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Grundlagen der Akustik 2 - Phase, Schallquellen

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Grundlagen der Akustik 2 - Phase, Schallquellen

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https://alexisbaskind.net/teaching besuchen für eine vollständige, interaktive Version dieses Kurses mit Ton- und Videomaterial sowie mehr Kurs und -Material.

Kursreihe: Grundlagen der Akustik für Toningenieure und Musikproduzenten
Niveau: Bachelor
Sprache: Deutsch
Revision: Januar 2020
Diesen Kurs zitieren: Alexis Baskind, Grundlagen der Akustik 2 - Phase, Schallquellen
Kursmaterial, Lizenz: Creative Commons BY-NC-SA.

Kursinhalt
1. Die Phase
Sinuswelle, Phase und komplexe Signale, gleichphasige Signale, 90°-verschobene Signale, gegenphasige Signale, konstruktive und destructive Interferenzen, Kammfilter, Phasenumkehr, Phasenverschiebung

2. Ungerichtete Schallquellen (Monopolquellen)
Definition von ungerichteten Quellen, Abstrahlcharakteristik, Kugelwellen, Monopolquellen und Abstandsgesetz

3. Ebene Wellen, Nahfeld, Fernfeld
Definition von Ebene-Wellen, Nahfeld, Fernfeld

4. Dipolquellen
Definition von Dipolquellen, Abstrahlcharakteristik

5. Dipolquellen in Nah- und Fernfeld
frequenzabhängiges Verhalten von Dipolen in Nah- und Fernfeld

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Kursinhalt
1. Die Phase
Sinuswelle, Phase und komplexe Signale, gleichphasige Signale, 90°-verschobene Signale, gegenphasige Signale, konstruktive und destructive Interferenzen, Kammfilter, Phasenumkehr, Phasenverschiebung

2. Ungerichtete Schallquellen (Monopolquellen)
Definition von ungerichteten Quellen, Abstrahlcharakteristik, Kugelwellen, Monopolquellen und Abstandsgesetz

3. Ebene Wellen, Nahfeld, Fernfeld
Definition von Ebene-Wellen, Nahfeld, Fernfeld

4. Dipolquellen
Definition von Dipolquellen, Abstrahlcharakteristik

5. Dipolquellen in Nah- und Fernfeld
frequenzabhängiges Verhalten von Dipolen in Nah- und Fernfeld

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Grundlagen der Akustik 2 - Phase, Schallquellen

