Individual Virtual Acoustics und Kopfhörer

Mit dem Begriff Virtual Reality werden scheinbare Wirklichkeiten bezeichnet, von Computern erzeugte räumliche Bildwelten, in denen man sich umsehen und bewegen kann. Man wird sich in Zukunft in dieser scheinbaren Welt auch umhören können, daher muß die akustische Darstellung ein Teil von Virtual Reality sein. Dementsprechend steht Virtual Acoustics für die möglichst realistische Darstellung von akustischen Ereignissen, und zwar besonders in Bezug auf deren dreidimensional räumliche Verhältnisse. Eine solche Darstellung war bisher über Kopfhörer nicht möglich.

Mit Hilfe der im HEARO realisierten Binauraltechnik gelingt erstmals die natürliche, räumliche Wiedergabe von Stereosignalen über Kopfhörer. Das bisher mit Kopfhörerwiedergabe verbundenen Problem der Im-Kopf-Lokalisation ist beseitigt. In äußerst aufwendigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden die seit einigen Jahren bekannten theoretischen Grundlagen über das räumliche Hören von AKG in ein praktisch einsetzbares Gerät umgesetzt.

Dabei mußten die für einen "Akustikgeräte-Hersteller" üblicherweise geltenden Grenzen der rein physikalischen Akustik überschritten werden. Um das Problem zu lösen, mußte vor allem der Mensch selbst, für den das Hörerlebnis erzeugt werden soll, in die Betrachtung mit einbezogen werden. Neben der Physik waren daher auch Hörphysiologie und Hörpsychologie im Umfeld der gesamten Wahrnehmungstheorie zu beachten.

Der entscheidende Schritt zur Perfektion des Systems wurde von AKG getan, indem die Möglichkeit geschaffen wurde, die individuell unterschiedlichen Eigenschaften des Gehörs verschiedener Menschen zu berücksichtigen. Der HEARO stellt daher das erste Gerät einer neuen Kategorie dar, für die der Begriff Individual Virtual Acoustics (IVA) steht.

Der HEARO stellt in Verbindung mit einem hochwertigen Kopfhörer (wie z. B. dem AKG KIOOO) ein System dar, das die Vorteile von Lautsprecher- und Kopfhörerwiedergabe vereinigt, und gleichzeitig deren jeweilige Nachteile vermeidet.

Mit dem HEARO werden der Kopfhörerwiedergabe völlig neue Dimensionen erschlossen. Im zweifachen Sinn: Einerseits wird erstmals der alte Traum aller Kopfhöreranwender Wirklichkeit, daß auch Kopfhörer eine naturgetreue Abbildung der räumlichen Verhältnisse einer Aufnahme erzeugen können. Andererseits werden mit dieser neuen Technologie viele neue Anwendungsgebiete eröffnet werden, die vor allem im professionellen Bereich bisher der Lautsprecherwiedergabe vorbehalten waren.

Kopfhörer haben gegenüber Lautsprechern einige große Vorteile: Ihre kleinen Wandlersysteme sind technisch besser beherrschbar, und können daher akustische Signale präziser wiedergeben. Sie ermöglichen hohe Abhörlautstärken, ohne die Nachbarn zu stören. Außerdem wird die Abhängigkeit von der meist ungünstigen Akustik des Wiedergaberaumes ausgeschaltet.

Mit herkömmlichen Kopfhörern ist aber bisher ein entscheidender Nachteil verbunden: 1) Die räumlichen Verhältnisse werden stark verfälscht wiedergegeben. Das akustische Geschehen wird auf den Raum zwischen den beiden Ohren komprimiert, das Orchester spielt im Kopf ! Dieser Effekt wird als Im-Kopf-Lokalisation (IKI.) bezeichnet, und steht natürlich in krassem Gegensatz zu dem Streben nach naturgetreuer Wiedergabe.

Dieser Nachteil konnte bisher trotz verschiedenster Bemühungen nicht beseitigt werden. Auch die technisch aufwendigsten Kopfhörermodelle können das Gefühl, wie im Konzertsaal die Instrumente eines Orchesters im Raum zu orten, nicht vermitteln.

