Vom akustischen Phänomen zum Effekt: Dopplereffekt, Kammfilter, Chorus

Musik und Akustik lassen sich nicht voneinander trennen. Die Akustik ist die Grundlage aller Musik, zugleich aber auch der Aufnahmetechnik, der Beschallungstechnik und mehr. In diesem Artikel geht es einerseits um die wichtigsten Fachbegriffe und Phänomene der Akustik, aber auch um deren Anwendung.

Akustik

Unter Akustik versteht man die Wissenschaft vom Schall, der Schallausbreitung und der Schallrezeption. Sie befasst sich also mit den physikalischen, physiologischen und psychologischen Aspekten von Schall. Die Akustik ist eine Unterdisziplin der Physik und Grenzgänger, denn viele Fachgebiete benötigen die Akustik als Grundlage weiterer Forschung. Die Tontechnik und Musik ist hier nur ein kleiner Bereich. Architekten, Mediziner, Ingenieure und viele mehr befassen sich mit Akustik.

Schall und Schallausbreitung

Für Schall benötigt es einige Voraussetzungen: Eine Schallquelle als Sender, ein Trägermedium und schließlich einen Empfänger. Nun mögen die erste und die letzte Station irgendwie offensichtlich sein, doch sowohl die Schallquelle als auch der Empfänger sind maßgeblich an der Schallqualität beteiligt. Ganz viele Dinge geschehen auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger. Ein Trägermedium ist die Grundvoraussetzung der Schallausbreitung. Ein Trägermedium kann gasförmig, flüssig oder ein Festkörper sein. Im Vakuum findet keine Schallausbreitung statt.

Schallausbreitung bedeutet, dass ein Schallereignis die Moleküle des Trägermediums zu periodischen Schwingungen veranlasst. Ein schwingendes Molekül stößt ein benachbartes Molekül an und leitet die Schwingung weiter. Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis nicht mehr genügend Energie für die Schwingung vorhanden ist.

Schallgeschwindigkeit

Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit in Metern pro Sekunde, mit der sich der Schall in einem Trägermedium ausbreitet. Sie ist abhängig von verschiedenen Faktoren, darunter zum Beispiel das Trägermedium, sein Aggregatzustand und die Umgebungstemperatur. Im Trägermedium Luft spielt auch die Luftfeuchtigkeit eine Rolle. So beträgt die Schallgeschwindigkeit in trockener Luft und bei einer Lufttemperatur von 20°C circa 343 m/s. Die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern ist in der Regel deutlich höher als in Gasen oder in Flüssigkeiten. In Flüssigkeiten ist die Schallgeschwindigkeit meistens ebenfalls höher als Gasen.

Die Zeit, die vergeht, bis der Schall von seiner Schallquelle beim Hörer (oder Mikrofon) angekommen ist, bezeichnet man als Laufzeit des Schalls.

Reflexion und Beugung

Schall breitet sich im Freifeld normalerweise um eine Schallquelle herum kreisförmig aus. Das geschieht so lange, bis entweder jegliche Bewegungsenergie umgewandelt ist oder aber sich ihm ein Hindernis in den Weg stellt. In Abhängigkeit von der Größe und Beschaffenheit des Hindernisses sowie der Wellenlänge des Schalls wird dieser nun reflektiert oder gebeugt. Ist das Hindernis im Vergleich zur Wellenlänge klein, so wird der Schall um das Hindernis herum gebeugt. Das gilt zum Beispiel für den Bass. Ist das Hindernis im Vergleich zur Wellenlänge sehr groß, wird ein Teil des Schalls reflektiert. Das gilt zum Beispiel dann häufig für Mitten und Höhen.

Es kann aber auch sein, dass ein Teil des Schalls die Moleküle des Hindernisses zum Schwingen anregt. Nun breiten sich Schwingungen auch innerhalb des Hindernisses aus und treten vielleicht sogar auf der anderen Seite wieder aus, indem sie das das Hindernis umgebende Trägermedium zum Schwingen anregen. Die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Hindernisses kann sich von der des Trägermediums deutlich unterscheiden, zum Beispiel deutlich höher sein.

