Mittwoch, 20. März 2013

Psychoakustik: Die Regel 400.000 - "reloaded"

Zur Regel 400.000 hatte ich vor ca. zwei Jahren hier bereits ein paar Worte verloren und ich habe dieses Thema jetzt noch einmal etwas aufgebohrt - daher in der Überschrift der Zusatz "reloaded".
 
Ganz grob gesagt beschreibt die Psychoakustik die Zusammenhänge zwischen physikalischen Schallereignissen und der kognitiven Signalverarbeitung durch das menschliche Gehirn zu einem subjektiven Höreindruck. Kurz: Das, was sich messtechnisch erfassen lässt, wird subjektiv womöglich anders vom Hörer empfunden, als aufgrund objektiver Messergebnisse erwartet wird. Im HiFi-Bereich gibt es verschiedene Phänomene, die sich der Psychoakustik zuordnen lassen. Im Folgenden soll es um die so genannte Regel 400.000 gehen, zu deren Erläuterung ich einen kurzen Ausflug in den Bereich der Telefonie vornehmen muss.
 
Die ITU (International Telecommunication Union) hat als Empfehlung für die Sprachübertragung im Bereich Telefonie die Bandbreite von 300 Hz bis 3.400 Hz festgelegt. Aus Sicht eines HiFi-Enthusiasten wäre diese Bandbreite für einen Lautsprecher zwar inakzeptabel, aber niemand wird bestreiten wollen, dass heutige Telefone funktionieren und der Gesprächspartner am anderen Ende der Leitung gut zu verstehen ist. Und das, obwohl die Sprach-Grundfrequenzen bei Männern ungefähr bei 100 Hz und bei Frauen um die 180 Hz liegen - also jeweils unterhalb der eingangs erwähnten unteren Grenzfrequenz von 300 Hz. Upps - wie bitte kann das funktionieren? Alles kein Problem, das menschliche Gehirn ist nämlich in der Lage, aus den Obertönen einer Frequenz (also aus deren Vielfachen) eben jene Ursprungsfrequenz zu reproduzieren und sie dem akustischen Signal wieder "hinzuzufügen". Dafür benötigt das Gehirn zwar etwas "Rechenleistung", aber es funktioniert.
  
Nun soll es aber nicht um Telefonie, sondern um die Regel 400.000 gehen. Diese unter Tontechnikern wohlbekannte alte Regel besagt, dass für eine zufrieden stellende tonale Balance das Produkt der unteren und der oberen (vom Lautsprecher übertragenen) Frequenzen 400.000 (Hz2) betragen muss. Auf wen konkret diese Regel zurückgeht und ob sie je empirisch bestätigt wurde, muss an dieser Stelle leider offen bleiben. Gleichwohl finden sich im HiFi-Bereich Beispiele, die diese Regel bestätigen - was also bedeutet dies alles nun konkret für den HiFi-Bereich?
    
    
Der Frequenzumfang der Compact Disc beispielsweise wurde in Anlehnung an den Wahrnehmungsbereich des menschlichen Gehörs auf 20 Hz bis 20.000 Hz festgelegt; das Produkt beider Frequenzen ergibt eben jene 400.000 (Hz2). Zufall? Wohl kaum. Nun verfügt aber so gut wie kein Lautsprecher über eine bis 20 Hz lineare Frequenzgangkurve, zumal die allerwenigsten Wohnraumsituationen die Wiedergabe solch tiefer Frequenzen überhaupt zulassen. Eine Orgel kann aber Frequenzen bis 16 Hz wiedergeben, ein Klavier Frequenzen bis immerhin 25 Hz. Vorausgesetzt, diese Frequenzen befinden sich überhaupt auf dem Tonträger, so werden diese vom Lautsprecher allenfalls sehr leise wiedergegeben. Die meisten Lautsprecher verlassen im Bass zwischen 35 und 60 Hz den "Pfad der Tugend", sprich: Die Frequenzgangkurve macht den Adler. Trotzdem "hört" der Mensch einen 25 Hz-Ton, indem das Gehirn aus den Obertönen (z.B. der 1. Harmonischen bei 50 Hz usw.) das 25 Hz-Signal rekonstruiert.
   
Diese "Rekonstruktion" kostet das menschliche Gehirn jedoch quasi "Rechenleistung", dadurch steht nicht mehr die gesamte Kapazität dem Musikgenuss zur Verfügung und es klingt subjektiv nicht mehr so "entspannt". Dieser Sachverhalt hilft erklären, warum von vielen durch den Einsatz eines hochwertigen Subwoofers auch der Mittel- und Hochtonbereich viel freier empfunden wird - die gesamte Rechenleistung des Gehirns steht plötzlich offenbar dem kompletten Frequenzspektrum zur Verfügung, weil sie sich nicht mehr partiell mit der Rekonstruktion tiefer Töne plagen muss!
  
Erstaunlicherweise gibt es nun aber eine scheinbar genau entgegen gesetzte Möglichkeit, den gleichen "Entspannungseffekt" zu erzielen: Anstatt einen Subwoofer einzusetzen, wird im Hochtonspektrum der gleiche (wie im Tiefton fehlende) Oktav-Anteil einfach ausgeblendet. Ganz praktisch bedeutet das, dass ein bis ca. 40 Hz linear arbeitender Lautsprecher ein bei 10 kHz einsetzendes Tiefpassfilter verpasst bekommt und alles wäre theoretisch wieder im Lot (40 Hz x 10.000 Hz = 400.000 Hz2). Die untere fehlende Oktave zwischen 20 und 40 Hz (eine Oktave entspricht stets einer Frequenzverdopplung) wird am oberen Ende des hörbaren Frequenzbereichs quasi "symmetrisch" ausgeblendet (obere fehlende Oktave zwischen 10 und 20 kHz).
  