  1. 1. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Grundlagen der Akustik 2 Phase, Schallquellen Alexis Baskind, https://alexisbaskind.net
  2. 2. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Grundlagen der Akustik 2 - Phase, Schallquellen Kursreihe Grundlagen der Akustik für Toningenieure und Musikproduzenten Niveau Bachelor Sprache Deutsch Revision Januar 2020 Diesen Kurs zitieren Alexis Baskind, Grundlagen der Akustik 2 - Phase, Schallquellen, Kursmaterial, Lizenz: Creative Commons BY-NC-SA. Vollständige, interaktive Version dieses Kurses mit Ton- und Videomaterial sowie mehr Kurs und -Material auf https://alexisbaskind.net/teaching. Except where otherwise noted, content of this course material is licensed under a Creative Commons Attribution- NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
  3. 3. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Inhaltsverzeichnis 1. Die Phase 2. Ungerichtete Schallquellen (Monopolquellen) 3. Ebene Wellen, Nahfeld, Fernfeld 4. Dipolquellen 5. Dipolquellen in Nah- und Fernfeld
  4. 4. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Die Phase • Eine Sinuswelle ist periodisch: die gesamte Dauer des Zyklus ist die Periodendauer Zeit Periodendauer = 1/Frequenz
  5. 5. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Phasenwinkel (Grad) Periode = 360° • Die Phase (oder Phasenwinkel) beschreibt den Zustand des Sinuszyklus nach der Zeit als Bruchteil der Periodendauer. • Die Phase hängt nicht von der Frequenz ab • Die Phase wird als Winkel gegeben, entweder in Grad angegeben (ganzer Zyklus = 360°) ... Die Phase 0° 450° = 90°...180° 270° 360° = 0°
  6. 6. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Periode = 2π Radiant • ... Oder in Radianten (ganzer Zyklus = 2π) Die Phase 0 π/2 π 3π/2 5π/2 = π/2... 2π = 0 Phasenwinkel (Radiant)
  7. 7. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind • Der Phasenwinkel ist nicht nur für Sinuswellen relevant, sondern für alle zeitvarianten Signale • In der Tat kann jedes Signal (siehe vorherige Vorlesung) als eine (endliche oder unendliche) Summe von Sinuswellen mit unterschiedlichen Frequenzen betrachtet werden. • Das heißt: für ein komplexes Signal, zu jedem Zeitpunkt, kann der entsprechende Phasenwinkel für jeden Frequenzanteil berechnet werden • Was bedeutet aber der Phasenwinkel für die Musikproduktion? Inwiefern ist es für das Gehör relevant? Phase und komplexe Signale
  8. 8. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind • Der Begriff „Phase“ ist eng mit der Zeit verbunden: genauer gesagt kann eine Phasenverschiebung als eine Zeitverschiebung in Bezug auf die Periodendauer betrachtet werden • Eine der wichtigsten Interpretationen der Phase im Audiobereich betrifft die Zeitsynchronisation zwischen zwei Signalen: wenn zwei Signale perfekt synchron sind, sind die Phasen gleich für alle Frequenzen und umgekehrt. Beispiele: – Zeitkorrektur zwischen Spuren für einen Mix – Einstellung eines Subwoofers Phase und Zeit
  9. 9. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind • Phase spielt eine zentrale Rolle in Interferenzen, d.h. wenn zwei Sinuswellen mit derselben Frequenz addiert werden • Das Ergebnis ist wieder eine Sinuswelle mit derselben Frequenz. Allerdings hängt die Amplitude von der Phasenbeziehung zwischen den Komponenten ab. • Es gibt u.a. drei wichtige Fälle: – Phasenunterschied = 0° => beide Frequenzen sind gleichphasig – Phasenunterschied = ±90° (engl: „in quadrature“) – Phasenunterschied = 180° => beide Frequenzen sind gegenphasig Phase und Interferenzen
  10. 10. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Sinuswelle 1 Sinuswelle 2 Sinuswelle 1 + Sinuswelle 2 Fall 1: beide Signale sind gleichphasig Phase und Interferenzen Die Amplitude der resultierenden Sinuswelle ist 2x größer (+6dB) Beide Sinuswellen sind synchron Notiz: hier wird angenommen, dass beide Sinuswellen dieselbe Amplitude haben