Ein solches Phänomen, bei dem Schall zum Beispiel einen Festkörper zum Schwingen anregt und dieser mit seinen Schwingungen wieder die Luft um ihn herum, kennen wir als Körperschall. Sehr unangenehm in Wohnhäusern, wenn der Nachbar wütend an die Tür klopft, weil ihn der übende Musiker nervt, obwohl dieser in einer anderen Etage wohnt. Schall breitet sich nämlich fantastisch über die Zimmerdecke, den Boden und auch Heizungsrohre aus, die dann ihrerseits wie eine Lautsprechermembran die sie umgebende Luft in der Wohnung des Nachbarn zum Schwingen verleiten.

Praktischer Nutzen der Erkenntnisse

Die Erkenntnisse zur Schallausbreitung, Laufzeiten, Reflexion, Beugung und Absorption spielen in vielen Bereichen eine große Rolle. Dazu gehört zum Beispiel die Mikrofonierung von Instrumenten, der Lautsprecherbau, die Aufstellung von Lautsprechern, der Instrumentenbau, der Tonstudiobau, der Bau von Veranstaltungsräumen, Schalldämmung und mehr. In der Tonstudioregie spielt insbesondere die Schallverteilung im Raum eine große Rolle, damit Reflexionen nicht den Klangeindruck am Abhörplatz verfälschen. Im Aufnahmeraum müssen Reflexionen gezielt gesteuert werden, um den gewünschten Klang von trocken bis lebendig zu erzielen. Das geschieht zum Beispiel durch mobile Diffusoren, Absorber, bewegliche Wände und Decken und mehr. Das Wissen um die Schallgeschwindigkeit und Laufzeit des Schalls ermöglicht erst die dezentrale Beschallung mit Delay Lines. Aber auch für den Bau von Lautsprechern sind die Laufzeiten des Schalls für die Abstimmung der Treiber aufeinander und die Konstruktion des Gehäuses wichtig. Laufzeiten und Reflexionen spielen auch bei der Schallausbreitung im Raum eine große Rolle.

Schall im Raum

Während sich Schall ohne Begrenzungen ungehindert um die Schallquelle herum ausbreitet, sieht das im Raum aufgrund einer Vielzahl an Reflexionen ganz anders aus. Hier treffen wir auf zwei Phänomene, die im Wesentlichen unsere Hörerfahrung prägen und ohne die Musikproduktion überhaupt nicht denkbar wäre.

Echo

Trifft Schall auf ein Hindernis und wird reflektiert, kann ein akustisches Phänomen entstehen, das wir als Echo kennen. Dabei nimmt der Hörer einmal das nicht reflektierte Direktsignal wahr und dann noch das reflektierte und mit einer deutlichen Verzögerung bei ihm eintreffende Signal. Durch den zeitlichen Versatz hört der Empfänger zwei Signale.

Hall

Hall ist ein Phänomen innerhalb von geschlossenen Räumen. Hier gibt es nicht nur ein Hindernis, das sich der Schallausbreitung entgegenstellt, sondern gleich sechs: Vier Wände, Boden und Decke. Wird Schall an einem dieser Hindernisse reflektiert, wird er gemäß dem Gesetz „Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel“ zurückgeworfen. Der reflektierte Schall trifft nun wiederum  nach kurzer Zeit auf die nächste Wand, den Decken oder den Boden und wird dort erneut reflektiert. Es entsteht schon nach kurzer Zeit ein dichtes Geflecht aus Reflexionen, das wir als Hall wahrnehmen. Je nach Größe des Raumes vergeht etwas Zeit von den ersten Reflexionen bis zum Aufbau der Hallfahne. Diese Zeit wird in Hallgeräten unter dem Parameter „Early Reflections“ zusammengefasst.

Anwendung in der Musikproduktion

Raumeffekte wie Hall oder Echo können entweder natürlich entstehen (Konzertsaal, Hallkammer) oder künstlich erzeugt werden (Hallgerät, Hallspirale, Plattenhall, Bandecho). Sie werden also entweder direkt bei der Aufnahme berücksichtigt oder später im Mix hinzugefügt.