Die Kopfhörer konnten daher bisher nur eingeschränkt verwendet werden: Bei der Beurteilung einer Aufnahme im Tonstudio werden sie dazu eingesetzt, um z. B. Klangfarbenfehler oder technische Störungen wie Rauschen oder Verzerrungen zu entdecken. Wichtige Qualitätskriterlen einer Aufnahme, wie Tiefenstaffelung und Räumlichkeit, also die räumliche Darstellung einer Aufnahme, konnten mittels Kopfhörer nicht beurteilt werden.

Die unnatürliche räumliche Wiedergabe ist auch ein Grund, warum sich die Kopfhörer trotz ihrer Vorzüge beim anspruchsvollen HIFI-Hörer nicht voll durchgesetzt haben. Idealerweise sollte man gar nicht bemerken, daß die Musik über die Kopfhörer wiedergegeben wird. Im Gegensatz dazu werden - nicht zuletzt aufgrund der IKL - herkömmliche Kopfhörer eher als störend empfunden.

Die Im-Kopf-Lokalisation
Wahrscheinlich seit Kopfhörer gebaut werden, beschäftigt die Im-Kopf-Lokalisation (IKL) Forscher und Entwickler. Es wurden dazu z. T. skurrile Theorien entwickelt, wobei man Erkenntnisse über das Richtungshören, die bereits viel früher gewonnen worden waren, ignorierte. Noch nach 1950 vermutete man als Ursache z. B. Eigenresonanzen von Mikrofonen und Kopfhörern, Übermodulationen (Übersteuerung) des Nervensystems und die fehlende Beschallung des Körpers. Erst 1968 wurde in einer Arbeit von Reichardt und Haustein /Lit.: 2/ erstmals die Vermutung geäußert, daß die durch die Kopfhörer ausgeschaltete Beeinflussung der Schallwelle auf ihrem Weg von der Schallquelle zum Trommelfell für die IKL verantwortlich wäre. Diese Überlegung soll anhand der folgenden Abbildungen erläutert werden:


Abb. 1 zeigt eine "natürliche" Hörsituation.
Als Schallquelle diene ein Instrument, das ein impulsförmiges Schallsignal abstrahlt. Dieser Impuls trifft von der linken Seite auf den Kopf einer Versuchsperson. Mißt man das Signal direkt vor den beiden Trommelfellen, und stellt ihren Zeitverlauf (Impulsantwort) am Oszilloskop dar, so stellt man fest, daß der Impuls stark deformiert wurde. Er wurde auf seinem Weg vom Lautsprecher zu den beiden Trommelfellen durch verschiedene physikalische Einflüsse verformt. Unmittelbar einsehbar ist, daß der Impuls am linken Ohr früher als am rechten Ohr ankommt. Durch die Abschattungswirkung des Kopfes ist außerdem das Signal am rechten Ohr leiser als am linken Ohr. Dazu kommen weitere Effekte, wie z. B. Reflexionen an den Schultern, Beugungen, und Resonanzerscheinungen an den Ohrmuscheln.

Die Art der Beeinflussung hängt von der Form der Ohren, des Kopfes, der Schultern, eigentlich von der Form des gesamten Körpers ab, und ist daher individuell unterschiedlich. Das Außenohr (dazu sind in diesem Zusammenhang neben dem Ohrkanal und der Ohrmuschel auch Kopf und Rumpf zu zählen) bildet


Abb. 2: Herkömmliche Kopfhörerwiedergabe also ein Filter, das ein Schallsignal abhängig von seiner Einfallsrichtung und seiner Frequenz beeinflußt. Die aus der Filterung durch das Außenohr resultierenden linearen Verzerrungen von Betrag und Phase des Signales werden durch die sogenannte komplexe Außenohrübertragungsfunktion beschrieben (im folgenden wird zur Vereinfachung statt dieses komplizierten Wortes der Begriff Ohrkurve verwendet). Durch die beschriebenen Effekte werden dem Schallsignal bestimmte Merkmale mitgegeben (aufgeprägt), aus denen das Gehirn den Ort ihrer Herkunft "berechnen" kann.

