Mikrofonierungen für den 3/2-Stereo-Standard Die Entwicklung von Aufnahmeverfahren für den 3/2-Stereo-Standard befindet sich nach wie vor in den Kinderschuhen. Für 2-Kanal-Stereo-Aufnahmen kann der Toningenieur aus einer Fülle von erprobten Standard-Aufnahmeverfahren mit definierten Eigenschaften auswählen, die er nur den speziellen Gegebenheiten anpassen muß. Ganz anders bei 3/2-Stereo: Hier stecken wir nach wie vor in der Experimentierphase. Was erwarten wir nun von den zusätzlichen Kanälen? Mit den Surroundkanälen soll ein umhüllender Klang erzeugt werden, der dem Zuhörer das Gefühl gibt, selbst am Aufnahmeort zu sitzen. Diese Forderung kann sowohl für Musik- als auch für Atmoaufnahmen aufgestellt werden, wobei man hinsichtlich der Lokalisation von rückwärtigem Schall diese beiden Situationen unterscheiden muß: Bei Musikaufnahmen sollte ein bestmöglicher Raumklang erzeugt werden, gleichzeitig muß aber eine bewußte Lokalisation der Surroundboxen vermieden werden, denn im Konzertsaal orten wir im allgemeinen keinen Diffusschall. Der Zuhörer muß immer und an jeder möglichen Abhörposition den Eindruck erhalten, daß sich die Musik vorn abspielt. Für die Wiedergabe von Atmos hingegen kann "Hintenlokalisation" durchaus erwünscht sein. Sogar kontinuierliche Rundumlokalisation ohne Löcher wäre wünschenswert. Mit dem zusätzlichen Mittenkanal soll bei der 3/2-Stereophonie eine stabilere Mittenlokalisation und damit verbunden eine Verbreiterung der Abhörzone erreicht werden. Besonders Instrumente, Geräusche oder Solisten, die in der Mitte geortet werden sollen, können durch die Wiedergabe mit der zusätzlichen Mittenbox dramatisch an Klang und Ortungsstabilität gewinnen (1). Gleichzeitig birgt der Mittenlautsprecher allerdings auch die Gefahr der Mehrfachlokalisation (2). Es besteht bei einer dreikanaligen Hauptmikrofonanordnung das Risiko, daß es zwischen den Aufnahmewinkeln der beiden Stereobasen L-C, C-R und L-R zu Überlappungen kommt, die sich dadurch bemerkbar machen, daß ein einziges Schallereignis bei der Wiedergabe mehrfach geortet wird. Der Aufnahmewinkel ist definiert als der zur Hauptachse des Mikrofons symmetrische Bereich, innerhalb dessen Schallquellen so aufgenommen werden, daß sie im Abhörraum zwischen den beiden Lautsprechern lokalisiert werden. Schallquellen, die außerhalb des Aufnahmewinkels liegen, werden "zusammengepfercht" in einer Box lokalisiert (siehe Abbildung 1). Der Aufnahmewinkel wird oft in der Form ± a geschrieben, was die Symmetrie zur Hauptachse verdeutlichen soll. Für Rechnungen ist es allerdings zweckmäßiger, den Aufnahmewinkel mit dem Blickwinkel auf die Schallquelle gleichzusetzen und mit j =2a zu bezeichnen. Ein Aufnahmewinkel von beispielsweise ± 45° entspricht dann 90°. Abbildung 1 Aufnahme... ...und Wiedergabe bei zu klein gewähltem Aufnahmewinkel (Illustration Fabian Eckhardt) Eine 3-kanalige Hauptmikrofonanordnung muß also allgemein folgende Forderungen erfüllen: Die Aufnahmewinkel der Stereobasen L-C und C-R dürfen sich nicht überlappen. Die Aufnahmewinkel L-C und C-R müssen sich berühren. Der Aufnahmewinkel der Stereobasis L-R muß nahe Null