Raumeffekte können ein Instrument oder eine Stimme groß und weit klingen lassen, weit weg, nah am Hörer, dreidimensional oder als Klangeffekt dienen, indem der Nachhall selbst der Klang ist oder fest mit diesem verbunden ist (Stichwort Shimmer Hall). Auch der musikalische Einsatz ist möglich, denkt man an U2 und Gitarrist The Edge mit dem massiven Einsatz von Echo-Effekten zur Erzeugung von rhythmischen Strukturen.

The Edge (U2) nutzt geschickt Echo- (Delay) Effekte, um rhythmische Strukturen zu erzeugen

Überlagerung von Schallwellen

Überlagern sich zwei identische Schallwellen, ergeben sich je nach Phasenlage konstruktive und destruktive Effekte. Sind beide Schallwellen phasengleich, d. h. haben sie einen identischen Startpunkt, ist das Ergebnis konstruktiv. Die Schalldrücke addieren sich. Verschiebt sich der Startpunkt einer Schallwelle gegenüber der anderen, kommt es zunehmend zu destruktiven Veränderungen bis hin zur kompletten Auslöschung bei 180° Phasenverschiebung.

Konstruktive (grün) und destruktive (rot) Überlagerung von Schwingungen

Maskierung

Eine besondere Form der Überlagerung von Schallwellen ist die Maskierung. Laute Frequenzen können benachbarte Frequenzen, die deutlich leiser sind, maskieren. Diese sind dann unter der Schwelle zur Hörbarkeit. Diese Schwelle wird als Mithörschwelle bezeichnet. Töne unterhalb der Mithörschwelle werden maskiert und sind unhörbar oder nahezu unhörbar. Töne oberhalb der Mithörschwelle werden wahrgenommen. So maskiert zum Beispiel Rauschen eines Föhns große Teile der Musik oder Sprache eines im selben Raum befindlichen Radios. Doch schon ein einzelner Ton von 1 kHz maskiert ab einer bestimmten Lautstärkedifferenz den benachbarten 1,1 kHz Ton.

Anwendung von Maskierungseffekten und Phasenverschiebungen

In der Musikproduktion versuchen wir, Maskierungseffekte und Phasenverschiebungen möglichst zu vermeiden, da sie sich negativ auf den Mix auswirken. Es gibt jedoch einen Bereich, der aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken ist und in dem Maskierung und Auslöschungen eine große Rolle spielen: Datenreduktion. MP3 und viele andere Verfahren zur Datenreduktion von Audiosignalen nutzen Maskierungseffekte und Auslöschungen. Der Algorithmus macht gezielt Signale ausfindig, die unterhalb der Mithörschwelle liegen. Diese Daten werden aus dem Datenstrom entfernt und somit die Dateigröße reduziert. Destruktive Phasenverschiebungen werden zum Beispiel genutzt, um unerwünschte Signalanteile aus dem Nutzsignal auszufiltern. Dazu werden Teile des Nutzsignals um 180° in der Phase verschoben und dem Nutzsignal wieder zugemischt. Auf diese Weise werden diese unerwünschten Signalanteile entweder stark im Pegel reduziert oder löschen sich gleich komplett aus. Angewendet wird das in der Audiorestauration und beim Noise Cancelling, zum Beispiel bei Kopfhörern.

Kammfilter

Wir haben oben bereits angeführt, dass jedes Schallsignal eine Laufzeit besitzt, die sich aus dem Abstand zwischen Schallquelle und Empfänger ergibt. Wir haben außerdem die Effekte betrachtet, die sich ergeben, wenn sich zwei identische Schallquellen mit gleicher oder unterschiedlicher Laufzeit überlagern. Nimmt man nun die Reflexionen hinzu, ergibt sich ein ganzer Katalog aus möglichen Folgen:

Trifft ein Signal aus einer Schallquelle zweimal auf einen Empfänger, weil es zum Beispiel an einer Oberfläche reflektiert wurde, ergeben sich verschiedene Konsequenzen:

Ist die Laufzeit identisch und wären beide beim Empfänger eintreffenden Signale gleich stark, verdoppelt sich die Amplitude. Ist die Laufzeit nicht identisch und liegt irgendwo in einem Bereich zwischen 1 ms und 25 ms, sieht das schon anders aus. Es kommt zu starken regelmäßigen Einbrüchen im Frequenzgang. Voraussetzung ist allerdings auch, dass die Schallpegel nicht mehr als 10 dB voneinander abweichen.

