Tonstudio und Bühnensound 2: Interferenzen und Kammfiltereffekte

Bevor wir heute zum Thema Interferenzen und Kammfiltereffekte kommen, ein kleiner Rückblick. Im ersten Beitrag dieser kleinen Reihe über Akustik und Sound haben wir uns einen Überblick über die groben Zusammenhänge verschafft, wie wir hören und welche Hauptfaktoren dafür verantwortlich sind, was wir hören. Wir haben uns überlegt, was zu einer guten akustischen Übertragung gehört und damit zu einem befriedigenden Ergebnis führt und haben dazu folgende Kriterien definiert: Hohe Klangfarbenneutralität, also Sound möglichst nahe am Original, in Verbindung mit einer damit einher gehenden Transparenz. Exakte Lokalisationsschärfe, also die Verortung der Schallquelle an einem realen (Orchester) oder gewünschten (Games und Produktionen) Ort. Hier geht es heute um …

Interferenzen und Kammfiltereffekte

Auf dem Weg von der Klangquelle zum Hörer gibt es viele Faktoren, die das Signal beeinflussen und sich positiv wie auch negativ auf das Ergebnis auswirken können. Dabei können folgende Probleme auftauchen:

• Signalverfälschungen durch Überlagerungen und Interferenzen
• Es klingt zu hallig
• Der Sound ist undeutlich, schlechte Sprachverständlichkeit
• Es klingt an jeder Stelle im Raum anders
• Die Pegelunterschiede im Raum sind zu groß
• Feedback-Probleme (Mikrofone-Lautsprecher)
• Harte Echos (auch mit unangenehmen Auswirkungen auf der Bühne)
• Vorne zu viel Bass, hinten nichts oder sehr ungleichmäßige Basswiedergabe
• Grundsätzlich ungeeignete oder falsch positionierte Lautsprecher

Heute schauen wir uns das Gebiet der Interferenzen an, die zeitlich gesehen, direkt mit dem Original Signal verknüpft sind. Durch eine Überlagerung des Signals mit sich selbst in kurzem zeitlichen Abstand kann es zu einer gravierenden Änderung des Originals kommen. Diese Art der Interferenz wird im akustischen Kontext gerne auch als Kammfiltereffekt bezeichnet. Teile des Signals können komplett ausgelöscht werden (Notches) oder bis zum doppelten (Peaks) verstärkt werden. Somit verändert sich der Frequenzgang des Originals. Je stärker die Interferenzerscheinungen, desto weniger hat das resultierende Signal mit dem Original gemeinsam.

Sobald ein Signal auf mehreren zeitversetzten Wegen mit sich selbst interagiert, entstehen Interferenzen. Diese kommen dann beim „Empfänger“ als mehr oder weniger verfälschtes Original an. Der Empfänger kann in unserem Fall ein Mikrofon oder das Ohr sein.

Bevor wir diese Effekte an einem realistischen Beispiel hörbar machen, sehen wir uns einige Situationen an, in denen uns in unserem akustischen Umfeld täglich Interferenzen und Kammfiltereffekte begegnen.

Interferenzen und Kammfiltereffekte beim Abhören

• Bei Lautsprechern, die nah an einer Wand oder weiteren Begrenzungsflächen stehen,
  kommen beim Hörer als Schallquelle der Lautsprecherklang plus die direkten Reflektionen der naheliegenden Oberflächen an. Besonders bei der Studioarbeit kann das zu gravierenden Fehlbeurteilungen beim Mischen führen.
• Bei mehreren Lautsprecher, die nah beieinander stehen und das gleiche Signal abstrahlen. Diese Konstellation begegnet uns oft beim Bühnenmonitoring, wenn mehrere Wedges für den Sänger aufgestellt werden und sehr laut betrieben werden. Je nach Position des Sängers ändert sich der wahrgenommene Sound und die Feedback-Empfindlichkeit des Gesangsmikros. Ein anderer Fall ist die Publikumsbeschallung mit mehreren nah beieinander stehenden, nicht optimal aufeinander eingestellten Lautsprechern. Im schlechtesten Fall kann man so zwar den Pegel erhöhen, fährt aber die Sprachverständlichkeit und gleichmäßige Tonalität der Anlage im Auditorium an die Wand.
• Bei mehreren Mikrofonen, die leicht zeitversetzt das gleiche Signal empfangen. Beispielsweise ein Sprecher, der mit mehreren Mikrofonen gleichzeitig abgenommen wird. Mehrere Sprecher, die mit offenen Mikros nebeneinander sitzen. Oder wenn bei der  Schlagzeugmikrofonierung mehrere Mikros gleichzeitig mehrere Toms abnehmen.