sein, d.h. die Basis L-R darf als Stereobasis nicht in Erscheinung treten. Ein 3-kanaliges Hauptmikrofon mit Druckempfängern: ABC Ein naheliegender Gedanke, eine 3-kanalige Hauptmikrofonanordnung aufzustellen, besteht darin, daß man drei Mikrofone nebeneinander aufbaut. Zeichnet man sich bei dieser Anordnung mögliche Aufnahmewinkel der beiden äußeren Stereopaare ein, so sieht man sofort, daß in jedem Fall Lücken und Überlappungen entstehen (Abbildung 2). Abbildung 2: Überlappende Aufnahmewinkel bei drei Mikrofonen in einer Reihe   Abbildung 3: Geometrie des Dreikanal-Hauptmikrofons ABC Man muß also nach anderen Lösungen suchen. Eine Möglichkeit, die Forderungen zu erfüllen, besteht darin, die Hauptachsen der Stereobasen so weit nach außen zu neigen, daß es in der Mitte zu einem nahtlosen Übergang der Aufnahmewinkel kommt. Dies führt zu einer Dreiecksaufstellung wie in Abbildung 3. Die Maße der Dreiecksaufstellung müssen so eingestellt werden, daß der Aufnahmewinkel a der Stereobasen L-C und R-C jeweils der Hälfte des Gesamtaufnahmewinkels j entspricht und die Hauptachsen der Stereobasen L-C und R-C jeweils halb links bzw. halb rechts in den Klangkörper ragen. Für den Aufnahmewinkel a und den Abstand d zweier Druckempfänger gilt allgemein: ; 37 cm ist ein Mittelwert aus den in der Literatur angegebenen Werten (3,4) Für die beiden Stereobasen L-C und R-C des 3-kanaligen Hauptmikrofons ABC gilt daher: Die restliche Geometrie des Dreiecks läßt sich durch trigonometrische Berechnungen bestimmen. Es kann gezeigt werden, daß sie den folgenden Beziehungen genügen müssen (5):  (Dieser Wert ist für alle Aufnahmewinkel konstant.) Für einige gängige Aufnahmesituationen sollen hier die Werte tabellarisch angegeben werden:   Gesamtaufnahmewinkel j in ° Mikrofonabstand a in cm Mikrofonabstand b in cm 100 87,5 158,5 120 74 128 140 64,5 105,5 160 57,5 88 Tabelle 1: einige ausgewählte Mikrofonabstände von "ABC" Der (unerwünschte) Aufnahmewinkel der Stereobasis L-R läßt sich mit den Werten von b berechnen. Der Hörversuch zeigt, daß er hinreichend klein ist. Ein 3-kanaliges Hauptmikrofon mit Druckgradientenempfängern: INA ("Ideale Nieren-Anordnung") Bei der Verwendung von Druckgradientenempfängern bleibt die Geometrie im Prinzip gleich, der Gesamtaufnahmewinkel wird wie bei ABC in zwei Hälften geteilt und die Stereobasen dreieckförmig ausgerichtet. Wegen der Richtwirkung der Nieren müssen nun nicht nur die Basisbreiten, sondern auch die Versatzwinkel der Mikrofone bestimmt werden. Die Forderung nach zwei sich nicht überlappenden und sich berührenden Aufnahmewinkeln führt zu einer Aufstellung, bei der grundsätzlich der Versatzwinkel der Mikrofone eines Stereopaars gleich dem Aufnahmewinkel ist. Mit gegebenem können die erforderlichen Basisbreiten a den bekannten "Williams-Kurven" (3) oder der folgenden Tabelle 2 entnommen werden (Achtung! Bei den Williams-Kurven ist der halbe Aufnahmewinkel ± a angegeben. Um beispielsweise den Wert a für einen Gesamtaufnahmewinkel von 120° aus den Williams-Kurven zu ermitteln, muß man demnach auf der mit ± 30° bezeichneten Kurve bei einem Versatzwinkeln von 60° den