  11. 11. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Fall 2: Phasenverschiebung von 90° Phase und Interferenzen Wenn eine Sinuswelle ist maximal oder minimal ist, ist die andere ist gleich 0 Die Amplitude der resultierenden Sinuswelle ist +3dB größer Sinuswelle 1 Sinuswelle 2 Sinuswelle 1 + Sinuswelle 2
  12. 12. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Fall 3: beide Signale sind gegenphasig Phase und Interferenzen Die Wellenformen sind zueinander spiegel- verkehrt: Maxima der ersten entsprechend Minima der zweiten und umgekehrt Die Amplitude ist 0, beide Sinuswellen löschen sich gegeneinander aus. Sinuswelle 1 Sinuswelle 2 Sinuswelle 1 + Sinuswelle 2
  13. 13. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Die resultierende Amplitude nach dem Phasenunterschied Phase und Interferenzen Phasen- unterschied 0° 90° 180° 270° 360° Verstärkung (dB) Fall 1: gleichphasig (0°)=> +6 dB Fall 3: gegenphasig (180°) => Schweigen (-∞ dB) Fall 2: +/-90°=> +3 dB
  14. 14. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Phase und Interferenzen • rot: Schalldruck größer als der von einer einzelnen Quelle (konstruktive Interferenzen) • grün: Schalldruck ≈ 0 (destruktive Interferenzen) • Das Interferenzmuster ist von der Frequenz und vom Abstand zwischen den Quellen abhängig Probieren Sie selbst: http://www.falstad.com/ripple/ Bildquelle: Oleg Alexandrov Das ist der Grund, warum zwei simultane Schallquellen ein Interferenzmuster erzeugen (siehe “Grundlagen der Akustik 1”)
  15. 15. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind • Beispiel: eine Schallquelle wird mit zwei Mikrofonen aufgenommen (mit einem Abstand zwischen beiden), deren Signal danach gemischt werden => Wie sieht das Ergebnis aus? Phase und Interferenzen + 1+2=? d1 d2 d1 und d2 sind die Distanzen von der Quelle jeweils zu Mikrofon 1 und 2 1 2
  16. 16. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Es wird zuerst angenommen: – Dass der Schall sinusförmig ist – dass die von jedem Mikrofon aufgenommenen Schalldruckpegel dieselben sind (die Schwächung wegen des Abstands ist vernachlässigt) – dass die Mikrofone identisch sind, und dass sie den Schalldruck ohne Filterung exakt abnehmen (perfekte Druckempfänger) In diesem Fall haben beide Signale nach der Umwandlung zu Sinustönen dieselbe Frequenz und dieselbe Amplitude Aber die Phasenwinkel sind unterschiedlich! Phase und Interferenzen
  17. 17. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Phase und Interferenzen d1 d2 1 2 2 1 Quelle Der Phasenunterschied zwischen beiden Signalen ist vom Abstandsunterschied (d1-d2), von der Schallgeschwindigkeit und von der Frequenz abhängig 1+2 Zeit (ms) Zeitverzögerung Beispiel: Abstand d2-d1 = 1 Meter => Zeitverzögerung = (d2-d1)/c ≈ 3ms © Alexis BaskindGrundlagen der Akustik 2
  18. 18. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Phase und Interferenzen d1 d2 1 2 2 1 Quelle Der Phasenunterschied zwischen beiden Signalen ist vom Abstandsunterschied (d1-d2), von der Schallgeschwindigkeit und von der Frequenz abhängig 1+2 tiefe Frequenzen  Beide Signale sind gleichphasig Beispiel: Abstand d2-d1 = 1 Meter => Zeitverzögerung = (d2-d1)/c ≈ 3ms Zeit (ms) Zeitverzögerung © Alexis BaskindGrundlagen der Akustik 2
  19. 19. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Phase und Interferenzen d1 d2 1 2 2 1 Quelle Der Phasenunterschied zwischen beiden Signalen ist vom Abstandsunterschied (d1-d2), von der Schallgeschwindigkeit und von der Frequenz abhängig 1+2  Phasenunterschied = 90° Beispiel: Abstand d2-d1 = 1 Meter => Zeitverzögerung = (d2-d1)/c ≈ 3ms Zeit (ms) Zeitverzögerung © Alexis BaskindGrundlagen der Akustik 2 F=85Hz ( λ=4(d2-d1) )