Das sind einige Beispiele, für die wir später Optimierungsansätze finden.

Wie entstehen und klingen Interferenzen und Kammfilter?

Zum Einstimmen, wie so etwas klingt bzw., wie sich der Frequenzgang  und der Klang eines Audiosignals verändert, könnt ihr hier eine wunderschöne akustische Simulation eines Kammfiltereffektes erleben. Es ist eindrucksvoll zu sehen und zu hören, was passiert, wenn das Originalsignal noch einmal mit wechselnder Zeitverzögerung sich selbst zugemischt wird.

Exemplarisch stellen wir hier die Situation eines Sprechers an einem mikrofonierten Rednerpult nach.

Im Spiel sind hier

• eine Schallquelle, die ein breitbandiges weißes Rauschen erzeugt
• eine Reflexionsfläche mit 100 % Reflexionsfaktor
• ein Schallaufnehmer (Mikrofon mit Kugelcharakteristik)

https://www.youtube.com/watch?v=u02-o_0UORM

Die Grundsituation sieht so aus

Wir haben eine Schallquelle mit Rundstrahlcharakteristik an einem festen Ort. Als Testsignal wird weißes Rauschen erzeugt, das den gesamten hörbaren Bereich abdeckt. Weißes Rauschen deshalb, weil unser Gehör hier besonders empfindlich auf Änderungen reagiert.

Unter der Animation kann man parallel zum Hören immer den aktuellen Frequenzgang sehen. Anfangs starten wir mit dem Mikrofon, das bündig in der Reflexionsfläche eingebaut ist und somit ein reflexionsfreies Signal empfängt. Was wir jetzt hören, ist gleichzeitig als frequenzlineares, breitbandiges Signal in der Darstellung zu sehen.

Bewege ich nun das Mikrofon, sieht (und hört) man, dass bei geringen Distanzänderungen zur Reflexionsfläche zuerst die ganz hohen Frequenzbereiche „Löcher“ bekommen, vergrößere ich den Abstand, werden auch die tieferliegenden Frequenzen beeinflusst.

Was ist eine Interferenz?

Um die Zusammenhänge zu verstehen, gehen wir von einem stark vereinfachten Modell aus. Wir betrachten zwei sinusförmige Schwingungen gleicher Frequenz und gleicher Amplitude und schauen uns an, was passiert, wenn wir diese addieren. Definiert werden die Interferenzen über die Phasenlage und den Pegel der Reflexion mit Bezug auf das Originalsignal. Für uns heißt das, dass sich zwei Signale gleicher Frequenz mit unterschiedlicher Phasenlage addieren und wir die Summe daraus hören/sehen. Die Phasenlage ist ein Begriff aus der Physik und gibt an, um wie viel die beiden ansonsten gleichfrequenten Signale in ihrem zeitlichen Zusammenhang gegeneinander verschoben sind. Die Phasendifferenz wird in Grad ° angegeben, wobei 360° ein kompletter Schwingungsdurchlauf ist.

Positive (konstruktive) Addition = Signalverstärkung liegt vor, wenn die Phasenlage der Reflexion, bezogen auf das Originalsignal zwischen 0° und +/-120° liegt. Dabei liegt die maximale Addition bei 0°, also der vollständigen Wellenlänge λ und Vielfachen davon.
Hierbei gilt: Wenn Originalsignal und Reflexion gleiche Pegel und Phasenlage haben, ist Resultat der doppelte Pegel.

