Die Natur der Klänge

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Natürliche Schallereignisse gründen im Prinzip auf der Anregung und dem Ausklingen. Am Beispiel einer Gitarren-Saite kann man den Vorgang gut beschreiben. Die Anregung der Saite erfolgt durch die Bewegungsenergie eines Fingers oder eines Plektrons. Die resulierende Initialschwingung der Saite ist ein Geräusch, das im wesentlichen von der Anschlagcharakteristik (Geschwindigkeit, Intensität, Ort) bestimmt wird; der Vorgang startet mit der Transiente des Einschwingvorganges. Das ist die erste Halbwelle, die keine reine Sinushalbwelle darstellt sondern ein Frequenzgemisch mit vielen sehr schnellen (Hochfrequenten) Schallanteilen. Das sieht einer Sinushalbwelle jedoch zum verwechseln ähnlich. Es ist die schnelle Anstiegsflanke, erzeugt durch den Fingerschlag des Gitarristen. Wenn eine Saite gezupft oder ein Percussion-Instrument angeschlagen wird, kann die erste Druckwelle sowohl eine Unterdruck- als auch eine Überdruckwelle sein. Das kann man bei Musikproduktionen sehr gut sehen. Unmittelbar nach der Anregung zwingt das Feder-Masse-System der Saite die Schwingungsfrequenz in Richtung der Resonanzfrequenz der Saite. Erst nach zwei, drei Einschwingimpulsen schwingt die Gitarrenseite in Richtung der Resonanz der Seite aus, bis der Ton verklungen ist bzw. die Seite erneut angezupft wird. Die Schwingungsenergie wird zudem auf dem Gitarrenkorpus übertragen und regt dort weitere Resonanzen an. Die ersten Schallwellen des Vorganges erreichen dessen maximale Lautstärke, wohingegen die nachfolgenden Schwingungen in Richtung der Resonanz der Seite deutlich kleinere Amplituden (eine geringere Lautstärke) beinhalten.
All dies repräsentiert in der Summe den charakteristischen Klang dieses Instruments und die Spielweise des Musikers. Je nach Dämpfung der Saite klingt die Schwingung schnell oder langsam aus. Die folgenden Graphiken zeigen die Schwingungscharakteristik eines Klangkörpers mit geringer Dämpfung (links) und hoher Dämpfung (rechts).

Beide Graphiken zeigen deutliche Amplituden- (Lautstärke-) Unterschiede zwischen den Initialgeräuschen (Einschwingvorgänge, auch Transienten genannt) und dem Ausklingen (eingeschwungene Resonanz). Die Einschwingvorgänge sind vielfach lauter als das Ausklingen. Sie beinhalten die höchsten Spitzenamplituden (Schallpegelmaxima) innerhalb der Musik. Die Transienten haben für die auditive Wahrnehmung eine herausragende Bedeutung. Sie sind maßgeblich für die Erkennung und Ortung von Schallereignissen. Ein Dauerton lässt sich praktisch nicht lokalisieren. Erst wenn einem Dauerton Transienten hinzugefügt werden, auch von sehr geringer Intensität (wie z.B. bei Verzerrungen), ist eine Ortung möglich. Wir orten Schallereignisse anhand ihrer Einschwingvorgänge. Daher ist es verständlich, dass sich bei der Lautsprecherwiedergabe eine möglichst richtige Wandlung der Einschwingvorgänge derart stark auf die räumliche Abbildung auswirkt.
Jeder neue Ton, jeder Laut einer Stimme, jede Note beginnt mit einer Transiente. Musik ist ein Transienten-Feuerwerk. Das macht die korrekte Reproduktion der Einschwingvorgänge so wichtig. Dauertöne unterschiedlicher Instrumente unterscheiden sich oft so wenig, so dass eine Unterscheidung der Instrumente nicht gelingt. Die Charakteristik der Einschwingvorgänge ist essentiell für das Erkennen und Orten von Schallquellen.
Ein elektroakustischen Wandler muss in jedem Fall Signale so wandeln, wie sie in der Musik tatsächlich vorkamen! Jeder Versuch, damit Verpolungen von Chassis zu rechtfertigen wäre unlogisch. Lautsprecher müssen jedes Eingangssignal, egal wie es aussieht, in die äquivalente Schalldruckstruktur wandeln. Die wenigen Lautsprecher weltweit, die derart wandeln können, klingen darum impulsdynamischer, reiner, räumlich richtiger und authentischer. Fachmännisch betrachtet gehört die richtige Wandlung von Transienten zu der richtigen Übertragungsfunktion eines Lautsprechers, aber die Realisation dieses Anspruchs ist "nicht so einfach".
Die besondere Bedeutung der Einschwingvorgänge gründet zudem darin, dass unter Wohnraumbedingungen nur ein sehr kurzes Zeitfenster existiert, in dem wir den musikalischen Inhalt der Tonaufzeichnungen ungestört hören können. In einem typischen Hörraum vergehen weniger als 2 ms, bis die ersten Reflexionen dem ungetrübten Hörgenuss ein Ende bereiten. Danach hören wir eine Interaktion von Direktschall und Indirektschall (Reflexionen).

