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Technische Grundsatzdiskussionen Vor- und Nachteile technischer Konzepte

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Alt 02.06.2012, 21:03   #1
paschulke2
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Standard Empfindlichkeit und Rauschen des Gehörs und von Mikrofonen

Weil ich das Thema eigentlich ganz spannend finde, bin ich der Meinung, dass es in -> diesem Thread nichts zu suchen hat.

Ich werde also ein paar Beiträge von mir aus -> diesem Thread hier wiederholen. Danach wird ein neuer Beitrag kommen, in dem ich den Rauschpegel des menschlichen Ohrs abschätzen werde. Ein Rauschspektrum des von von mir als Beispiel angeführten Mikrofons Brüel & Kjæer 4179 werde ich auch zeigen.

Bitte beachten:

Ich schließe den Benutzer kammerklang aus diesem Thread aus!

Das mache ich nicht, weil ich seine falschen Ansichten nicht teile, sondern wegen dieser Aussage:

Zitat:
Zitat von kammerklang Beitrag anzeigen
Auch Physikern mit angeblichem Einserdiplom, wie paschulke in seinem „supertollen“ vierzehnneunundfuffzig Beitrag...
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Alt 02.06.2012, 21:17   #2
paschulke2
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Ich habe folgende WAV-Datei erzeugt, mit der man sich selbst anhören kann, wie gut sich ein Ton hören lässt, dessen Pegel unter dem Pegel des Rauschens liegt:

http://www.imagenetz.de/f1f8dce12/Ra...d_Ton.wav.html

In dieser Datei (WAV, 44.1kHz, 16bit, mono)

gibt es zu hören

– weißes Rauschen mit einem Pegel von –46dB
– einen pulsierenden 2kHz-Ton (1s ein, 1s aus, 1s ein, …) mit einem Pegel von –66dB

Der Pegel des 2kHz-Tons liegt also 20dB unter dem Pegel des Rauschens.

Dennoch ist der Ton hörbar. Damit kann jede(r) für sich selbst nachvollziehen, dass Töne hörbar sind, deren Pegel deutlich unter dem Rauschen liegt.

Ich bedanke mich herzlich beim Benutzer schneekind dafür, dass er diese Datei bei sich auf einem Server zur Verfügung stellt. Ich kann die Datei gern auch per Email versenden (PN an mich).

Warum habe ich so niedrige Pegel gewählt?

1.) Man soll sich das Beispiel leise anhören, denn es geht ja schließlich um die Hörbarkeit von leisen Tönen.

2.) Weißes Rauschen ist wegen seiner gleichmäßigen Leistungsverteilung nicht ganz ungefährlich für die Hochtöner, wenn es laut wiedergegeben wird. Wenn z.B. der Hochtöner bei 2kHz getrennt wird, dann bekommt er vom weißen Rauschen in diesem Beispiel (Bandbreite 22kHz) 20kHz/22kHz=91% der abgegebenen Leistung ab.

Geändert von paschulke2 (02.06.2012 um 22:42 Uhr).
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Alt 02.06.2012, 21:28   #3
paschulke2
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Vorab: Dieser Beitrag hatte ursprünglich einen Fehler unter Punkt 5.). Siehe -> Original-Beitrag, in dem die Korrekturen hervorgehoben sind. Ich war zuerst bei meinen Berechnungen fäschlicherweise angenommen, dass die Rauschspannung bei weißem Rauschen gleichverteilt (über die Frequenz) ist, was natürlich Quatsch ist … Ich habe jetzt auch Punkt 3.) korrigiert und "Pegel" durch "Leistung" ersetzt.

1.) Die Pegel in meinem Hörbeispiel


Die Unterstellung, ich habe die Zahlen absichtlich so gewählt um mit tiefen Zahlen zu beeindrucken, ist haltlos.

Ich habe das Rauschen "leise" (–46dBFS) gemacht, weil man sich das Ganze auch leise anhören soll. Nochmal die Pegel, immer bezogen auf die digitale Vollaussteuerung (FS = Full Scale)

weißes Rauschen: –46dBFS
2kHz-Ton: –66dBFS

Das einzig entscheidende ist hier, dass der Pegel des Tons 20dB unter dem Pegel des Rauschens liegt.

