schallsignal etwa so auf, wie der Mensch es direkt an seinen Trommelfellen hört. Wird diese Aufnahme wie vorgesehen mit einem Kopfhörer abgehört (Kopftrennung), so empfängt der Hörer wieder das ursprüngliche Schallereignis an den Ohren und kann die Richtungen der Geräusche lokalisieren, wobei die genaue Vornelokalisation nicht immer gelingt. Verbessert werden kann die Wiedergabe von Kunstkopfaufnahmen durch eine Anpassung an die individuelle HRTF, also der Kopfübertragungsfunktion des Hörers, sowie über ein sogenanntes Head-Tracking, bei dem die Bewegungen des Kopfes in die Berechnung der Kopfübertragungsfunktion mit einbezogen werden. Eine Spezialform dieses Verfahrens ist die Echtkopf-Stereofonie, bei der eine Person Mikrofone im Gehörgang trägt. Binaurale Aufnahmen, also Kunstkopf-Aufnahmen sind aber generell nicht zur Wiedergabe in der Form der üblichen Lautsprecher-Stereofonie gedacht.

Es ist leicht ersichtlich, dass Aufnahmeverfahren, die Mischformen zwischen Lautsprecher- und Kopfhörerstereofonie darstellen, in der Praxis nicht zufriedenstellend funktionieren können. Einige davon, wie etwa die Jecklin-Scheibe (Mikrofonabstand jetzt 35 cm), werden jedoch bisweilen von Amateuren verwendet.

Wird eine Tonaufnahme (die nicht mit einem Kunstkopf aufgenommen wurde) über zwei Stereo-Lautsprecher wiedergegeben, die sich in einer Ebene vor dem Hörer befinden, so entsteht im Raum eine Schallfeldüberlagerung, die auf der Mittellinie zwischen den Lautsprechern einen Stereo-Höreindruck erzeugt. Das ist das gleichseitige „60°-Stereodreieck“. Der Zuhörer sollte sich idealerweise im „sweet-spot“ in der Mitte vor den Stereo-Lautsprechern befinden.

Werden mehrere Lautsprecher nebeneinander angeordnet, die jeweils eine definierte Mischung des Rechts- und Links-Signals wiedergeben, so kann dadurch der Bereich vergrößert werden, in dem der Hörer den räumlichen Höreindruck wahrnehmen kann. Dieses kann beispielsweise im Kino bei größeren Lautsprecherabständen der Fall sein.

Übertragungstechnik

Symbol für Stereo in Programmzeitschriften

Die ersten Schallplatten mit Stereo-Aufnahmen waren in Deutschland seit 1958 erhältlich. 1964 begann die Rundfunk-Übertragung mit Stereo-Ton auf FM/UKW (FM-Stereo)^[1], Anfang der 80er Jahren bekamen Fernsehsendungen auch Stereo-Ton. Durch geeignete Verfahren wurde sichergestellt, dass die neuen Signale zu den Mono-Signalen kompatibel waren, um sie weiterhin auch mit den alten Geräten wiedergeben zu können. Inzwischen gelang es auch, Stereo-Übertragungen im Lang-, Mittel- und Kurzwellenbereich durchzuführen (AM-Stereo) und in Stereo zu telefonieren.

Frühes „Stereo“

Schon zu Zeiten der Schellackplatten wurde versucht, räumliche Klangbilder zu produzieren. Es gab Grammophone mit zwei Nadeln und zwei Schalltrichtern, wobei ein künstlicher Stereoeffekt durch den Zeitversatz zwischen den beiden Nadeln entstand.^[2]

Walt Disney brachte seinen Zeichentricklangfilm Fantasia (1940) in „Fantasound“, einem frühen stereofonischen Tonverfahren heraus, das zur damaligen Zeit aber nur die wenigsten Kinos wiedergeben konnten.

Die Beatles zum Beispiel nahmen anfangs ihre Songs mit einer Art der „Stereotechnik“ auf, die genauer betrachtet zweimal „Mono“ ist. Die Instrumentalbegleitung wurde auf einen Kanal und der Gesang auf den anderen Kanal gelegt. Das hat recht wenig mit Stereo zu tun, außer dass aus jedem Lautsprecher etwas Verschiedenes herauskam. Ebenfalls aus dieser Zeit ist der Begriff „Ping-Pong-Stereo“ bekannt und bezieht sich auf eine Aufnahmetechnik, die Instrumente von links nach rechts – oder umgekehrt – wandern lässt. Dieses war insbesondere in der Frühzeit der Stereoaufnahmetechnik bei populärer Musik gefragt: Eine Stereoanlage war in den frühen 1960er Jahren ein Statussymbol – und man wollte schließlich den Effekt auch deutlich hören und im Freundeskreis stolz vorführen.

Zu Anfang der 1970er Jahre wurden aus Verkaufsgründen Monoaufnahmen „verstereofoniert“, was mit Pseudostereofonie oder auch mit „Electronic Stereo“ bezeichnet wurde.

