Informations- und Kommunikationstechnik

Intensitätsstereofonie nach dem XY-Verfahren

Unsere beidseitig am Kopf angeordneten Ohren ermöglichen es uns Schallereignisse zu lokalisieren. Befindet sich die Schallquelle direkt frontal zur Hörrichtung, so gelangen die Schallwellen gleichzeitig und mit gleicher Intensität an die Ohren. Befindet sich die Schallquelle seitlich versetzt, so treffen die Wellen am Ohr früher ein, das näher zur Quelle ausgerichtet ist. Der Laufzeitunterschied ermöglicht eine räumliche Lokalisierung. Der Prozess wird zusätzlich von einem frequenzabhängigen Unterschied in der Lautstärke unterstützt. Höhere Frequenzbereiche werden lauter empfunden. Das stereofone oder räumliche Hören in natürlicher Umgebung nutzt gemeinsam Laufzeit- und Intensitätsunterschiede.

Bei raumbezogener Stereofonie werden Schallereignisse im Wiedergaberaum über Lautsprecher abgespielt. Für ein optimales Hörerlebnis muss sich der Hörer innerhalb einer definierten Stereo-Hörfläche befinden. Die Schallquellen und der Hörer sollten sich auf den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks befinden. Das stereofone Hören mit seitlich aufgestellten Lautsprechern beruht auf dem Entstehen von Phantomschallquellen. Sie werden richtig erkannt, wenn sich der Hörer auf der Mittelachse zu den Lautsprechern befindet und senkrecht auf die Lautsprecherbasislinie blickt.

Stereodreieck

Strahlen beide Lautsprecher das gleiche Schallereignis aus, so lokalisieren die Ohren eine Phantomschallquelle mittig zur Stereo-Hörfläche. Werden die Lautsprecher bei gleichem Signal mit unterschiedlichen Pegelwerten oder Laufzeiten angesteuert, dann wandert die Phantomschallquelle seitlich heraus, bis sie letztlich am Außenrand fixiert bleibt.

Die Aufnahmemethode für raumbezogene Stereofonie verwendet Mikrofone, die gemeinsam vor der Schallquelle installiert stehen. Dieses Hauptmikrofonverfahren kann sowohl mit Laufzeit- als auch Pegelunterschieden arbeiten. Beim Verfahren der Intensitätsstereofonie nach dem XY-Verfahren sind zwei gleichartige Mikrofone direkt übereinander auf einer Achse montiert. Es kann auch ein spezielles Doppelmikrofon, das Koinzidenzmikrofon verwendet werden. Dort sind in einem Mikrofongehäuse zwei gleiche Mikrofonkapseln koaxial montiert. Eine Kapsel ist feststeht und die andere in einem bestimmten Winkelbereich drehbar.

Die koaxiale Anordnung schließt Laufzeitunterschiede aus. Bezogen auf eine gewählte Schallrichtung beruht der Stereoeffekt auf Pegelunterschieden zwischen beiden Mikrofonen. Für die zur Ortung notwendigen Intensitätsunterschiede müssen die Mikrofone über eine Richtcharakteristik verfügen und auf ihrer gemeinsamen Achse horizontal gegeneinander gedreht stehen. Die Richtungen der Hauptempfindlichkeit beider Mikrofone bilden einen Achsenwinkel und dessen Schenkel eine zur Schallquelle gerichtete Aufnahmefläche mit den Achsenrichtungen X und Y.

Das XY-Mikrofonverfahren

Bei der Intensitätsstereofonie nach dem XY-Verfahren ist dem Mikrofonsignal X der linke Kanal und dem Mikrofonsignal Y der rechte Kanal direkt zugeordnet. Ab der Tonregie werden die Signale wie gewohnt als L und R bezeichnet. Die optimale Anordnung des Klangkörpers beim Hauptmikrofonverfahren liegt auf einem Kreisbogen vor dem Aufnahmeort. Damit erhalten alle Schallquellen den gleichen Abstand zum Aufnahmeort und zu den Seiten hin treten keine Intensitätsminderungen auf.