Kammfilter-Frequenzgang

Kammfiltereffekte spielen zwar insbesondere dann eine Rolle, wenn zwei Mikrofone dasselbe Signal aufnehmen, aber auch dann, wenn Reflexionen im Spiel sind. Nehmen wir einen Sprecher als Beispiel. Dieser steht an einem Lesepult. Ein einzelnes Mikrofon dient der Verstärkung/Aufnahme des Signals. Der Schall erreicht einmal das Mikrofon auf direktem Wege. Ein zweites Signal trifft über die Reflexionen am Lesepult mit leichter Verzögerung auf das Mikrofon. Es kommt zum Kammfiltereffekt.

Kammfiltereffekte versuchen wir nach Möglichkeit bei der Aufnahme zu vermeiden, indem wir Mikrofone gut positionieren oder Reflexionen verhindern. Wir setzen sie aber auch gezielt ein, zum Beispiel in Form von den zeitbasierten Effekten Phaser und Flanger, die sich beide das Phänomen Kammfilter zunutze machen:

Phaser

Bei einem Phaser wird eine Kopie des Eingangssignals durch eine Serie an Allpass-Filtern geschickt, die für eine unterschiedlich zeitliche Verzögerungen für verschiedene Frequenzen oder Frequenzbereiche sorgen. Diese werden dann wieder dem Originalsignal zugemischt. Durch die Verzögerungen ergeben sich Kammfiltereffekte.

Flanger

Auch ein Flanger arbeitet mit Kammfiltereffekten und einem zum Originalsignal verzögerten Signal. Erreicht wurde dies ursprünglich durch zwei zunächst synchronisierte Bandmaschinen, die beide das gleiche Signal abspielen. Durch kurzes Abbremsen einer Spule mit der Hand oder das kurzzeitige leichte Reduzieren der Bandgeschwindigkeit einer Bandmaschine spielt diese das Signal mit leichter Verzögerung ab. Im Gegensatz zum Flanger ist hier aber die Verzögerungszeit für den gesamten Frequenzbereich der Aufnahme identisch. Es ergeben sich erneut Kammfiltereffekte. Die Gleichlaufschwankungen der Bandmaschine verstärken den Effekt noch. Phaser klingen in meinen Ohren steriler als Flanger.

Gemessener modulierender Kammfilter-Effekt bei einem Effektgerät (Flanger)

Schwebung

Direkt aus den Überlegungen zur Überlagerung zweier Schallquellen lässt sich noch ein anderer Effekt ableiten, nämlich die Schwebung. Sind zwei Schallsignale fast identisch, unterscheiden sich aber leicht hinsichtlich ihrer Frequenz, tritt der sogenannte Schwebungseffekt auf. Es entsteht ein neues Signal, bei dem sich die Amplitude zu verändern scheint. Diese Veränderung folgt einer eigenen Frequenz, die sich aus dem arithmetischen Mittel der beiden Ursprungsfrequenzen ergibt.

Jeder kennt den Effekt vom Stimmen einer Gitarre, bei dem eine Saite der Referenzton für die zu stimmende Saite ist. Zunächst hört man zwei deutlich unterscheidbare Töne. Dann ist eine deutliche Modulation zu hören, die wir als starke Reibung empfinden. Aus dieser Reibung wird ein anscheinend schnelles Flattern des Tons, was durch die Modulation der Amplitude der sich überlagernden Töne geschieht. Getrennte Töne sind nicht mehr wahrnehmbar. Die Modulation der Amplitude wird langsamer und langsamer und schließlich sind beide Töne gleich hoch.