Was vordergründig widersinnig anmutet und zunächst nichts weiter als eine bloße Behauptung darstellt, findet in der Praxis allerdings belegende Beispiele. So läuft der mir persönlich sehr gut bekannte Lautsprecher Hommage SoloVox vom Auditorium 23 mit dem filterlosen Vollbereichsbreitbänder Phy-HP H21 LB15 bis ca. 45 Hz linear herunter, allerdings fällt der Hochtonpegel (bedingt durch das Chassis) knapp oberhalb von 10 kHz relativ steil ab. Ich schätze diesen Lautsprecher außerordentlich und habe - außer im direkten Vergleich zu anderen Lautsprechern - nie Hochtonglanz vermisst (gleichwohl räume ich ein, dass es Zeitgenossen gibt, die lästern, dies sei der "beste Mitteltöner der Welt"). Womöglich eine Folge der ungefähr symmetrischen "Beschneidung" der Frequenzextreme? Ich glaube, ja - dieser Lautsprecher erfüllt die Regel 400.000 einigermaßen gut.
   
Genau umgekehrt funktioniert es bei einem ganz ähnlichen Lautsprecher in gleicher Weise: In der Debütausgabe der Fidelity berichtet RK darüber, dass er seine heißgeliebte Rondo - ebenfalls vom Auditorium 23, ebenfalls mit dem Phy-HP H21 LB15 - um den Hochtöner 597 von Line Magnetic ergänzt hat. Die Rondo "solo" spielt im Bass deutlich kräftiger als die Hommage SoloVox, hat im Hochton aber die gleiche Limitierung; die "Beschneidung" der Frequenzextreme ist also nicht ganz symmetrisch. So gesehen ist der Theorie der Regel 400.000 folgend die "kleinere" SoloVox eigentlich sogar der bessere Lautsprecher... Ergänzt um den LM 597 Hochtöner hingegen berichtet RK über seine Rondo nun von "einem völlig neuen Lautsprecher. Der nun in seiner Gesamtheit schon furchterregend an reiner Geschwindigkeit zugelegt hat, ein Effekt, der seltsamerweise bis hinunter zu tiefen Frequenzen wirksam ist,...". Ruft man sich die Regel 400.000 ins Bewusstsein, so mutet dieser Effekt gar nicht mehr so seltsam an, gleichwohl natürlich nicht alle positiven Veränderungen nur dieser Regel zuzuschreiben sind. Aber dadurch, dass die unterbelichtete oberste Oktave von 10 kHz bis 20 kHz nun "erleuchtet" wird, stimmt die Symmetrie wieder; die Rekonstruktion der fehlenden Oberwellen aus den Grundsignalen unterhalb von 10 kHz entfällt nun - das Gehirn hat mehr Ressourcen für den eigentlichen Musikgenuss parat.
   
Ein weiteres Beispiel für die Gültigkeit der Regel 400.000 mag Omas Dampfradio sein. Wer einmal ein gut erhaltenes Exemplar hören durfte, wird festgestellt haben, dass es trotz objektiv erheblicher Limitierungen von womöglich deutlich mehr als einer Oktave "oben und unten" dennoch außerordentlich ausgewogen klingen kann und sehr entspannter Hörgenuss durchaus möglich ist. Und das ist gewiss nicht (allein) auf die Röhren im Inneren des Gehäuses zurück zu führen...
  
Ganz offenbar muss das menschliche Gehirn bei symmetrischer Beschneidung der Frequenzenden weniger Rechenleistung aufwenden und es klingt daher rein subjektiv "besser", "entspannter". Natürlich hat die Regel 400.000 auch ihre Grenzen; wie immer hilft eine Extremwertbetrachtung. Die Wurzel aus 400.000 ergibt eine Singularität bei ca. 632,5 Hz - so ist mit Sicherheit kein Musikgenuss möglich. Andererseits erforderten (ungeachtet der technischen Machbarkeit) wiederzugebende Frequenzen bis hinunter zu 1 Hz eine obere Grenzfrequenz von 400 kHz - das liegt nicht nur weit außerhalb des menschlichen Hörbereichs, sondern sogar außerhalb des Hörbereichs einer Fledermaus (9 kHz bis 200 kHz)...
(Ergänzend sei angemerkt, dass es Hörer gibt, die beim Einsatz eines bis 30 kHz oder 40 kHz laufenden Superhochtöners das gesamte Frequenzspektrum als ausgewogener empfinden, obwohl Frequenzen oberhalb von ca. 20 kHz außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegen. Eine schlüssige Erklärung hierfür muss ich Ihnen schuldig bleiben.)
  
Die Quintessenz der Regel 400.000 in psychoakustischer Hinsicht scheint mir also zu sein, dass eine Entlastung der "Fehlerkorrektur" des menschlichen Gehirns - genauer: eine Entlastung der kognitiven Signalverarbeitung - dazu führt, dass das subjektive Klangempfinden verbessert wird. Ich finde, diese Erkenntnis ist durchaus einen Gedanken wert und kann jedem helfen, durch bestimmte Maßnahmen - sprich: Symmetrierung der Ausblendung oder der Erweiterung der Frequenzextreme, beispielsweise durch Subwoofer oder Superhochtöner - das eigene Setup gezielt zu verbessern. Oder sie führt dazu, dass Sie - nun mit womöglich tieferem Verständnis für die Zusammenhänge - noch entspannter und zufriedener den Qualitäten alter Dampfradios frönen.

Keine Kommentare:

Kommentar veröffentlichen