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Aus einer internen Publikation der BASF vermutlich 1964

B) Begriffe der Elektroakustik

Aus "Einführung in die Technik des Magnetbandes" von 1964/66

Die Elektroakustik beschäftigt sich mit der Umwandlung von Schallschwingungen in elektrische Schwingungen und umgekehrt sowie mit deren Verstärkung, Speicherung und Übertragung. Machen wir uns auch hier mit den wichtigsten Begriffen vertraut.

1. Allgemeines

Zur Umwandlung von Schallschwingungen in elektrische Wechselspannungen bedient man sich eines Mikrofones. Die Membran des Mikrofones wird durch die am Aufnahmeort herrschenden Druckschwankungen zu mechanischen Schwingungen gezwungen, die je nach dem Prinzip auf verschiedene Weise in analoge, elektrische Spannungs- oder Stromänderungen umgesetzt werden.

Abb 2

Die Kurvenform der vom Mikrofon gelieferten Wechselspannung ist dabei (im Idealfalle) ein genaues Abbild derjenigen der Schallschwingungen. Gelangt z.B. die in Bild 2 dargestellte Schall- schwingung (Akkord aus zwei Klängen) auf ein Mikrofon, so ergibt sich als Ausgangsspannung eine Schwingung derselben Form, so daß die im Bild mit "Schwingweite" gekennzeichnete senkrechte Achse hier die elektrische Schwingungsweite, also die Spannung, angeben würde. Das von einem Mikrofon gelieferte Ausgangssignal ist (innerhalb seines Arbeitsbereiches) dem Schalldruck - bei gewissen Konstruktionen jedoch auch der Schalldruckänderung - proportional.

Spitzenmikrofone von Neumann 2007
JBL Edel-Hifi-Lautsprecher 1978

Der Schalldruck wird, ebenso wie der Luftdruck in Millibar (mbar) oder in Mikrobar (μbar) gemessen, so daß als Maß für die Empfindlichkeit eines Mikrofones der Ausdruck Millivolt pro Mikrobar (mV/μbar) benutzt werden kann. Da seine Ausgangsspannung in der Größenordnung von Millivolt liegt, also sehr niedrig ist, muß sie im Zuge des Übertragungsweges um ein Vielfaches verstärkt werden. An die Verstärkung, Speicherung und Übertragung der niederfrequenten Wechselspannung (Niederfrequenz oder NF) müssen zur Erhaltung der Wiedergabequalität gewisse Anforderungen an den Frequenzgang, den Klirrfaktor und die Dynamik gestellt werden, auf die sogleich noch eingegangen werden soll.

Das hinreichend verstärkte Signal kann entweder gespeichert (z.B. auf Tonband) oder nach weiterer Verstärkung (Leistungsverstärkung) einem Lautsprecher zugeführt werden. Die Membran des Lautsprechers wird unter der Wirkung des die Schwingspule durchfließenden Stromes (im Idelafalle) zu denselben Schwingungen gezwungen, wie sie das aufnehmende Mikrofon vollführt oder vollführt hat. Die Schwingungen der Lautsprechermembran, deren Schwingungsweite meist erheblich größer ist als die der Mikrofonmembran, regen die angrenzende Luft zu Schallschwingungen an (Abstrahlung größerer Schallleistungen).

2. Frequenzgang

Der Übertragungsweg, der sich vom Mikrofon über den oder die Verstärker (evtl. auch Tonbandgerät) bis zum Lautsprecher erstreckt, soll zur Erhaltung einer naturgetreuen Wiedergabe alle im Eingangssignal vorhandenen Frequenzanteile (Grundschwingungen und sämtliche Oberschwingungen) gleichmäßig verstärken bzw. übertragen. Man muß daher für eine gute Übertragungsqualität eine für alle hörbaren Frequenzen gleiche Eigenschaften der Anlage fordern oder, wie man sagt, einen geradlinigen Frequenzgang.

Da das menschliche Gehör Frequenzen von 16 Hz bis maximal etwa 18 000 Hz wahrzunehmen vermag, brauchen die Leistungswerte der Geräte einer elektroakustischen Übertragungsanlage (Mikrofon, Verstärker, Tonbandgerät, Lautsprecher) nur bis maximal zu diesen Frequenzen zu reichen. In der Praxis genügt für eine gute Wiedergabe jedoch schon die Übertragung eines Frequenzbereiches von 40 Hz bis 15 000 Hz.