  20. 20. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Phase und Interferenzen d1 d2 1 2 2 1 Quelle Der Phasenunterschied zwischen beiden Signalen ist vom Abstandsunterschied (d1-d2), von der Schallgeschwindigkeit und von der Frequenz abhängig 1+2 Beispiel: Abstand d2-d1 = 1 Meter => Zeitverzögerung = (d2-d1)/c ≈ 3ms F=170Hz ( λ=2(d2-d1) ) Zeit (ms) Zeitverzögerung  Beide Signale sind gegenphasig © Alexis BaskindGrundlagen der Akustik 2
  21. 21. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Phase und Interferenzen d1 d2 1 2 2 1 Quelle Der Phasenunterschied zwischen beiden Signalen ist vom Abstandsunterschied (d1-d2), von der Schallgeschwindigkeit und von der Frequenz abhängig 1+2 F=340Hz ( λ=d2-d1 )Beispiel: Abstand d2-d1 = 1 Meter => Zeitverzögerung = (d2-d1)/c ≈ 3ms Zeit (ms) Zeitverzögerung  Beide Signale sind wieder gleichphasig © Alexis BaskindGrundlagen der Akustik 2
  22. 22. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Phase und Interferenzen d1 d2 1 2 2 1 Quelle Der Phasenunterschied zwischen beiden Signalen ist vom Abstandsunterschied (d1-d2), von der Schallgeschwindigkeit und von der Frequenz abhängig 1+2 Beispiel: Abstand d2-d1 = 1 Meter => Zeitverzögerung = (d2-d1)/c ≈ 3ms Zeit (ms) Zeitverzögerung  Wieder Phasenverschiebung=90°, usw. © Alexis BaskindGrundlagen der Akustik 2 F=425Hz ( λ=4/5(d2-d1) )
  23. 23. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Phase und Interferenzen Frequenz(Hz) (lineare Skala)F0 2 F0 2F0 3F0... => Diese Art von Filterung heißt Kammfilter Verstärkung (dB) 3F0 2 Hier F0=340 Hz ist die Frequenz, wo die Wellenlänge ist gleich dem Abstand d2-d1
  24. 24. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind F0 2 F0 3F0... 3F0 2 => Diese Art von Filterung heißt Kammfilter Phase und Interferenzen Hier F0=340 Hz ist die Frequenz, wo die Wellenlänge ist gleich dem Abstand d2-d1 Frequenz(Hz) (logarithmische Skala) Verstärkung (dB)
  25. 25. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind F0 2 F0 3F0... 3F0 2 Phase und Interferenzen Wenn das spätere Signal leiser ist, tritt immer noch ein Kammfilter auf, allerdings mit geringerem Umfang (hier z.B. ist das spätere Signal 6dB leiser als das frühere) Frequenz(Hz) (logarithmische Skala) Verstärkung (dB)
  26. 26. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind • Kammfilter treten nicht nur mit Sinustönen auf, sondern mit allen möglichen Klängen (da jeder Klang als eine Summe von Sinustönen betrachtet werden kann) • Praktische Beispiele (probiert es mit einer DAW und einem Zeitverzögerungs-Plugin, und bildet eurer Gehör aus, einen Kammfilter zu erkennen): – Rosa Rauschen – Schlagzeug – Vokal-Aufnahme… Phase und Interferenzen
  27. 27. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind • Fazit: eine Zeitverzögerung entspricht einer frequenzabhängigen Phasenverschiebung. • Wenn zwei sehr ähnliche aber nicht synchrone Signale in Mono gemischt werden, tritt ein Kammfilter auf. • In Stereo/Mehrkanal ist es aber anders: wenn diese zwei Signale mit zwei unterschiedlichen Schallquellen abgespielt werden, ist der Kammfiltereffekt ist viel geringer, aber der Präzedenz-Effekt muss dann miteinbezogen werden (siehe Vorlesung über räumliches Hören) Phase und Interferenzen
  28. 28. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind • Es ist sehr wichtig, einen Kammfilter schnell erkennen und, falls nötig, ihn unterdrücken zu können • Einige üblichen Ursachen dafür sind: – Fehlerhafte (verdoppelte) Signalführung (z.B. Direct- Monitoring + DAW-Monitoring gleichzeitig) – Problem bei dem Latenzausgleich in einer DAW – Mehr als ein Mikrofon pro Schallquelle (manchmal nötig, aber muss vorsichtig eingestellt werden) • Manchmal sind aber Kammfilter gewünscht: z.B. ist ein Flanger ein zeitmodulierter Kammfilter Phase und Interferenzen