2. Hörschwelle

Beim Test der Hörschwelle mit Sinustönen wird getestet, ob der Proband einen Ton hören kann oder nicht. Es wird nicht getestet, ob noch andere Geräusche zu hören sind, es wird nicht getestet, ob der Ton "sauber" ist oder nicht, sondern einfach nur: Ton hörbar oder nicht. Es wird der Normalfall sein, dass der Proband noch andere Geräusche hört, und sei es nur das Rauschen der eigenen Blutzirkulation.

Mein Hörbeispiel ist dafür ein besonders drastisches Beispiel: Ein Ton kann detektiert werden, obwohl sein Pegel 20dB unter dem des Rauschens liegt. Wer nach diesem Beispiel immer noch meint, Rauschen definiere pauschal die untere Grenze für die Aufzeichnung/Wiedergabe/Wahrnehmung von Tönen, dem ist nicht zu helfen.

3. Rauschen

Rauschen ist ein breitbandiges Phänomen. Weißes Rauschen hat bei allen Frequenzen bei konstanter absoluter Bandbreite die gleiche Leistung, rosa Rauschen hat bei allen Frequenzen bei konstanter relativer Bandbreite (z.B. Terzen) die gleiche Leistung, …

Ohne Angabe eines Frequenzbereichs bzw. einer Bandbreite ist die Angabe eines Rauschpegels sinnlos!

In der Tontechnik sind üblich:

unbewertet: 20Hz … 20kHz (manchmal auch höher)
A-bewertet: 20Hz … 20kHz mit einem Bewertungsfilter (A), das die Empfindlichkeit des Ohrs bei leisen Tönen nachstellt.

4. Rauschen eines Mikrofons

Wenn Brüel & Kjær von einem Mikrofon (plus Vorverstärker) schreibt, es habe ein Eigenrauschen von –2.5dB(A) SPL, dann haben sie folgendes gemacht:

– Mikrofon in eine absolut ruhige Kammer bringen
– Ausgangsspannung des Mikrofons verstärken
– Ausgangsspannung des Mikrofons durch ein A-Bewertungsfilter schicken
– Effektivspannung messen

Danach kennt man die eff. Rauschspannung, die sich zusammensetzt aus

– evtl. Eigenrauschen der Luft
– Eigenrauschen des Mikrofons
– Eigenrauschen des Mikrofonvorverstärkers

Aus der Empfindlichkeit des Mikrofons (Ausgangsspannung/Schalldruck) wird jetzt der scheinbare effektive Schalldruck eines akustischen Rauschens berechnet, das dem gemessenen Rauschen entsprechen würde. Dieser Wert wird dann als "SPL" (Sound Pressure Level) angegeben, also als dB-Wert bezogen auf einen Referenzschalldruck von 20µPa. Dieser Referenzschalldruck ist ungefähr(!) der Schalldruck des leisesten 1kHz-Tons, den das Ohr hören kann. Das ist natürlich kein Zufall.

Dem aufmerksamen Leser ist vielleicht aufgefallen, dass die Fähigkeit des Mikrofons, leise Töne auzunehmen, hier überhaupt nicht getestet wird(!), weil in völliger Stille (so gut es eben geht) gearbeitet wird.

5. Hörbarkeit des Tons in meinem Hörbeispiel


Der gepulste 2kHz-Ton ist hörbar, obwohl sein Pegel deutlich (20dB = Faktor 10) unter dem Rauschpegel liegt. Inzwischen sollte aber klar sein, dass dieser pauschale Vergleich nicht sinnvoll ist.


Das Rauschen in meinem Beispiel ist weißes Rauschen bis zur halben Abtastfrequenz, also bis ca. 22kHz. Die Verteilung
der Rauschleistung im Frequenzbereich ist gleichmäßig (deshalb "weiß"). Das Ohr hört aber nicht das gesamte Rauschen bis ca. 20kHz "auf einmal", sondern in Frequenzbändern.