Hier werden zwei Signale mit gleicher Frequenz und gleichem Pegel bei 0°Phasenverschiebung addiert

Hier werden zwei Signale mit gleicher Frequenz, aber unterschiedlichem Pegel Pegel bei 0°Phasenverschiebung addiert

Im oberen Bild liegen Signal 1 und Signal 2 schwer sichtbar übereinander. Im unteren Bild noch einmal leichter sichtbar die Addition mit unterschiedlichen Pegeln.

Negative (destruktive)  Addition = Signalabschwächung liegt vor, wenn die Reflexion, bezogen auf das Originalsignal zwischen 120° und 240° liegt. Dabei liegt die maximale Auslöschung bei 180° = λ/2, also der halben Wellenlänge und ungeradzahligen Vielfachen davon. Hier gilt: Wenn Originalsignal und Reflexion gleiche Pegel haben, ist das Resultat bei 180° Null Pegel, also eine vollständige Auslöschung.

Hier werden zwei Signale mit gleicher Frequenz und gleichem Pegel bei 180°Phasenverschiebung addiert

Hier werden zwei Signale mit gleicher Frequenz aber unterschiedlichem Pegel bei 180°Phasenverschiebung addiert

Und zum Schluss noch die Addition zweier Signale mit 120° Phasenverschiebung. Schön zu sehen ist, wie sich die zeitliche Position des Summensignals (Rot) ändert.

Die Addition zweier Signale mit 120° Phasenverschiebung bei gleichen Pegeln

Jetzt ist es so, dass Musik aus unendlich vielen verschiedenen Frequenzen zwischen 20 und 20.000 Hz besteht, die gleichzeitig auftreten und wobei jede Frequenz eine andere Wellenlänge hat. Somit ergeben sich im Interferenzbild gleichzeitig alle möglichen Zustände zwischen maximaler Verstärkung und maximaler Abschwächung. In der Summe kann das eine sehr starke akustische Verformung des Originals bewirken. Und genau das wollen wir verhindern.

Dazu gibt es eine goldene Regel: Wenn der Schallpegel des Interferenzsignals  Lp2 mindesten 10 dB kleiner ist als der Schallpegel des Originalsignals Lp1,  dann wird die Interferenz soweit durch das Original überdeckt, dass sie nur noch unwesentlich hörbar ist. Hierbei gilt: Je stärker die Unterdrückung der Interferierenden Signale, desto besser.

Dieses Ergebnis wollen wir in allen Situationen erreichen.

Um diesen Effekt hörbar zu machen, habe ich Sprache aufgenommen und dabei zum Original ein zweites zeitversetztes Original mit verschiedenen Verzögerungen addiert mit a) gleichem Pegel  b) 5 dB Pegelreduktion und c) 10 dB Pegelreduktion. Man hört sehr schön, dass im letzten Fall das Kammfilter immer weniger Wirkung zeigt.

Weiter geht’s mit realen Situationen:

Fallbeispiel: Lautsprecher nah an mindestens einer Wand

Steht ein Lautsprecher, beispielsweise ein Studiomonitor, mit seiner Rückseite an einer Wand oder sogar in einer Ecke, erreicht der Direktschall auf mehreren Wegen unser Ohr:

1. Auf direktem Weg von der Lautsprecherfront

2. Auf den Wegen, die eine direkte Reflexion über die Wände ermöglichen

3. Über ungünstig angebrachte Arbeitsflächen, die zwischen dem Lautsprecher und dem Hörer liegen. Hier gelten besondere Bedingungen.

Das Resultat ist bekannt: Interferenzen und Kammfiltereffekte, die den Sound verfälschen.