erforderlichen Mikrofonabstand ablesen). Durch die geänderte Bedingung für a bleibt die Dreieckshöhe t nicht mehr konstant. Gesamtblickwinkel j auf den Klangkörper in ° Mikrofonabstand a in cm Mikrofonabstand b in cm Dreieckshöhe t in cm 100 69 126 29 120 53 92 27 140 41 68 24 160 32 49 21 Tabelle 2: einige ausgewählte Mikrofonabstände von INA 3 (berechnet nach Williams) (3,5) Für den unerwünschten Aufnahmewinkel des Stereopaars L-R gilt das gleiche wie bei ABC: Der Hörversuch zeigt, daß dieser Fehler nicht störend wahrgenommen wird. Die Surround-Kanäle Den bis jetzt beschriebenen 3-Kanal-Hauptmikrofonverfahren fehlen nun noch die Surroundsignale. Sie sollen im Fall von Musikproduktionen den Raumeindruck des Konzertsaals vermitteln, ohne daß einzelne Instrumente in den Surrounds geortet werden. Dazu sollten die Surroundsignale wenig Direktschall enthalten und zeitlich beim Hörer später als die Frontsignale eintreffen. Eine zu große Verzögerung würde allerdings zu störenden Echos führen, was je nach Größe des Auditoriums Verzögerungszeiten von 10 bis 40 ms verlangt. Im Fall von Atmoaufnahmen wäre kontinuierliche Rundumlokalisation mit einer kompakten Mikrofonanordung ideal. Große Mikrofonabstände, wie sie bei Raummikrofonen entstehen, sind ungeeignet. Für die Mikrofonierung sind demnach verschiedene Möglichkeiten denkbar: Eine (wie immer geartete) 2-Kanal-Raummikrofonaufstellung außerhalb des Hallradius: ABC wurde für die Musik-Testaufnahmen durch eine Groß-AB-Aufstellung ergänzt Ein mehrkanaliges Raumatmosphärenmikrofon, das den Surround- und den Frontkanälen zugemischt wird. Für INA kam bei den Musik-Testaufnahmen das Surround-Atmo-Mikrofon des IRT zum Einsatz, das von Günther Theile auf der letzten Tonmeistertagung vorgestellt wurde (2). Eine Hauptmikrofon-Konzeption, die alle Kanäle für 3/2-Stereo von einem Ort aus aufnimmt, wie zum Beispiel das Atmokreuz INA 5 (siehe Abbildung 5) sowie das Surround-Atmo-Mikrofon des IRT. Solche Lösungen bieten sich für Atmoaufnahmen an. Trotzdem wurden auch derartige Konstruktionen schon für Musik vorgeschlagen (6). Sie werden daher im Testteil "Musik" den hier vorgestellten Verfahren INA und ABC gegenübergestellt. Ein weiterer Beitrag zur Vermeidung von Hintenlokalisationen ist die Bearbeitung des Frequenzganges der Surroundkanäle. Wir wissen, daß für die Ortung in der Medianebene die Energiedichteverteilung im Spektrum eines Klangs verantwortlich ist (7). Eine Absenkung der für Hintenlokalisation richtungsbestimmenden Frequenzbänder bei 1,2 kHz und 12 kHz erlaubt eine wesentlich höhere Lautstärke der Surround-Kanäle, ohne daß das Schallereignis nach hinten springt (siehe Abbildung 4). Für Atmoaufnahmen ist eine derartige Bearbeitung natürlich nicht sinnvoll. Abbildung 4: Richtungsbestimmende Frequenzbänder nach Blauert (7)   Abbildung 5: Atmokreuz INA 5 Testverfahren Um die beiden Hauptmikrofonanordnungen für Musikaufnahmen zu testen, wurden sie mit der bei der letzten Tonmeistertagung von Jerry Bruck vorgestellten Surround-Kugel (6) und dem auf Ambisonics basierenden Aufnahmesystem "MST" (5) verglichen. Die Surround-Kugel verzichtet auf den