Im Gegensatz zur natürlichen Situation zeigt Abb. 3 die Situation bei herkömmlicher Kopfhörerwiedergabe:
Am Ort der Schallquelle wird der Impuls von einem Mikrofon MK aufgenommen und den Kopfhörern KH zugeleitet. Durch die elektrische Übertragung hat man den Impuls den Einflüssen des Körpers entzogen. Der Impuls kommt dadurch unverformt, links und rechts gleich, an den Trommelfellen an. Das Gehirn erhält daher nicht mehr die Informationen, aus denen es normalerweise den Schallquellenort "berechnen" kann. Das Gehirn (Gehör) projiziert solche Signale auf den Raum zwischen den beiden Ohren, es entsteht die für Kopfhörerwiedergabe bisher typische IKL.

Stereophonie über Lautsprecher und über Kopfhörer
Mit dem grundsätzlichen Wissen um das Entstehen der IKL kann man nun an das Problem der Stereowiedergabe über Kopfhörer gehen. Zunächst wird die Situation bei der Lautsprecherwiedergabe betrachtet, für die die meisten Aufnahmen ja auch abgestimmt sind. Bei der Wiedergabe über zwei Lautsprecher erhält man üblicherweise ein Klangbild, das sich mit dem Blick auf eine Theaterbühne vergleichen läßt: Das Klangbild wird zwischen den Lautsprechern, mit mehr oder weniger räumlicher Tiefe (Tiefenstaffelung), aufgebaut. Nach der Abb. 9: Stereophonie über Lautsprecher Theorie der Phantomquellenbildung /Lit.: 1/ sollten die einzelnen Schallquellen (Instrumente eines Orchesters) eigentlich nur auf der Verbindungslinie zwischen den Lautsprechern aufgefädelt erscheinen.

Abb. 3: Stereophonie über Lautsprecher


Abb. 4: Stereophonie über herkömmliche Kopfhörer

Man kann jedoch dem Signal sekundäre Merkmale mitgeben, die den Eindruck von räumlicher Tiefe entstehen lassen. Dies ist mit der dreidimensionalen Wirkung eines eigentlich nur zweidimensionalen Bildes zu vergleichen, in dem diese Wirkung durch perspektivische Darstellung erreicht wird.

Wird nun dasselbe Stereosignal über Kopfhörer reproduziert, verliert die Bühne ihre räumliche Tiefe, wird komprimiert, und in den Kopf des Zuhörers versetzt. Was ist passiert?

Betrachten wir zunächst nur die "halbe Stereophonie", also nur einen aktiven Lautsprecher. In Analogie zu Abb. 1 strahle der linke Lautsprecher einen Impuls ab (Abb. 3), der von einem Tonband wiedergegeben wird. Das Signal ist also auf der Aufnahme ganz links im Stereopanorama positioniert, und wird dementsprechend aus einem Winkel von 30° beim Zuhörer eintreffen. Vom Zuhörer wird der Lautsprecher als punktförmige Quelle wahrgenommen, man hat normalerweise kein Problem, ihren Ort akustisch zu lokalisieren. Mißt man die Signale am Trommelfell, stellt man wieder starke Verformungen des Impulses fest, wobei die Laufzeit- und Pegelunterschiede zwischen den beiden Ohren bei einer Schalleinfallsrichtung von 30° natürlich geringer sind als bei 90°.

Wird dasselbe Tonbandsignal über Kopfhörer gespielt, wird der Impuls nicht verändert, und erscheint nur am linken Ohr (Abb. 10). Die volle Auslenkung im Stereopanorama bewirkt jetzt einen empfundenen Schalleinfallswinkel von 90°, das Hörereignis (die empfundene Position der Schallquelle) entsteht direkt am linken Ohr, aber immer noch im Kopf. Außerdem wird in dieser Situation ein unangenehmes Druckgefühl hervorgerufen.

Die analoge Situation tritt natürlich für ein voll nach rechts ausgerenktes Signal auf Die im Stereopanorama dazwischen liegenden Phantomquellen werden auf die Verbindungslinie zwischen den beiden Ohren projiziert.