Myro Ocean.jpg
Myro Ocean

Das folgende Zitat ist dem Buch "Hifi hören", Vogel Verlag, 1979, von Heinz Josef Nisius entnommen:

"Meß- und Hörvergleiche zeigen, dass das Impulsverhalten von Lautsprechern im Hinblick auf höchstmögliche Klangqualität gegebenenfalls wichtiger ist als ein auf ± 2 dB linearisierter Amplitudenfrequenzgang, gleichwohl dieser nicht unwichtig und auch eine Voraussetzung für gutes Impulsverhalten ist. Überspitzt formuliert kann man sagen, dass Impulstreue mit das wichtigste, zumindest das am schwersten zu erfüllende Qualitätskriterium eines Lautsprechers ist. Gleiches gilt auch für Tonabnehmer und Verstärker; beim Verstärker ist es allgemein anerkannt, beim Lautsprecher jedoch nicht.

Dass das Impulsverhalten, also das Ein- und Ausschwingverhalten von Lautsprechern, von ausschlaggebender Bedeutung für seine Klangqualität ist, wird erkennbar, wenn man eine monaurale Klavier-Tonbandaufnahme „falsch herum“, von hinten nach vorn abspielt. Auch lang ausgehaltene Akkorde sind dann nicht mehr als Klavierklang zu identifizieren, obwohl, insgesamt gesehen, frequenzamplitudenstatistisch „alles stimmt“. Allerdings sind die zeitlichen Zusammenhänge von Frequenz und Amplitude durcheinandergeraten. Und das verfälscht den Klang."

Grafik 1

Das Signal im Bild links zeigt die Signalform, die Schwingungsfolge eines realen Musikereignisses in einer sehr einfachen und daher noch relativ komplexen, realitätsnahen Darstellung, in Form einer Oszilloskop-Darstellung. Wir sehen die Druckschwankungen in ihrer zeitlichen Folge, also exakt das Ereignis, das dem Hören zugrunde liegt. So wird unser Gehör angeregt. Exakt diese Druckschwankungen in ihrer zeitlichen Folge sind es, die uns dieses Ereignis von dem nachfolgenden unterscheiden lassen...

Grafik 2

Es ist der Klang eines angeschlagenen Perkussionsinstruments. Das Schallereignis beginnt mit wenigen Schwingungen sehr hoher Amplitude (Lautstärke) und schwingt mit geringer Amplitude aus. Die Reihenfolge der Schwingungen und deren Amplitude bilden die Basis für das "Verstehen" des Schallereignisses. Nur wenn die Schwingungen in dieser Form unser Trommelfell anregen, erkennen wir dieses Ereignis in seiner originalen Form. Nur so können wir z.B. Sprache erkennen und verstehen. Die Abbildung einer natürlichen Schallstruktur zeigt auch deutlich den enormen Lautstärkeunterschied der Transienten gegenüber den nachfolgenden Schwingungen. Die Transienten sind um ein vielfaches lauter.

Grafik 3
Diese Grafik stellt dasselbe Ereignis in zeitlich umgekehrter Folge dar. Nehmen wir an, Graphik 2 wäre die Schwingungsstruktur des Wortes XAMBOO. Dann würde die Schwingungstruktur der Graphik 3 dem Wort OOBMAX entsprechen. Beide enthalten dieselben Buchstaben, hören sich aber völlig unterschiedlich an.
Ein anderes Beispiel ist ein digitaler Code. Wenn die Graphik oben den Code 0011010111001101 enthalten würde, würde die Graphik links den Code 1011001110101100 darstellen. Es ist auch klar, dass dies ein völlig anderes Ergebnis wäre. Es ist ein eindeutiger Beweis, dass wir zum "Verstehen" von Schallereignissen zwingend deren exakte ZeitDruck-Struktur hören können müssen. Das ist die Basis für das Hören!

Mathematische Analysen
Wenn wir eine Analyse der Signale machen, erhalten wir deren spektrale Zusammensetzung. Beide Signalverläufe sind in Bezug auf ihre spektrale Zusammensetzung identisch. Sie haben bezogen auf ihr Frequenzgemisch (äquivalent = Frequenzgang) exakt denselben Inhalt, würden also das gleiche Diagramm ergeben. Sie klingen allerdings unterschiedlich.
Gleiches gilt für die Phasenlage, nur dass dabei das Vorzeichen wechselt. Die Phasenbeziehungen bleiben dieselben.

Stellen wir uns nun vor, Lautsprechermodell 1 liefert die Signalfolge von Graphik 1 und Lautsprechermodell 2 liefert die Signalfolge von Graphik 2. Beide Lautsprechermodelle hätten exakt denselben Frequenzgang.

  • Lautsprecher 1 kann Schallereignisse leicht verständlich in ihrer originalen Form darbieten.
  • Lautsprecher 2 gibt Schallereignisse praktisch unverständlich wieder.

Der Unterschied der Schwingungsfolgen von Graphik 1 und 2 ist in Relation zu den Unterschieden, die Lautsprechermodelle im Vergleich aufzeigen, gering. Dennoch ist es dieser kleine Unterschied, der für uns ausreichend ist, um zwei deutlich unterschiedliche Schallereignisse zu hören.


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