Centerkanal und erzeugt die Surroundsignale ohne Raummikrofone. Daher kann die Frage, ob die Lokalisation sich durch den Centerkanal verbessert oder verschlechtert, gut überprüft werden. MST ist ein koinzidentes Aufnahmesystem, das die Signale W, X und Y des Soundfieldmikrofons näherungsweise erzeugt und nach den Vorgaben von Michael Gerzon für 3/2-Stereo dekodiert wird (8). Die Maßnahmen zur Vermeidung von Hintenlokalisation und Echos wurden bei den Raummikrofonen von ABC, dem Surround Atmo-Mikrofon und den Surroundkanälen der Surround-Kugel in gleicher Weise angewendet (schmalbandig -9 dB bei 1,2 kHz und 12 kHz). Da Urteile von Einzelpersonen immer subjektiv sind, wurde als Testverfahren ein Hörversuch mit 88 Teilnehmern unternommen. Die Statistik erlaubt es, aus vielen subjektiven Einzelurteilen ein objektives Ergebnis zu abstrahieren. Aufgrund der großen Anzahl an Versuchsteilnehmern war es möglich, in der Auswertung drei verschiedene Abhörpositionen (Mitte, Seite, Hinten) zu unterschieden. Zusätzliche Kommentare der Teilnehmer erlaubten differenzierte Aussagen über die klanglichen Eigenschaften der Aufnahmen. Die Ergebnisse aller Testpersonen lassen sich wie folgt zusammenfassen. Abkürzungen im Testteil "Musik": ABC = Laufzeitstereophonie mit zwei Raummikrofonen, INA = gemischte Stereophonie mit dem Surround-Atmo-Mikrofon als Raummikrofon, SK = Surround-Kugel Im Testteil "Atmos" wird mit INA das Atmokreuz INA 5 bezeichnet, während das Surround-Atmo-Mikrofon als eigenständiges Verfahren getestet wird und mit SAM abgekürzt wird) Das Zeichen >> bedeutet "viel besser", > besser, ³ etwas besser und bei "» " konnte keine signifikante Präferenz der Hörversuchsteilnehmer erkannt werden. 1. Testteil "Musik" Wie gut wird der Raumeindruck eines Konzertsaales vermittelt? ABC > INA SK MST Wie differenziert lokalisieren Sie die einzelnen Instrumente? INA > ABC > SK > MST Wie beurteilen Sie den Klang insgesamt? INA ABC > SK >> MST (Hörbeispiele waren Ausschnitte aus "Also sprach Zarathustra" von Richard Strauss, gespielt von den Düsseldorfer Symphonikern in der Tonhalle.) 2. Testteil "Atmos" Bei welchem Beispiel können Sie die Autofahrt genauer verfolgen? (zwei Fahrten: von rechts nach links und von vorne rechts nach hinten rechts) INA > SAM > SK >> MST Welches Beispiel vermittelt eher die Illusion, sich mitten im Bahnhof zu befinden? (Atmo vom Düsseldorfer Hauptbahnhof zur Hauptverkehrszeit) INA SAM SK > MST Fazit Der Hörversuch zeigt, daß die neuen dreikanaligen Hauptmikrofonanordnungen INA und ABC das Klangbild vor allem für seitlich sitzende Zuhörer stabilisieren. Ein Nachlassen der Lokalisationsschärfe bedingt durch den Centerkanal konnte nicht festgestellt werden. Der Raumeindruck von Konzertsälen wird am besten mit Raummikrofonen übertragen. Ein Vorteil des Surround-Atmo-Mikrofon als Raummikrofon konnte nicht festgestellt werden. Die Vermeidung von Hintenlokalisation durch die hier dargestellten Maßnahmen vergrößert den nutzbaren Hörbereich in der Tiefe. Eine Verschlechterung des Klangs durch den Eingriff in den Frequenzgang der Surroundkanäle wurde von den Testteilnehmern nicht