  29. 29. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind • Phasenumkehr (oder Phaseninversion) ist ein anderes Phänomen, das oft mit Phasenverschiebung verwechselt wird • Das entspricht einer Multiplikation des Signals mit -1 • Eine Phasenumkehr tritt z.B. in analoger Tontechnik durch das Umtauschen zwischen beiden Polen („+“ und „-“) einer symmetrischer Signalleitung auf = Verpolung Phasenumkehr Originales Signal Nach Verpolung Zeit Zeit
  30. 30. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind • Eine Phasenumkehr entspricht einer Phasenverschiebung von 180° für alle Frequenzen: alle Frequenzanteile des Signals sind mit dem Original gegenphasig • Es kann dank einer Inversion der Polarität (im Vorverstärker oder mittels eines Plugins) korrigiert werden Phasenumkehr Originales Signal Nach Verpolung Zeit Zeit
  31. 31. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind 1. Fall: Beide Signal sind in Mono gemischt => das Ergebnis ist einfach Null Konsequenzen von Phasenumkehr Signal 1 Signal 2 + 1+2=Schweigen
  32. 32. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind 2. Fall: Stereo: jedes Signal wird auf einem Kanal abgespielt werden => die Ortung ist unmöglich, und die tiefen Frequenzen fehlen Konsequenzen von Phasenumkehr Signal 1 Signal 2 L R ? ? ?? ?
  33. 33. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind • In der Praxis ist eine partielle (oft für die tiefen Frequenzen) 180°-Phasenverschiebung auch möglich • Beispiel: Aufnahme eines Snare-Drums: ein Snare- Drum verhält sich im Tiefenbereich wie ein Dipol (siehe unten): der Schalldruck oben und der Schalldruck unten sind entgegengesetzt Partielle Phasenumkehr Dasselbe Prinzip gilt auch für: . Kick-Drum . Gitarrenverstärker …
  34. 34. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind • Wichtig: eine Zeitverschiebung kann nicht mit der Umkehrung der Phase korrigiert werden, und umgekehrt: sie entsprechen unterschiedlichen Arten von Phasenverschiebungen • Zeitverschiebungen und Phasenumkehrungen sind aber nicht immer Probleme, je nachdem was man erreichen möchte. Am besten mit den Ohren beurteilen! • Es ist aber sehr wichtig in der Tontechnik, ein Problem mit den Phasen schnell erkennen und lösen zu können Phasenumkehr und Zeitverschiebung
  35. 35. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Inhaltsverzeichnis 1. Die Phase 2. Ungerichtete Schallquellen (Monopolquellen) 3. Ebene Wellen, Nahfeld, Fernfeld 4. Dipolquellen 5. Dipolquellen in Nah- und Fernfeld
  36. 36. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Monopolquellen • Für ungerichtete Quellen, auch Monopolquellen genannt, ist die Abstrahlung unabhängig von der Richtung • Sie erzeugen Kugelwellen (engl. „spherical waves“) (hier nur zweidimensional dargestellt) Bildquelle: Daniel A. Russel
  37. 37. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Monopolquellen • Ein Lautsprecher mit Gehäuse kann als eine Kugelquelle bei tiefen Frequenzen betrachtet werden • Bei höheren Frequenzen gilt es aber nicht mehr Bildquelle: Daniel A. Russel
  38. 38. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Monopolquellen – Abstandsgesetz (wieder) • Eine Schallquelle hat eine begrenzte Schallleistung • Diese Leistung wird über die Wellenfront (eine Kugel) ausgebreitet werden Vorsicht: Das vorher erwähnte Abstandgesetz (Abnahme von -6 dB des Schalldruckpegels pro Verdopplung des Abstands zur Quelle) gilt nur für Monopolquellen!!! Bildquelle: Borb (Wikipedia)
  39. 39. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Monopolquellen – Abstandsgesetzt (wieder) • Der Schalldruck im Zentrum ist unendlich • In der Praxis findet es nie statt: echte Monopolquellen (also reine Punktquellen) gibt es nicht, es handelt sich um ein Modell!
  40. 40. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Inhaltsverzeichnis 1. Die Phase 2. Ungerichtete Schallquellen (Monopolquellen) 3. Ebene Wellen, Nahfeld, Fernfeld 4. Dipolquellen 5. Dipolquellen in Nah- und Fernfeld