Stereo in der Popmusik

Bei Popmusik-Studioproduktionen werden die einzelnen Klangelemente (Gesang, Instrumente, …) in einzelnen Spuren getrennt voneinander und nacheinander aufgenommen. Bei der Abmischung des Materials wird dann für jeden Track mittels des „Pan-Pot“-Reglers (Pan von Panorama und Pot von Potentiometer) die Position im Stereobild eingestellt. Für den Gesang ist es üblich, diesen genau in der Mitte zu positionieren, d. h. die Stimme erklingt aus beiden Lautsprechern gleich laut. Zusätzlich kann ein künstlicher Raumklang (Nachhall) hinzugemischt werden. Tontechniker bezeichnen diese Art der Aufnahme und Mischung als Knüppelstereofonie.

Stereo in der Praxis

Siehe hierzu auch Basisbreite.

Um einen stereofonen Klangeindruck zu erleben, müssen eine Reihe von Bedingungen erfüllt sein:

• Beide Lautsprecher sollten etwa gleich weit von Rückwand und den Seitenwänden des Raumes entfernt stehen. Insbesondere Standlautsprecher sollten nicht zu nahe an der Wand stehen
• Der Sitzplatz des Hörers sollte sich an der Spitze eines gleichseitigen Dreiecks, das zwischen ihm und den Lautsprechern gebildet wird, befinden. Praktisch heißt das, der Abstand der Lautsprecher untereinander sollte exakt dem Abstand des Zuhörers entsprechen. So erhält man einen Abhörwinkel von ±30° = 60°.
• Die Hochtöner sollten sich etwa auf Ohrhöhe des Hörers befinden
• Die Lautsprecher sollten in Richtung des Zuhörers zeigen.
• nur bei hoher Dämpfung (geringer Hall, geringe Reflexionen der Wände) ist ein gutes Stereo-Erlebnis zu erzielen

Zwar befindet sich heute in den meisten Haushalten, Schulen oder Konferenzräumen eine Stereo-Wiedergabemöglichkeit, die genannten Punkte sind aber nur selten erfüllt. Oft werden die Lautsprecher ungünstig platziert oder es treten unerwünschte Reflexionen an Wänden auf, sodass kaum ein guter Stereo-Eindruck zu erreichen ist.

Tragbare Stereo-Geräte (Radiorekorder, auch „Ghettoblaster“ genannt) haben Lautsprecher fest in 20 bis 30 cm Entfernung voneinander eingebaut. Zwar ist die Wiedergabe stereofon, jedoch müsste der Zuhörer für einen guten Stereoeindruck seinen Kopf unmittelbar vor das Gerät halten. Bei transportablen Geräten mit geringem Lautsprecherabstand wird daher oft eine elektronische Basisverbreiterung oder Basisbreitenvergrößerung (auch „3D-Stereo-Effekt“ genannt) angewendet. Dazu wird ein Teil der hohen Frequenzen jedes Kanals gegenphasig (also verpolt) dem jeweils anderen Kanal zugemischt. Es entsteht dann aufgrund der Laufzeit-Diskriminierung der Ohren der akustische Eindruck, dass die Lautsprecher weiter auseinander liegen, beziehungsweise das Richtungshören wird auch bei größerem Hörabstand verbessert.

Viele Heimkino-Anlagen nutzen den Effekt, dass der Abstrahlort tiefer Frequenzen unter 100 Hz für den Stereorichtungseindruck unerheblich sei - wohl aber für das Räumlichkeitsgefühl. Sie besitzen nur einen einzigen Lautsprecher (Subwoofer) zur Tiefenwiedergabe, die oft zugleich alle Verstärkerkanäle enthält und beliebig aufgestellt werden kann. Nur die Boxen zur Wiedergabe mittlerer und hoher Frequenzen (Satelliten) werden an relativ zum Hörer festgelegten Orten aufgestellt.

Literatur

• Gustav Büscher, A. Wiegemann: Kleines ABC der Elektroakustik. 6. Auflage. Franzis, München 1972, ISBN 3-7723-0296-3.
• Thomas Görne: Tontechnik. 1. Auflage. Carl Hanser, Leipzig 2006, ISBN 3-446-40198-9.
• Gregor Häberle, Heinz Häberle, Thomas Kleiber: Fachkunde Radio-, Fernseh-, und Funkelektronik. 3. Auflage. Europa Lehrmittel, Haan-Gruiten 1996, ISBN 3-8085-3263-7.

Siehe auch

• Knüppelstereofonie
• Quadrofonie | 5.1 | Raumklang | Stereodecoder

Weblinks

• Stereofonie-Aufnahmesysteme mit zwei Mikrofonen (PDF-Datei; 227 kB)
• Stereowiedergabe und Psycho-Akustik (PDF-Datei; 38 kB)
• Visualisierung aller Stereo-Mikrofonsysteme mit zwei Mikrofonen. Hier: EBS-Stereosystem - 2 x Niere 90° 25 cm Äquivalenzanordnung
• Zwei Ohren, zwei Lautsprecher? -Zur Problematik der Phantomschallquellen- basierenden Lautsprecherwiedergabe

Einzelnachweise

1. ↑ 22. März 2009 - Vor 45 Jahren: WDR-Hörfunk startet Stereo-Ausstrahlungen
2. ↑ http://web.archive.org/web/20041223002018/www.mekaanisenmusiikinmuseo.fi/HPIM0961.JPG