kritisiert. Die Unterschiede zwischen gemischter Stereophonie "INA" und Laufzeitstereophonie "ABC" sind mit den Unterschieden der entsprechenden 2-Kanal-Stereo Verfahren "ORTF" und "AB" vergleichbar: die Lokalisation wird mit INA besser als mit ABC bewertet; der Raumeindruck von ABC ist hingegen dem von INA überlegen. Für Atmoaufnahmen kann das INA 5 empfohlen werden. Wenn in der Frontalebene keine diskrete Schallquelle geortet werden soll, ist auch das Surround-Atmo-Mikrofon empfehlenswert. Der Einfluß der Abhörposition für die Bewertung der Verfahren ist erstaunlich gering. Bei nahezu allen Paarvergleichen bilden sich auf allen Abhörpositionen die gleichen Favoriten. Dennoch ist der Vorteil der Verfahren mit Centerkanal auf seitlichen Abhörpositionen deutlicher als in der Mitte. Die Vermeidung von Hintenlokalisationen wird auf hinteren Abhörpositionen problematischer als vorne. Die Lautstärke der Surroundkanäle muß daher vorsichtig eingestellt werden. Zwei Schlußbemerkungen: Selbstverständlich ist es möglich, die Surroundsignale durch Hallgeräte zu erzeugen, oder die Raummikrofone mit künstlichem Hall zu mischen. Auf diesen Test wurde in diesem Versuch aber verzichtet, weil hier die Qualität der verwendeten Geräte entscheidend ist. Zweifellos benötigt man in vielen Konzertsälen künstlichem Hall. Die Kompatibilität der Aufnahmeverfahren zu anderen Tonformaten konnte nicht wissenschaftlich überprüft werden. Dennoch können aus den persönlichen Erfahrungen der Autoren mit INA und ABC folgende Aussagen zu diesem Thema gemacht werden: Eine optimale Monokompatibilität ist gegeben, indem man das jeweilige Mittenmikrofon allein für die Monowiedergabe nutzt. Ein 2-Kanal-Stereo Downmix einer ABC oder INA Produktion kann erstellt werden, indem das Mittensignal dem linken und rechten Stereokanal zeitverzögert beigemischt wird. Auf eine Beimischung der Surroundkanäle wird man in der Regel verzichten können. Eine allgemeingültige Empfehlung für Pegel und Verzögerungszeit des Mittensignals kann (noch) nicht gegeben werden. Der Gewinn des VDT-Nachwuchspreises für den 2-Kanal Downmix einer ABC Produktion in Konkurrenz mit echten 2-Kanal-Stereoproduktionen ist aber ein Indiz für die mögliche Qualität einer derartigen Mischung. A.Silze und G. Theile: "HDTV-Mehrkanalton: Untersuchung zur Abbildungsqualität beim Einsatz zusätzlicher Mittenlautsprecher", Vortrag 16. Tonmeistertagung 1990 G. Theile: "Möglichkeiten und Grenzen der 3/2-Stereo Aufnahme", Vortrag 19. Tonmeistertagung 1996 M. Williams: "Unified theory of microphone systems for stereophonic sound recording", AES Preprint 2466 (H-6), 1987 J. Blauert: "Räumliches Hören", Hirzel Verlag 1974 U. Herrmann und V. Henkels: "Vergleich fünf verschiedener Surround-Hauptmikrofonverfahren", Abschlußarbeit an der FH Düsseldorf , März 1997 J.Bruck: "Solving the Surround Dilemma" Vortrag 19. Tonmeistertagung 1996 J. Blauert: "Räumliches Hören", Hirzel Verlag 1974 M. A. Gerzon und G. J. Barton: "Ambisonic Decoders HDTV", AES Preprint 3345, 92nd Audio Engineering for Society Convention, Wien (März 1992 )

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