Die Lösung:

Das Prinzip: Binauraltechnik

Um das Problem der IKL zu lösen, müßte man offenbar versuchen, dem Signal, das über Kopfhörer wiedergegeben werden soll, die Merkmale mitzugeben, die für das räumliche Hören notwendig sind. Mit anderen Worten: bei Kopfhörerwiedergabe muß am Trommelfell genau das gleiche Signal entstehen, wie es beim natürlichen Hören entstehen würde. Dann wäre das Gehirn wieder in der Lage, dem Signal einen Ort zuzuordnen - das Orchester spielt wieder im Raum, nicht mehr im Kopf!

Es wäre also notwendig, den Impuls genauso zu verformen, wie dies beim natürlichen Hören der Fall ist. Wie in Abb. 5 gezeigt, wird dazu das vom Mikrofon aufgenommene Signal über zwei elektronische Einrichtungen (Filter) geschickt, die den Impuls genauso beeinflussen, wie er auf seinem Weg von der Schallquelle zum linken und rechten Trommelfell beeinflußt würde (Simulation der Ohrkurven nach Betrag und Phase). Die Messung an den Trommelfellen zeigt nun wieder dieselben Ergebnisse wie bei der "natürlichen" Hörsituation, das Gehirn erhält dadurch wieder die gewohnten Informationen, aus denen es den Ort der Schallquelle ermitteln kann. Der experimentelle Nachweis gemäß der gezeigten Anordnung wurde von Laws erst 1972 /Lit.: 3/ gegeben.

Entsprechende Verfahren werden mit dem Begriff Binauraltechnik bezeichnet, der sich vom Hören mit zwei Ohren (=binaurales, Hören) ableitet: Ähnlich wie für das dreidimensionale Sehen zwei Augen notwendig sind, ist auch das räumliche Hören nur mit beiden Ohren möglich.

Binaurale Stereophonie über Kopfhörer
Aus Abb. 5 kann damit die Lösung für das Problem der Stereowiedergabe über Kopfhörer abgeleitet werden. Anstatt einer realen Schallquelle sollen quasi zwei Lautsprecher simuliert werden: Für jeden der beiden Lautsprecher muß ein Filterpaar in den Signalweg eingeschleift werden, um die entsprechenden Ohrkurven (für +/- 30°) nachzubilden (Abb. 6). Die beiden Ausgangssignale der jeweils dem linken und rechten Ohr zugeordneten Filter werden summiert, und dem linken und rechten Kopfhörer zugeführt.

Wenn auf diese Weise die beiden Lautsprecher richtig simuliert werden, gelingt auch die Darstellung der Phantomquellen, und damit des gesamten auf der Aufnahme enthaltenen Stereopanoramas, mit allen seinen Merkmalen, also auch der räumlichen Anordnung.

Abb. 6: Binaurale Stereophonie über Kopfhörer
Die praktische Umsetzung dieser an sich naheliegenden Lösung ist allerdings mit erheblichem Aufwand verbunden, und erst in jüngster Zeit mit Hilfe modernster Technik möglich geworden. So erfordert die Messung im Ohrkanal spezielle Miniaturmikrofone und Meßverfahren, die Realisierung der Simulation durch digitale Filter wurde erst durch die rasante Entwicklung der Mikroprozessor- bzw. Signalprozessortechnologie möglich.

An dieser Stelle ist speziell darauf hinzuweisen, daß durch die binaurale Bearbeitung das Signal nicht "verzerrt" wird, um einen künstlichen Effekt zu erzielen, was einem "puristischen" Ansatz widersprechen würde, sondern im Gegenteil versucht wird, das Signal eben genauso an das Trommelfell zu bringen, wie dies in der Lautsprechersituation geschehen würde. Das Ziel ist, die Aufnahme möglichst unverfälscht wiederzugeben, ohne etwas hinzuzufügen oder wegzulassen.

Die Realisierung

AKG und die Binauraltechnik
Die praktische Umsetzung des im vorigen Kapitel beschriebenen Ansatzes ist allerdings mit erheblichem Aufwand verbunden - im Detail sind sehr viele Hindernisse zu überwinden. Entscheidende Fortschritte konnten erst seit der praktischen Verfügbarkeit der digitalen Signalverarbeitung gemacht werden, die die binaurale Bearbeitung akustischer Signale in der Praxis realisierbar macht.