Anmerkung: Das mag vielleicht der Stand des Wissens um 1965 gewesen sein, inzwischen hat sich das verbessert. Die Phasenverschiebungen oberhalb von 10 KHz bis über zu 25 KHz sind sehr wohl hörbar und beeinflussen die Wahrnehmung des Hörers. Verstärker mit Grenzfrequenzen oberhalb von 15 KHz produzieren eine deutlich gesteigerte Stereowahrnehmung.

3. Klirrfaktor

Unter der Bezeichnung "nichtlineare Verzerrungen" versteht man das unerwünschte Auftreten von Obertönen (genauer: Oberschwingungen), die im Eingangssignal nicht vorhanden sind. Die Erzeugung solcher Obertöne im Gerät (Verstärker, Tonbandgerät) hat eine Verzerrung der Kurvenform der zu übertragenden Schwingung zur Folge und verfälscht das Klangbild. Als Maß für die Größe dieser Verzerrungen wurde der Begriff "Klirrfaktor" eingeführt; er gibt das Verhältnis der im Gerät erzeugten (unerwünschten) Oberschwingungen prozentual zur (gewünschten) Grundschwingung an.

Der Klirrfaktor tritt in meßbarer Form nur an der oberen Aussteuerungsgrenze eines Gerätes in Erscheinung und ist stets von der Aussteuerung (Lautstärke) abhängig. Das übermäßige Ansteigen des Klirrfaktors über Werte von 5 bis 10 % wird als störend empfunden und mit "Übersteuerung" bezeichnet.

4. Dynamik

Unter dem Begriff "Dynamik" versteht man in der Akustik das Verhältnis von größter Lautstärke zu kleinster Lautstärke, also einen Lautstärkeunterschied. Im elektroakustischen Sinne bezeichnet man damit analog das Verhältnis von größtmöglichem Nutzsignal (Vollaussteuerung bei vertretbarem Klirrfaktor) zu dem im Gerät selbst erzeugten Störsignal (Brummen, Rauschen); das Störsignal entspricht ja der kleinstmögliehen Lautstärke. Die Dynamik wird meist im logarithmischen Maß "Dezibel" (dB) angegeben und soll bei einer guten Übertragungsanlage 50 bis 60 dB nicht unterschreiten, welches einem Verhältnis von Störsignal zu Nutzsignal von etwa 1:300 bis 1:1 000 entspricht.

5. Phon und dB

Das Ausmessen der genannten elektroakustischen Eigenschaften (Frequenzgang, Klirrfaktor, Dynamik) einer Übertragungsanlage erfolgt - wie bereits erwähnt -mit reinen Tönen, also mit sinusförmigen Schwingungen (ohne Oberwellenanteile), die von einem elektronischen Tongenerator mit einstellbarer Frequenz erzeugt werden.

Die physikalische Größe des Schalles, gemessen als Schalldruck (in /ubar) geht nicht Hand in Hand mit einer im gleichen Maße anwachsenden Lautstärkeempfindung. Der Wahrnehmungsbereich des Ohres umfaßt das außerordnetlich große Schalldruckverhältnis von etwa 1:1.000.000, d.h. der Schalldruck eines an der unteren Empfindlichkeitsgrenze (Reizschwelle) liegenden Tones kann bis zum Erreichen der oberen Empfindungsgrenze (Schmerzschwelle) um den Faktor 1.000.000 vergrößert werden. Es hat sich daher als zweckmässig erwiesen, als Größe für die Lautstärke ein logarithmisches Maß einzuführen, das Phon. Man erhält dieses Maß - entsprechend der Definition - durch Logarithmieren des Schalldruckverhältnisses und Multiplizieren mit dem Faktor 20.

Bei dem genannten Verhältnis von 1.000.000 ergibt sich ein Lautstärkebereich von 120 Phon. Der Wert 0 Phon entspricht dabei der unteren Reizschwelle, der Wert 120 Phon der oberen Schmerzschwelle unseres Ohres.
Das bereits erwähnte Maß "dB" ist ebenfalls ein logarithmisches Verhältnis irgend zweier Größen

unterscheidet sich aber vom Phon, da die empfundene Lautstärke nicht nur vom Schalldruck, sondern auch von der Tonhöhe abhängt. Nur bei einer Frequenz von 1.000 Hz entsprechen "Phon" und "dB" einander.

Da das "dB" in der Elektroakustik eine wichtige Rolle spielt, ist es zweckmäßig, sich folgende Zahlenwerte einzuprägen:

1 dB = Verhältnis 1 :1,12
3 dB   1 :1,414 (1: √2)
6 dB   1 :2
10 dB   1 :3,16 (1: √10)
20 dB   1 :10
40 dB   1 :100
60 dB   1 :1.000
80 dB   1 :10.000
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