Der Effekt hat mit der Funktion der Basilarmembran im Ohr zu tun, die für eine spektrale Zerlegung des Signals sorgt. Diese Zerlegung erfolgt in sogenannten "kritischen Bändern", deren Lage und Bandbreite mit der "Bark-Skala" beschrieben werden. Lesenswerter Wiki-Artikel dazu:


http://de.wikipedia.org/wiki/Bark-Skala


Das kritische Band bei 2kHz (13 Bark) hat eine Bandbreite von ca. 300Hz. Das weiße Rauschen (gleicher Pegel bei gleicher Bandbreite bei jeder Frequenz) in meinem Testsignal geht bis fs/2 und hat folglich eine Bandbreite von ca. 22kHz. In das relevante kritische Band für den 2kHz-Ton fallen also nur das 300/22000=0.0136-fache
der Gesamtleistung des Rauschens; das entspricht –18.7dB. Im relevanten kritischen Band ist der Pegel des weißen Rauschens also nur etwas höher als der Pegel des Tons, der Abstand Ton/Rauschen beträgt –1.3dB. Deshalb bleibt der Ton hörbar. Vielleicht geht sogar noch ein etwas tieferer Pegel, aber die 20dB "unter dem Rauschen" sind eine bekannte "Hausnummer".

Der Überraschungseffekt war natürlich durchaus gewollt, weil solche praktischen Vorführungen mehr beeindrucken können und besser im Gedächtnis haften bleiben, als irgendwelche Zahlen auf Papier. Es ist übrigens auch ganz nett, sich die Wellenform mal anzusehen – da sieht man nix vom 2kHz Sinus.


Die relevante Bandreite um zu beurteilen, ob für das Ohr das Rauschen den Ton "überdecken" kann, ist also die kritische Bandbreite bei 2kHz.


Breitbandig: Tonpegel
20dB unter dem Rauschpegel (Ton –66db, Rauschen –46dB)
Im kritischen Band (13Bark) bei 2kHz: Tonpegel
1.3dB unter dem Rauschpegel (Ton –66db, Rauschen –64.7dB)

Deshalb ist der 2kHz-Ton in meinem Beispiel gut hörbar.


Damit sollte endgültig klar sein, dass der Vergleich von breitbandigem Rauschen mit der Hörschwelle unsinnig ist.


6. Hörbarkeit des Mikrofonrauschens (breitbandig, "pauschal")


a) Wiedergabe lauter als das Original-Schallereignis

Es ist trivial, dass ich jedes aufgezeichnete Signal eines Mikrofons so laut wiedergeben kann, dass es hörbar rauscht. Dieser Fall ist für den Vergleich Ohr/Mikrofon also völlig uninteressant.

b) Wiedergabe mit der Lautstärke des Original-Schallereignisses

Hier kann sinnvollerweise fragen, ob das Rauschen hörbar wird. Dazu ist es aber nicht statthaft, die schmalbandige höchste Empfindlichkeit des Ohrs bei ca. 3…4kHz (16 oder 17Bark) mit dem breitbandigen (A-bewerteten) Rauschen des Mikrofons zu vergleichen.

Wenn man einen
pauschalen Vergleich machen will, dann vergleicht man den A-bewerteten Rausch-SPL mit 0dB(A) SPL. Ein Mikrofon mit einem Eigenrauschen über 0dB(A) SPL wird also hörbar rauschen, eines mit weniger als 0dB(A) wird nicht hörbar rauschen. Wie gesagt, das ist ein pauschaler Vergleich zweier Zahlen, also genau das, was kammerklang die ganze Zeit macht.

Die meisten Mikrofone liegen mit ihrem Eigenrauschen (deutlich) über 0dB(A) SPL und rauschen demnach für unser Gehör. Es gibt aber Mikrofone, die unter 0dB(A) SPL liegen, z.B. von Brüel & Kjær der
->Typ 4179 mit –2.5db (A) SPL (das schließt das Rauschen des Vorverstärkers Typ 2660 mit ein!).