  41. 41. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Ebene Wellen • Für eine ebene Schallwelle variieren der Schalldruck und die Schallschnelle nur in einer Dimension • Unter anderem ist der Schalldruckpegel unabhängig von der Entfernung
  42. 42. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Nahfeld - Fernfeld • Wenn das Mikrofon nah an der Quelle ist, variieren die Eigenschaften des Schalls viel mit der Position Das heißt Nahfeld Große Empfindlichkeit zur Position
  43. 43. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Nahfeld - Fernfeld • Wenn das Mikrofon weit von der Quelle entfernt ist, sind die Eigenschaften des Schalls von der Position nur gering abhängig Geringe Empfindlichkeit zur Position • Die Schallwelle verhält sich lokal als eine ebene Welle Das heißt Fernfeld
  44. 44. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Nahfeld - Fernfeld • Im Nahfeld reagieren der Pegel, das Spektrum (siehe letzten Teil dieser Vorlesung) und die Phasenbeziehungen sehr empfindlich auf die Position des Hörers bzw. des Mikrofons • Im Fernfeld ist das Verhalten der Schallwelle und dadurch das Klangbild stabiler • In Tonregien gibt es üblicherweise Nahfeld- und Fernfeld-Monitoren – Fernfeld-Monitoren sind fürs Abspielen und für die Beurteilung des Klangbilds von mehreren Personen geeignet. Sie sind üblicherweise größer – Nahfeld-Monitoren sind nur für die Person an der Mischposition geeignet
  45. 45. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Inhaltsverzeichnis 1. Die Phase 2. Ungerichtete Schallquellen (Monopolquellen) 3. Ebene Wellen, Nahfeld, Fernfeld 4. Dipolquellen 5. Dipolquellen in Nah- und Fernfeld
  46. 46. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Dipolquellen • Dipolquellen (engl. „Bidirectional sources“ oder „dipoles“) bestehen aus zwei gegenphasigen Monopolquellen, die mit einem kleinen Abstand im Vergleich zur Wellenlänge voneinander entfernt sind - +
  47. 47. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Dipolquellen Die Abstrahlungscharakteristik ergibt sich aus Interferenzen zwischen beiden Polen. Allerdings sieht das Interferenzmuster durch die Phasenumkehrung anders aus als im Teil 1 dieser Vorlesung: • An den Seiten (90°) ist der daraus resultierende Schalldruck und die Schallschnelle immer gleich Null (Teilchen bewegen sich nicht) • Auf der Achse ist der Schalldruckpegel maximal (von Daniel A. Russell)
  48. 48. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Dipolquellen Die Dipolquelle ist ein vereinfachtes Modell von Lautsprechern ohne Gehäuse (oder von Ohrhörern) bei den tiefen Frequenzen Abstrahlungscharakteristik - Polardiagramm +- (von Daniel A. Russell)
  49. 49. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Inhaltsverzeichnis 1. Die Phase 2. Ungerichtete Schallquellen (Monopolquellen) 3. Ebene Wellen, Nahfeld, Fernfeld 4. Dipolquellen 5. Dipolquellen in Nah- und Fernfeld
  50. 50. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Dipolquellen in Nah- und Fernfeld • Im Gegenteil zu Monopolquellen weisen Dipolquellen ein unterschiedliches Frequenzverhalten im Nah- und Fernfeld auf: – In Fernfeld werden sich die tiefsten Frequenzen auslöschen – In Nahfeld werden die tiefsten Frequenzen angehoben • Dieses Phänomen, das alle gerichtete Quellen betrifft (und nicht nur Dipolquellen), ist konzeptuell sehr ähnlich wie das sogenannte „Nahbesprechungseffekt“ für gerichtete Mikrofone (Siehe Vorlesung über Mikrofone) • Die Erklärung dieses Phänomens benötigt ein Verständnis des Abstandsgesetzes sowie der auftretenden frequenz- und abstandsabhängigen Phasenunterschiede
  51. 51. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Dipolquellen in Nah- und Fernfeld - + 1a – Mikrofon in Fernfeld / tiefe Frequenzen • Das Abstandsverhältnis von jedem Monopol zum Mikrofon ist nah bei 1:  Die Schalldrückpegel, die jedem Monopol entsprechen, sind fast gleich • Die Zeitverzögerung relativ zur Periodendauer (=>Phasenverschiebung) ist bei tiefen Frequenzen sehr gering Der gesamter Schalldruck liegt nah bei 0 rot = “+” Schalldruck blau= “-” Schalldruck Grün = Summe Zeit (s)