Der Drehwinkel, um den die Achse der Hauptempfindlichkeit jedes Mikrofons horizontal gegenläufig nach beiden Seiten gleichartig verstellt wird, wird als Versatzwinkel bezeichnet. Der folgende Videoclip zeigt für die XY-Intensitätsstereofonie den Zusammenhang zwischen dem Versatzwinkel und dem Aufnahmebereich. Der Versatzwinkel ändert sich kontinuierlich von 0° ... 90° und wirkt gegenläufig auf die beiden Mikrofone. Der Clip zeigt die Auswirkungen für zwei Mikrofontypen mit unterschiedlicher Charakteristik. Für die Nierencharakteristik wird die gewählte 15 dB Dämpfung im Polardiagramm bei 130° und bei der Supernierencharakteristik bei 100° erreicht.

Beim XY-Mikrofonieverfahren wird mit zunehmendem Versatzwinkel der Aufnahmewinkel kleiner. Das Polardiagramm zeigt deutlich, dass beim Überschreiten eines bestimmten Werts zur Klangkörpermitte hin nicht tolerierbare Absenkungen der Pegel entstehen. Kleinere Aufnahmewinkel erreicht man mit Mikrofonen in Supernierencharakteristik. Im Film verkleinert sich bei einem maximal sinnvollen Versatzwinkel von 35° der Aufnahmewinkel auf 130°. Größere Versatzwinkel führen auch hier in der Mitte zur unerwünschten Intensitätsabnahme.

Winkeldiagramme

Für die beiden Richtcharakteristiken besteht eine lineare Abhängigkeit zwischen Aufnahmewinkel und Versatzwinkel. Nach E. Sengpiel sollte anstelle des Versatzwinkels der Achsenwinkel genannt werden. Das ist der Winkel zwischen den Hauptempfindlichkeitsrichtungen der nach außen gedrehten zwei Mikrofone. Der Achsenwinkel ist doppelt so groß wie der zugehörige Versatzwinkel.

Das XY-Verfahren mit zwei Mikrofonen in Nierencharakteristik eignet sich für Klangkörpern, die einen großen Aufnahmewinkel erfordern. Das Beispiel zeigt bei einem 45°-Versatzwinkel einen Aufnahmewinkel von 170°. Größere Versatzwinkel bis 60° verkleinern den Aufnahmewinkel auf 140°, allerdings entsteht im Mittenbereich zwischen ±30° eine auf die Mittelachse bezogene Pegelabsenkung von 3 dB.

Enger angeordnete Klangkörper lassen sich nach dem XY-Verfahren optimal mit Mikrofonen in Supernierencharakteristik stereofonieren. Versatzwinkel über 40° verkleinern auch hier den Aufnahmewinkel weiter, und führen im Mittelbereich zu nicht tolerierbaren Absenkungen der Intensität.

Vom Ort der Mikrofone aus wird bei optimaler Einstellung der gesamte Klangkörper erfasst, der dann vollständig auf der Stereobasis aus dem linken und rechten Lautsprecher wiedergeben werden kann. Ist der Aufnahmewinkel größer als der aufzunehmende Klangkörper, dann bleiben die äußeren Bereiche der Stereobasis ungenutzt. In der Hörebene verliert das Klangempfinden den Stereoeffekt. Die Kanäle L und R rücken zur Mitte hin zusammen.

Ist der Aufnahmewinkel für den aufzunehmenden Klangkörper zu klein eingestellt, dann bleiben auf der Hörfläche die äußeren Schallquellen im jeweiligen Lautsprecher fixiert. Dort werden keine Phantomschallquellen erkannt. Der Versatzwinkel der Mikrofone ist zu groß eingestellt und ihre Hauptempfindlichkeitsrichtung zeigt zu weit nach links oder rechts. Die Richtcharakteristik der Mikrofone dämpft dadurch zu sehr die Schallereignisse des anderen Kanals. Nur für den vom Aufnahmebereich abgedeckten Klangkörper lassen sich auf der Hörebene Phantomschallquellen erkennen. Deren Intensität ist zu den fixierten Randbereichen vermindert, die Kanäle erscheinen nach außen gedrängt.