7. Hörbarkeit des Mikrofonrauschens in einzelnen Frequenzbändern


Wenn man das Rauschen nicht
pauschal mit der Hörschwelle vergleichen will, dann muss man das Rauschen in die kritischen Bänder des Gehörs unterteilen und für jedes Band das Rauschen mit der Hörschwelle vergleichen. Ab ca. 4kHz sind die kritischen Bandbreiten ungefähr Terzbandbreiten. Die kritische Bandbreite des Gehörs bei der empfindlichsten Frequenz (also der Bereich, auf dem kammerklang die ganze Zeit herumreitet) ist also eine Terz. Den Rauschpegel des Typs 4179 bei 1kHz und 1 Terz (1/3 Oktave) Bandbreite gibt Brüel & Kjær ->hier mit -16dB SPL an. Das ist zwar bei 1kHz und nicht bei 4kHz (man bräuchte das Rauschspektrum in Terzbändern), aber man kann mit einiger Sicherheit davon ausgehen, dass dieses Mikrofon auch im empfindlichsten Bereich des Gehörs nicht hörbar rauscht.

Geändert von paschulke2 (02.06.2012 um 22:43 Uhr).
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Alt 02.06.2012, 21:41   #4
paschulke2
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Im -> Datenblatt des Brüel & Kjær Mikrofons ist auch ein Terz-Spektrum des Mikrofonrauschens abgebildet:




Die entscheidende Kurve ist hier die Kurve "Complete System". Bei 4kHz beträgt der äquivalente Rauschpegel von Mikrofon mit Vorverstärker –14dB SPL; das liegt unter der Hörschwelle des menschlichen Gehörs, das bei dieser Frequenz die gleiche kritische Bandbreite (ca. 400Hz) hat.

Davon, wie es bei anderen Frequenzen (z.B. 100Hz) für das Ohr ausssieht (nämlich schlecht), möge sich der geschätzte Leser selbst ein Bild machen.

Geändert von paschulke2 (02.06.2012 um 23:03 Uhr).
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Alt 02.06.2012, 22:25   #5
paschulke2
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Im verlinkten Brüel & Kjæer Datenblatt des Typs 4179 gibt es einen kleinen Abschnitt zum Rauschen, dem man unter anderem entnehmen kann, dass man alle (frequenzabhängigen) realen akustischen Impedanzen des Schallempfängers kennen muß, um das Eigenrauschen des Schallempfängers bestimmen zu können. Das Diagramm im vorigen Beitrag zeigt den Rauschbeitrag der drei relevanten akustischen Impedanzen (R1, R2, Ra) dieses Mikrofons.

Machen wir also mal eine

Abschätzung des Rauschpegels im Ohr bei der empfindlichsten Frequenz:

f = 4kHz
delta_f = 400Hz (kritische Bandbreite)

Für das Rauschen nehmen wir gleichverteiltes Johnson-Rauschen (thermisches Rauschen) an:

p^2 = 4kT R delta_f

p^2 = mittlerer Schalldruck des Rauschens zum Quadrat
k = Boltzmann-Konstante = 1.38 E-23 J/K
T = absolute Temperatur in Kelvin (25°C = 298.16K)
delta_f = Bandbreite, hier: 400Hz (kritische Bandbreite des Ohrs bei 4kHz)

Diese Formel heißt übrigens "Nyquist-Formel" – der Mann hat die Audiophilen echt auf dem Kieker gehabt … ;)

So weit, so gut. Was uns ganz offensichtlich fehlt, ist die akustische Impedanz R (genauer der Realteil davon). Hier ist ganz ausdrücklich die akustische Impedanz gemeint, nicht die spezifische akustische Impedanz (siehe z.B. -> hier, S. 6–9)

Für unser stark vereinfachtes Modell wollen wir das Ohr durch eine luftgefüllte Röhre ersetzen, wobei der Querschnitt der Röhre der -> akustisch aktiven Fläche des Trommelfells entsprechen soll (55mm^2).

Als spezifische akustische Impedanz der Luft nehmen wir an

Z = 410Ns/m^3 (-> Wikiartikel Schallkennimpedanz)

Also gilt:

R = 410Ns/m^3 / 55mm^2 = 7.45E6Ns/m^5

Jetzt können wir den mittleren Rauschschalldruck p berechnen:

p = Wurzel (4kT R delta_f) = Wurzel (4 * 1.38E-23J/K * 298K * 7.45E6Ns/m^5 * 400Hz) = 7µPa

Als SPL:

Rauschpegel = 20 log (7µPa / 20µPa) = –9.1dB SPL

Siehe da, es kommt etwas weniger als die Hörschwelle bei 4kHz raus. Ich gebe zu, dass ich nicht gedacht hätte, dass man mit so einer einfachen Betrachtung so weit kommt.

