Wassertropfen zieht im Wasser Kreise.

Von der Schallquelle zum HiFi-Sound

Wie entsteht eigentlich Klang? Was genau geht vor sich, wenn wir über eine Audioanlage wiedergegebene Musik hören? Bis wir unsere Lieblingssongs in guter Klangqualität genießen können, passiert auf dem Weg des Schalls jede Menge. Wir erklären dir die Welt der Schallwellen und Frequenzen.

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Die Physik der Schallwellen

Am Anfang steht die Schwingung. Schallwellen sind nichts Anderes als durch Druckveränderung in Schwingung geratene Luft. Eine Schallwelle kommt selten allein, und die Häufigkeit der Schallwellen (Frequenz) pro Sekunde bestimmt die Höhe des Tons: Je höher die Frequenz, desto höher der Ton. Dabei nehmen wir nur Frequenzen zwischen etwa 20 und 20.000 Hertz wahr.

Wie wird der satte Sound einer HiFi-Anlage zu einem Klanggenuss? Was genau geht da technisch vor sich? Um dieses Wunderwerk zu beschreiben, machen wir einen kurzen Abstecher in die Physik. Für die Akustik und HiFi-Technik sind drei Dinge entscheidend:

  • das Vorhandensein einer Schallquelle
  • der Weg des Schalls durch die Luft
  • die Verarbeitung des Schalls in unserem Gehör

Die Schallquelle bringt die Luft zum Schwingen. Das kann jedes Medium sein: ein physikalischer Festkörper ebenso wie Gase und Flüssigkeiten. Die vibrierende Membran eines Lautsprechers, eine angeschlagene Gitarrensaite oder die Stimmbänder eines Menschen – im Prinzip ist alles eine Schallquelle, was schwingungsfähig ist, mittels Energie aktiviert werden kann und daraufhin Schall abstrahlt. Die Gitarrensaite wird mechanisch durch den Anschlag der Finger in Bewegung gesetzt, die Stimmbänder mithilfe der durch den Kehlkopf strömenden Luft.

Der Schall stößt die vielen kleinen Gasteilchen der umgebenden Luft an. Die angestoßenen Moleküle bringen in einer Kettenreaktion alle benachbarten Moleküle in Aufruhr. Haben sie den Stoß weitergegeben, gelangen sie wieder in die anfängliche Ruheposition. Von der Schallquelle ausgehend, setzt sich die Molekülbewegung in alle Richtungen wellenartig fort.

Das aufheulende Klangspiel des Led-Zeppelin-Gitarristen Jimmy Page oder das sanfte Fingerpicking eines Beatles-Songs: Wie gelangen nun die Gitarrenklänge über Platte oder Musikstreaming in unser Ohr? Der lange Weg des Schalls hat folgende Stationen:

  • Das Mikrofon des Aufnahmestudios registriert die Schwingungen der Schallquelle (Gitarre) und wandelt diese in elektrische Signale um.
  • Das Aufnahmegerät übersetzt und verschlüsselt das elektrische Signal und prägt es als Rille auf einer Schallplatte ein oder wandelt es in ein digitales Format (z. B. MP3, Dolby- und DTS-Formate) um, indem es diese als Binärzahlen kodiert.
  • Ausgabegeräte wie Schallplattenspieler oder MP3-Player dekodieren das verschlüsselte Signal und wandeln es um.
  • Über den Lautsprecher gelangen die Schallwellen beispielsweise einer HiFi-Anlage wieder in die Luft, indem der Schallwandler des Speakers die elektrischen Signale in Schall transformiert. Die Lautsprechermembran bewegt sich in einer bestimmten Frequenz. Das versetzt die umgebende Luft in Schwingung, und dadurch breitet sich die Schallwelle aus.
  • Damit wir den Klang der Gitarre wahrnehmen, führt der Weg des Schalls über Ohrmuscheln und Gehörgänge, wo feine Haarzellen die Schwingungen an Nervenzellen weitergeben und vom Gehirn verarbeitet werden.

Die vom Lautsprecher ausgestrahlten Schallwellen kannst du sogar spüren. Stehst du zu nah an einem Speaker, der einen fetten Bass wiedergibt, spürst du das Vibrieren mitunter im ganzen Körper. Stehst du dahinter, fehlt dieser Effekt und auch die Musik ist wesentlich leiser.

Zwei übereinander liegende Schallplatten.
Vom Tonträger bis zum Musikgenuss – ein wahres Schallwunder.

Der Weg des Schalls im Raum

Die Entwickler eines Lautsprechers müssen tief in die Materie Raumakustik eintauchen.
So muss die Bauweise von Lautsprechern die Art berücksichtigen, wie sich Schallwellen ausbreiten. Besonders wichtig ist die Tatsache, dass sich die Wellen einer Schallquelle gleichmäßig im Raum mit einer Geschwindigkeit von 340 Metern pro Sekunde verteilen. Zudem werden Schallwellen reflektiert, wenn sie auf einen Gegenstand treffen. Für HiFi-Anwendungen ist das ein großer Vorteil: Das könntest du selbst überprüfen, wenn du dir die Mühe machen würdest, einen Lautsprecher auf einem freien Feld aufzustellen. Schnell würdest du merken, dass da nicht viel Klang ist, da sich dieser in der Weite verliert. Du würdest nur den direkt ausgestrahlten Schall wahrnehmen, der allerdings auf dem Feld kraftlos wirkt. Das Reflexionsverhalten in einem geschlossenen Raum kannst du übrigens selber steuern, um die Schallwellen in den eigenen vier Wänden zu verstärken.