Um den Effekt von Schwebungen zu hören oder sichtbar zu machen, kannst du die Simulation unter folgender URL nutzen: https://www.leifiphysik.de/akustik/akustische-wellen/versuche/schwebungen-simulation

Simulator für den Schwebungseffekt von www.leifiphysik.de

Dopplereffekt

Den Dopplereffekt hören wir täglich beim Vorbeifahren eines Rettungsfahrzeugs oder Polizeifahrzeugs. Die Tonhöhe des Signalhorns scheint sich zu verändern. Das hat damit zu tun, dass sich die Frequenz für den Hörer durch die Bewegung der Schallquelle, des Hörers oder beiden zusammen verändert. Spielt eine Schallquelle einen Ton mit konstanter Frequenz ab, besitzt die Schwingung Wellenberge und Wellentäler. Diese sind bei einer stationären Schallquelle immer am selben Ort. Bewegt man nun die Schallquelle, verschieben sich diese Wellenberge und Wellentäler. Gleichzeitig überlagern sich die beiden Schallwellen. Während die erste Schallwelle noch unterwegs ist, überlagert sich schon die zweite Schallwelle mit der ersten. Dadurch rücken die Wellenberge und Wellentäler mal näher zusammen, mal weiter auseinander. Es ändert sich also   die Frequenz der sich aufaddierenden Schallwellen. Diese wird mal höher, mal tiefer. Diesen Effekt bezeichnen wir als Dopplereffekt, benannt nach seinem Entdecker, den österreichischen Physiker Christian Doppler.

Auch aus Schwebung und Dopplereffekt ergeben sich praktische Anwendungen für die Tonstudiotechnik und Musik. Der Dopplereffekt kommt übrigens auch bei der Geschwindigkeitsmessung im Straßenverkehr zur Anwendung, auch wenn er heutzutage oft von der Messung mit Laser abgelöst wird. Doch ein anderes prominentes Beispiel nutzt den Dopplereffekt ebenfalls:

Leslie/Rotoreffekt

Der Klang eines Leslie-Lautsprechers ist wohl jedem Musiker und Musikhörer bekannt. Durch den rotierenden Lautsprecher entsteht ein Dopplereffekt, der das recht sterile Ausgangssignal zum Beispiel einer Hammond B3 moduliert. Diese Modulation scheint im Vergleich zu einem schlichten Vibrato eine größere Tiefe und Dreidimensionalität zu besitzen, da sich der Klang nicht nur in der Tonhöhe ändert, sondern durch den rotierenden Lautsprecher immer mal wieder auf den Hörer zu und wieder wegbewegt. Aus diesem Grund muss ein Leslie auch unbedingt mit mindestens drei Mikrofonen aufgenommen werden, wobei zwei Mikrofone den Hochtöner und ein Mikrofon den Tieftöner abnimmt.

Hammond B3 mit Leslie 122 (Foto Credits: Salli, it)

Chorus/Ensemble/Unisono

Der Choruseffekt basiert auf einer Kombination aus Schwebung und Dopplereffekt. Wird einem Originalsignal ein zweites Signal zugemischt, das leicht verzögert ist und dessen Frequenz sich leicht von der des Originalsignals unterscheidet, ergibt sich eine Schwebung. Moduliert man nun die Verzögerungszeit des gedoppelten Signals kontinuierlich, ergibt sich eine Art Dopplereffekt, der zusätzlich eine leichte Tonhöhenmodulation bewirkt.

Der Ensembleeffekt arbeitet hingegen ausschließlich mit Schwebungen, indem zum Beispiel mehrere Signalkopien leicht gegenüber dem Original verstimmt abgespielt werden. Beim Synthesizer spielen mehrere Oszillatoren gleichzeitig ein identisches Signal und erzeugen durch leichte Verstimmungen ein fetten Gesamtsound. Bei analogen Synthesizern reichen dazu oft schon die typischen Schwankungen analoger Bauteile.

Unisono Chorgesang und Double Tracking

Auch der Chorgesang oder das Double Tracking von Instrumental- oder Gesangsspuren basieren auf auf diesen akustischen Phänomenen. Wenn mehrere Sänger unisono Singen, also einstimmig, kommt es dennoch zu Unterschieden in Timing und Intonation, die dann zum bekannten Chorklang führen. Schon das Doppeln von Instrumenten oder des Gesangs führt in der Regel zum gewünschten Ergebnis.

In den Abbey Road Studios arbeitete man zum Beispiel schon bei den Aufnahmen der Beatles mit künstlichem Double Tracking (Artificial Double Tracking – ADT) mit Bandmaschinen. Waves hat in Zusammenarbeit mit den Abbey Road Studios ein Plug-in für das ADT veröffentlicht.