Um ein konkretes Beispiel zu konstruieren, nehmen wir einen imaginären Lautsprecher, der eine Breite von 20 cm hat und 1 m entfernt von der Rückwand steht. Boden und weitere Wände würden adäquat betrachtet.

Wir wissen, dass bei ca. 85 Hz  entsprechend λ/2 vom Abstand 1 m bei der Addition von Hin- und Rückweg zur Wand eine maximale Auslöschung entsteht und somit ab ca 63  Hz ( =120°) keine konstruktive Schalladition mehr stattfindet, sondern wir im Bereich der Kammfilter ankommen.

Jetzt wissen wir aber auch, dass unser Lautsprecher nicht alle Frequenzen rundum abstrahlt und damit die seitlich und hinten liegenden Flächen erreicht. Ab den Frequenzen, deren Wellenlänge halb so groß ist wie die Lautsprecherfront breit ist, wird der Schall vornehmlich nach vorne abgestrahlt. Die Formel dafür ist f = c / 2λ

Dabei ist f die Frequenz, ab der der Lautsprecher nach vorne bündelt
c ist die Schallgeschwindigkeit von ca. 340m/s
λ ist die Wellenlänge der betrachteten Frequenz, in diesem Fall unsere Lautsprecherfront mit 0,2 m

Das heißt, dass unser Lautsprecher ab f= 340m/s : 2x 0,2m = 850 Hz anfängt zu bündeln.                  Damit ist klar, dass die Bereiche von ca. 60 – 850 Hz besonders beobachtet werden müssen und wir dort arbeiten können, um unser 10 dB Ziel von Originalsound versus Reflexionspegeln zu erreichen.

Unter 63 Hz ist unser Lautsprecher lauter durch die konstruktive Addition, wenn weiter keine Bearbeitung stattfindet. Hier hilft es, bassschwächere Lautsprecher einzusetzen oder den Bassüberhang mit elektronischen Filtern zu begradigen.

Oberhalb 63 Hz bis in den oberen Bassbereich hilft der Einsatz sog. Basstraps, das sind Akustikelemente, die tiefe Frequenzen absorbieren und damit Reflexionen und Raummoden minimieren, was für einen präziseren Sound sorgt.

Basstraps zähmen Raummoden und machen den Sound im Basskeller präziser

Darüber hinaus lassen sich an den umgebenden Seitenwänden gezielt Absorber auch für den Mitteltonbereich anbringen oder auch die Wände so anschrägen, dass sie den reflektierten Schall vom Hörer weg lenken.

Weitere Möglichkeiten, um den Klang zu verbessern

• Die Lautsprecher bündig in eine Wand einbauen, so bauen sich kaum Zeitversätze in der Abstrahlung auf.
• Ist der Raum groß genug, kann man die Lautsprecher in größerer Distanz zu den seitlichen Begrenzungsflächen aufstellen. Damit lassen sich Kammfiltereffekte deutlich minimieren.
• Mit einem zusätzlichen Subwoofer arbeiten. So können die Hauptlautsprecher an den optimalen Plätzen für ein ideales Stereodreieck positioniert werden und der Bass unabhängig davon an einem geeigneten Ort. Wichtig dabei ist es, die Systeme per Filter und entsprechender Zeit- und Phasenanpassung zu „verheiraten“.

Ein weiterer Aspekt sind Reflexionen, die sich auf dem Weg zwischen Lautsprecher und Hörer ausbilden.

Besondere Beachtung sollte man hier der Arbeitsfläche oder Pultoberfläche widmen. Diese liegt zwischen Lautsprecher und Hörer und kann durch Reflexionen im Mittel- und Hochtonbereich in Richtung Hörer ebenfalls zu starken Klangverfälschungen führen. Deswegen darauf achten, dass durch die Positionierung der Monitore vs. Arbeitsplatz möglichst wenig direkte Reflexionen am Ohr eintreffen.

Im nächsten Teil der Serie geht es weiter mit der Interaktion zwischen mehreren Lautsprechern und wie man hier die Probleme erkennt und vermindert.