Was heißt eigentlich laut?

Was laut ist und was leise, das hört jeder anders. Wie laut wir Geräusche oder musikalische Klänge empfinden, hängt vor allem vom Druck der Schallwellen ab. Neben dem Schalldruck spielt auch die Frequenzhöhe eine Rolle dabei, wie unangenehm wir die Lautstärke eines Tons empfinden. Höhere Frequenzen stören uns sehr viel schneller als tiefere.

Düsenjet, der durch eine weiße Wolke fliegt.
Ein Jet durchbricht die Schallmauer – für viele das vorstellbare lauteste Geräusch

Den Schall richtig reflektieren

Die in einem geschlossenen Raum reflektierten Schallwellen beeinflussen die Klangwirkung wesentlich. Deshalb legen Audiophile so viel Wert auf die Raumakustik. Reflexionen sind grundsätzlich nicht schlecht, aber zu viele sollten es auch nicht werden. So schmälern leere Räume mit glatten Wänden die Qualität des Klangs. Für eine gute Raumakustik entscheidend ist die Nachhallzeit. Damit ist die Zeit gemeint, die vergeht, bis in einem Raum der Schalldruck auf einen bestimmten Wert abgefallen ist. Ist sie zu lang, hallt die Musik unerwünscht nach.

Wo der Sound am besten klingt

Die Gestaltung des Raums ist die eine Sache, die Aufstellung der Anlage beziehungsweise die Hörposition eine andere. Dort, wo sich der Klang am besten entfaltet, spricht man von einem Sweet Spot. Bei einer Stereoanlage entsteht er, wenn der Abstand zwischen den Lautsprechern und der Hörposition gleich groß ist. Auch im Heimkinobereich bleibt dieses gleichschenklige Stereodreieck bestehen, darüber hinaus müssen Subwoofer, Center-Lautsprecher und die Lautsprecher im hinteren Bereich ausgerichtet werden. Wenn Lautsprecher und Hörposition nicht aufeinander abgestimmt sind, leidet der Raumklang sehr. Ein Tipp: Hilfssoftware wie Audyssey hilft Audiophilen, die Lautsprecher richtig auszurichten.

Waveguide-Konstruktion des Teufel-Hochtöners Ultima 40.
Unser Ultima 40 ist ein sogenannter Waveguide, der Schallwellen bündelt und verstärkt.

Die Wellenfeldsynthese

Die Wellenfeldsynthese führt in den Bereich der Psychoakustik. Mit diesem Verfahren werden Schallwellen so erzeugt, dass der Hörer sie als reale Schallereignisse wahrnimmt. Das Verfahren bietet den großen Vorteil, dass der Hörer unabhängig von seiner Position die Schallquelle immer am gleichen Ort verortet. Einen Nachteil hat die Wellenfeldsynthese allerdings: Der Aufwand ist sehr groß, weswegen es bisher nur Forschungseinrichtungen durchführen. Außerdem funktioniert dies nicht bei Mehrkanalsystemen im Heimkino. Hier entstehen zwischen den jeweiligen Lautsprechern „virtuelle Schallquellen“. An welcher Stelle wir diese verorten, hängt von deren Positionen ab. Das ist auch einer der Gründe, weshalb wir den sogenannten Sweet Spot finden sollten.

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Fazit: Von der Schallwelle zum musikalischen Klang

  • Schallquellen erzeugen Schwingungen, die im Raum reflektiert werden.
  • Bei der Wiedergabe eines Tonträgers werden elektrische Signale wieder in Schallwellen übersetzt.
  • Von der Ohrmuschel gelangt der Schall in den Gehörgang und wird anschließend vom Gehirn verarbeitet.
  • Bei der Wahrnehmung der Lautstärke spielt vor allem die Frequenzhöhe eine Rolle.
  • Auch die Beschaffenheit des Raumes entscheidet über die Klangqualität.
Titelbild: Compressed and rarefied air particles of sound waves, Quelle: Wikimedia

Titelbild: © Levi XU bestimmte Rechte vorbehalten. Quelle: Unsplash
Bild 1: © Manuel Sardo bestimmte Rechte vorbehalten. Quelle: Unsplash
Bild 2: Jet durchbricht Schallmauer: Dieses Bild ist das Werk eines Seemanns oder Angestellten der U.S. Navy, das im Verlauf seiner offiziellen Arbeit erstellt wurde.
Diese Datei wurde als frei von jeglichen bekannten Einschränkungen des Urheberrechts, einschließlich verbundener und benachbarter Rechte erkannt.
Bild 3: Hochtöner Ultima 40 von Teufel

 

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Teufel Blog Redaktion

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