Zusammenfassung:

1.) Es gibt mindestens ein Mikrofon, dass empfindlicher ist und weniger rauscht als das menschliche Ohr bei seiner empfindlichsten Frequenz.

2.) Einfach aus der mittleren Energie von Gasteilchen ein thermisches Rauschen der Luft zu berechnen – so einfach ist es dann doch nicht. Man braucht die Impedanz der Luft und (näherungsweise) die Fläche des Sensors. Das wiederum ist eine triviale Erkenntnis, die sich in der Technik darin niederschlägt, dass empfindliche Mikrofone große Membranen haben. Wenn man es richtig machen will, muss man alle (realen, frequenzabhängigen) akustischen Impedanzen des Schallempfängers kennen.

3.) Mit einem einfachen Modell kann man das "Eigenrauschen" des Ohrs gut abschätzen.

Damit ist diese kleine Reihe erstmal abgeschlossen.

Geändert von paschulke2 (02.06.2012 um 23:39 Uhr). Grund: An der Formatierung der Formeln rumgefrickelt …
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Alt 03.06.2012, 00:40   #6
seufert
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Zitat:
Zitat von paschulke2 Beitrag anzeigen
Zusammenfassung:

1.) Es gibt mindestens ein Mikrofon, dass empfindlicher ist und weniger rauscht als das menschliche Ohr bei seiner empfindlichsten Frequenz.
Naja, hoffentlich akzeptiert das jetzt der ein oder andere (ich bezweifle es..). Mich regt das Thema so auf, weil es die klassische esoterische Legendenbildung ist: "Ist alles nicht messbar und erklaerbar, da muss man sich nur auf die Empfindungen verlassen".
Zitat:
Zitat von paschulke2 Beitrag anzeigen
2.) Einfach aus der mittleren Energie von Gasteilchen ein thermisches Rauschen der Luft zu berechnen – so einfach ist es dann doch nicht. Man braucht die Impedanz der Luft und (näherungsweise) die Fläche des Sensors. Das wiederum ist eine triviale Erkenntnis, die sich in der Technik darin niederschlägt, dass empfindliche Mikrofone große Membranen haben. Wenn man es richtig machen will, muss man alle (realen, frequenzabhängigen) akustischen Impedanzen des Schallempfängers kennen.
Wie immer schoen hergeleitet, mit Quellen versehen und vor allem erklaert
Zitat:
Zitat von paschulke2 Beitrag anzeigen
3.) Mit einem einfachen Modell kann man das "Eigenrauschen" des Ohrs gut abschätzen.
Zumindest die Untergrenze, da ja nur eine "Rauschquelle" betrachtet wurde. Real duerften ja noch einige Rauschquellen hinzukommen (min. die Blutzirkulation). Sind Dir Abschaetzungen ueber deren Groessenordnungen bekannt?
Zitat:
Zitat von paschulke2 Beitrag anzeigen
Damit ist diese kleine Reihe erstmal abgeschlossen.
Lg und einen erholsamen Sonntag
Christoph
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Alt 03.06.2012, 09:20   #7
paschulke2
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Zitat:
Zitat von seufert Beitrag anzeigen
Mich regt das Thema so auf, weil es die klassische esoterische Legendenbildung ist: "Ist alles nicht messbar und erklaerbar, da muss man sich nur auf die Empfindungen verlassen".
Genau das ist der Punkt. Hier wurde mit teilweise haarsträubenden Aussagen versucht, dem Ohr und der Audiotechnik etwas anzudichten, was so einfach nicht stimmt. Motivation ist natürlich, etwas zu finden, wo das Ohr der Technik auf jeden Fall überlegen ist, um damit im nächsten Schritt die Technik als prinzipbedingt mangelhaft darzustellen.

@David: Das ist der interessante Aspekt an dieser Diskussion, nicht, ob und was man bei 0dB SPL hört.