Die Reel ADT Stereo-Version

Richtungshören

Schall hat für uns Hörer eine Richtung, sofern er nicht direkt im Kopf erzeugt wird (Stichwort Im-Kopf-Lokalisation bei Kopfhörerwiedergabe). Um die Richtung zu bestimmen, aus der der Schall kommt, nutzt das Gehirn die Beschaffenheit des Kopfes, der Ohrmuscheln und die Laufzeit des Schalls. Eine direkt vor, hinter, unter oder über uns befindliche Schallquelle besitzt für beide Ohren eine exakt gleiche Laufzeit. Verschiebt sich die Schallquelle, ändert sich die Laufzeit zu beiden Ohren. Für ein Ohr wird sie kürzer und für das andere Ohr dementsprechend länger. Aus diesen Informationen kann das Gehirn ableiten, aus welcher Richtung der Schall kommt. Das gilt zumindest für rechts und links. Für vorne, hinten oben und unten kommen dann weitere Faktoren hinzu. Dazu gehört die Form des Kopfes und der Ohrmuscheln. Durch Reflexionen und Beugungen am Kopf und den Ohrmuscheln wird der Schall nämlich erneut teilweise umgelenkt. Durch dieses komplexe Geflecht an Informationen bestimmt das Gehirn nun die Richtung, aus der der Schall eintrifft.

Entfernungshören

Die Entfernung eines Schallereignisses wird erneut aus verschiedenen Parametern gewonnen. Für die Bestimmung der groben Entfernung spielt die Laufzeit nur dann eine Rolle, wenn es eine Referenz gibt. Ein Beispiel: Bei einem Gewitter nehmen wir zuerst den Blitz wahr, weil die Lichtgeschwindigkeit erheblich höher ist als die Schallgeschwindigkeit. Tritt der Donner mit einiger Verzögerung zum Blitz ein, ist das Gewitter noch weiter entfernt. Tritt beides gefühlt gleichzeitig auf, ist das Gewitter direkt über uns.

Ähnlich wäre das bei einem Konzert, wenn der entfernt sitzende Zuschauer eine Verzögerung zwischen dem sichtbaren Geschehen auf der Bühne und dem bei ihm eintreffenden Schall wahrnimmt. Ohne die sichtbare Referenz, wäre diese Verzögerung bedeutungslos.

Es muss also andere Faktoren geben, die eine Rolle spielen. Ein Faktor ist die Klangveränderung, die sich bei großen Entfernungen ergibt. Ein Schallereignis in großer Entfernung klingt beim Hörer dumpfer und leiser als ein Schallereignis in unmittelbarer Nähe. In Räumen kommen dann noch die Reflexionen hinzu. Befindet man sich in der Nähe der Schallquelle, trifft zunächst das Direktsignal beim Hörer ein und dessen Anteil überwiegt, erst danach kommen die Reflexionen. Außerhalb des Hallradius (= Radius, auf dem Direktanteil und Reflexionen gleich stark sind), überwiegen die Reflexionen.

Aus diesen Informationen leitet das Gehirn eine ungefähre Entfernung ab. Die Entfernungsbestimmung ist dabei jedoch deutlich ungenauer als das Richtungshören.

Anwendung: Von Stereo bis Immersive Audio

Die Erkenntnisse daraus, wie Menschen hören und Schall orten, fließen bis heute in neue Entwicklungen und die Musikproduktion ein. Das Hören von Musik in Stereo, Quadrophonie, Surround und 3D Audio sind einige Stichworte, die auf diese Erkenntnisse aus der Akustik zurückgreifen. Auch die Psychoakustik spielt hier eine große Rolle. 3D-Effekte mit Kopfhörern („Kunstkopf“) zum Beispiel wären ohne diese Erkenntnisse nicht möglich.

Auch bei der Aufnahme von Orchestern oder anderen Klangkörpern mit zum Beispiel Stereomikrofonverfahren spielen die Erkenntnisse zum Hören, aber auch zur Schallausbreitung, Laufzeiten, Phase und so weiter eine große Rolle, denn diese bestimmen maßgeblich, wie das aufgenommene Signal später auf der Stereobasis der Lautsprecher abgebildet wird.