  52. 52. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Dipolquellen in Nah- und Fernfeld - + 1b – Mikrofon in Fernfeld / hohe Frequenzen • Das Abstandsverhältnis von jedem Monopol zum Mikrofon ist nah bei 1:  Die Schalldrückpegel, die jedem Monopol entsprechen, sind fast gleich • Aber die Phasenverschiebung ist bei hohen Frequenzen nicht mehr vernachlässigbar rot = “+” Schalldruck blau= “-” Schalldruck Grün = Summe Zeit (s) Der gesamter Schalldruck ist nicht 0
  53. 53. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Dipolquellen in Nah- und Fernfeld - + rot = “+” Schalldruck blau= “-” Schalldruck Grün = Summe Zeit (s) 2a – Mikrofon in Nahfeld / tiefe Frequenzen • Der Abstandsunterschied von jedem Monopol zum Mikrofon ist nicht mehr nah bei 1:  Die Schalldrückpegel, die jedem Monopol entsprechen, sind nicht gleich • Die Phasenverschiebung ist bei tiefen Frequenzen sehr gering Der gesamte Schalldruck ist nicht 0 und hängt vom Abstandverhältnis ab
  54. 54. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Dipolquellen in Nah- und Fernfeld - + rot = “+” Schalldruck blau= “-” Schalldruck Grün = Summe Zeit (s) 2b – Mikrofon in Nahfeld / hohe Frequenzen • Der Abstandsunterschied von jedem Monopol zum Mikrofon ist nicht mehr nah bei 1:  Die Schalldrückpegel, die jedem Monopol entsprechen, sind nicht gleich • die Phasenverschiebung ist bei hohen Frequenzen nicht mehr vernachlässigbar Der gesamte Schalldruck ist nicht 0 und hängt vom Abstandsverhältnis und vom Phasenunterschied ab
  55. 55. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind F0 2 F0 3F0... 3F0 2 Dieses Phänomen lässt sich auch als Kammfiltereffekt erklären Dipolquellen in Nah- und Fernfeld Im Gegenteil zum „klassischen“ Kammfilter treten destruktive Interferenzen im tieffrequenten Bereich auf (wegen der Phasenumkehr von einer der Polen) Frequenz(Hz) (log Skala) Verstär- kung (dB) Fernfeld
  56. 56. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Dieses Phänomen lässt sich auch als Kammfiltereffekt erklären Dipolquellen in Nah- und Fernfeld Wenn die Monopolen sehr nah von einander sind findet die zweite Auslöschung im Ultraschallbereich => Das Verhalten kann im Hörbereich als Hochpassfilter 1. Ordnung modelliert werden Frequenz(Hz) (log Skala) Verstär- kung (dB) Hörbereich Flankensteilheit: 6 dB / Oktave Fernfeld
  57. 57. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Dieses Phänomen lässt sich auch als Kammfiltereffekt erklären Dipolquellen in Nah- und Fernfeld Im Nahfeld ist die Auslöschung im tieffrequenten Bereich wegen des Pegelunterschieds nicht vollständig Frequenz(Hz) (log Skala) Verstär- kung (dB) Hörbereich Nahfeld: Quelle “nah”
  58. 58. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Dieses Phänomen lässt sich auch als Kammfiltereffekt erklären Dipolquellen in Nah- und Fernfeld Je näher die Quelle, desto geringer die resultierenden Pegelschwankungen Frequenz(Hz) (log Skala) Verstär- kung (dB) Hörbereich Nahfeld: Quelle “sehr” nah
  59. 59. Grundlagen der Akustik 2 Alexis Baskind Dipolquellen in Nah- und Fernfeld Fazit • Bei Dipolquellen (und eigentlich für alle gerichtete Quellen) werden die hohen Frequenzen weiter weg ausgestrahlt als die tiefen Frequenzen • Nur in der Nähe der Quelle können die tiefen Frequenzen abgenommen und empfunden werden. • Wie schon erwähnt ist dieser Effekt prinzipiell genau symmetrisch zu dem sogenannten Nahbesprechungseffekt für gerichtete Mikrofone (siehe spätere Vorlesung über microphones)  Dies erklärt, warum Kopfhörer und besonders Ohrhörer sehr dünn klingen, wenn sie nicht direkt am Ohr positioniert sind.

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