Das Los der Naturwissenschaften ist, dass das so gut funktioniert, denn das Geschwurbel liest sich natürlich beeindruckender und gefälliger als die Zahlen und Formeln.

Davon abgesehen ist das Ohr im Bereich 500Hz–5kHz auch aus technischer Sicht beeindruckend empfindlich und rauscharm. Es taugt nur nicht als "Argument" gegen Audiotechnik …
Zitat:
Zitat von seufert Beitrag anzeigen
Zumindest die Untergrenze, da ja nur eine "Rauschquelle" betrachtet wurde. Real duerften ja noch einige Rauschquellen hinzukommen (min. die Blutzirkulation). Sind Dir Abschaetzungen ueber deren Groessenordnungen bekannt?
Vorsicht! Das war schon eine Abschätzung und sollte deshalb nicht als fixe Untergrenze verstanden werden. Ich wollte vor allem den prinzipiellen Weg zu einem akustischen Rauschpegel aufzeigen, der eben an akustischen Impedanzen nicht vorbei führt.

In Wirklichkeit wird es viel mehr akustische Impedanzen im Ohr geben, die einen Beitrag zum Eigenrauschen leisten:

– Trommelfell
– Hammer, Amboss, Steigbügel
– Innenohr

Dem Ganzen ist ein "Trichter" (das Außenohr) zur akustischen Impedanzanpassung vorgeschaltet.

Insgesamt ist dieses Gebilde dann für meinen Kenntnisstand zu komplex. Ich würde mich allerdings sehr wundern, wenn es keine Arbeiten über diese Impedanzen gäbe.

Gruß

Thomas

Geändert von paschulke2 (03.06.2012 um 11:04 Uhr).
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Alt 03.06.2012, 09:59   #8
paschulke2
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1. Schalldruck vs. Leistung

An anderer Stelle hier im Forum ist zu lesen, ich habe Rauschleistung(en) mit Schalldruckpegeln verglichen. Diese Aussage ist falsch.

In den vorherigen Beiträgen und in den Daten (bzw. dem Diagramm) von Brüel & Kjær zum Mikrofon Typ 4179 ist immer von Schalldruck (SPL = Sound Pressure Level) die Rede. Die genannten Pegel für das Hörbeispiel sind ebenfalls Spannungs- oder Schalldruckpegel, keine Leistungen.

2. Mithörschwelle bei weißem Rauschen

An anderer Stelle hier im Forum ist zu lesen, die Mithörschwelle für Rauschen betrage nicht 20dB sondern sogar 40dB.

Die Mithörschwellen für weißes Rauschen sind seit über 60 Jahren bekannt. Siehe z.B.

-> hier, Abschnitt 7.1.1,

wo in einem Diagramm (Abb. 7-3) der Rauschpegel als Parameter die dazu gehörende Hörschwelle gezeigt sind. Beispiel:

Bei 1kHz wird mit Rauschen, dass einen SPL von 40dB hat, die Hörschwelle auf 20dB angehoben, es kann also gerade noch ein 1kHz-Ton gehört werden, dessen Schalldruck (SPL) 20dB unter dem Schalldruck (SPL) des Rauschens liegt. Bei höheren Frequenzen ist der Abstand etwas größer, zu tiefen Frequenzen hin verschwindet der Effekt nahezu vollständig.

Einen Ton zu hören, der 40dB unter weißem Rauschen liegt, ist unmöglich, auch für Goldohren.

3. Das Ohr als Empfänger von Schallleistung

Natürlich ist es so, dass das Ohr/Gehör Schalldruck auswertet. Daraus zu schließen, das Ohr nehme keine Schallleistung auf, ist allerdings falsch. Im Zusammenhang mit der Diskussion um die Empfindlichkeit des Ohrs ist das sogar grotesk falsch, denn im empfindlichen Bereich ist das Ohr mit zwei Mechanismen sogar darauf optimiert, Schallleistung aufzunehmen (um mit dieser Leistung die Haare der Haarzellen zu bewegen):

– Impedanzanpassung durch Außenohr (umgekehrtes Horn)
– Impedanzanpassung durch das Mittelohr (Hammer/Amboss/Steigbügel)

Weiterhin kann das Ohr immerhin so "gut" Schallleistung aufnehmen, dass mit hohen Schalldrücken nicht umkehrbare Schäden am Gehör (Haarzellen) verursacht werden können.

Geändert von paschulke2 (03.06.2012 um 11:05 Uhr).
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Alt 03.06.2012, 14:29   #9
seufert
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Zitat:
Zitat von paschulke2 Beitrag anzeigen
Vorsicht! Das war schon eine Abschätzung und sollte deshalb nicht als fixe Untergrenze verstanden werden.
Das ist schon klar, es bezog auf deinen Satz darueber. Schliesslich ist es ein extrem vereinfachtes Modell. Generell wuerde es mich aber wundern, wenn es noch keine brauchbaren Computermodelle gaebe. Mein Punkt war ja nur: Es sti nur eine Untergrenze bzgl. eines von vielen Einflussfaktoren.
Zitat:
Zitat von paschulke2 Beitrag anzeigen
Ich wollte vor allem den prinzipiellen Weg zu einem akustischen Rauschpegel aufzeigen, der eben an akustischen Impedanzen nicht vorbei führt.
Das ist angekommen :)

Lg
Chrstoph
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Alt 14.06.2012, 23:52   #10
ebs
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Zitat:
Zitat von paschulke2 Beitrag anzeigen
3. Das Ohr als Empfänger von Schallleistung
Natürlich ist es so, dass das Ohr/Gehör Schalldruck auswertet. Daraus zu schließen, das Ohr nehme keine Schallleistung auf, ist allerdings falsch. Im Zusammenhang mit der Diskussion um die Empfindlichkeit des Ohrs ist das sogar grotesk falsch, denn im empfindlichen Bereich ist das Ohr mit zwei Mechanismen sogar darauf optimiert, Schallleistung aufzunehmen (um mit dieser Leistung die Haare der Haarzellen zu bewegen):
– Impedanzanpassung durch Außenohr (umgekehrtes Horn)
– Impedanzanpassung durch das Mittelohr (Hammer/Amboss/Steigbügel)
Weiterhin kann das Ohr immerhin so "gut" Schallleistung aufnehmen, dass mit hohen Schalldrücken nicht umkehrbare Schäden am Gehör (Haarzellen) verursacht werden können.
Interessant ist eine Google-Suche zum hier angesprochenen Thema "Das Ohr als Empfänger von Schallleistung":
http://www.google.com/search?q=Das+O...stung&filter=0
oder "Ohr und Schallleistung":
http://www.google.com/search?q=Ohr+S...stung&filter=0
Die obige Behauptung wird hier nicht unterstützt.
Wir Ohrenmenschen, wozu die überwiegende Anzahl dieses Forums gehört wissen, dass unsere Trommelfelle hauptsächlich von der Wirkung des Schallwechseldrucks bewegt werden; siehe: Schalldruck und Schallleistung - Wirkung und Ursache:
http://www.sengpielaudio.com/Schalld...llleistung.pdf

Viele Amateure lassen sich bei Lautsprechern auf das "Leistungsdenken" ein, dabei wissen wir, dass Mikrofone und Trommelfelle als Schallsensoren keine "Leistungsempfänger" sind und Lautsprecherschwingspulen schlicht durch höhere "Audio-Spannungen" aus dem Endverstärker härter rangenommen werden und mit Lautstärke reagieren. Auch die immer wieder bemühte Leistungsanpassung zwischen Verstärker und Lautsprecher ist ein Märchen, denn wir haben dort immer Spannungsanpassung. Die Spannung des Verstärkers soll unvermindert (also ohne Dämpfung) voll an die Schwingspule gelangen.

Interessant ist auch folgendes Thema:
"Schalldruckpegel (SPL) und zulässige Einwirkungszeit bei Lärm"
http://www.sengpielaudio.com/Zulaess...rkungszeit.htm
Siehe da, die hörbaren Schäden liegen an der Länge der Einwirkungszeit und der Höhe der Schalldruckpegels. Somit nimmt das Ohr wohl eben nicht so gut die "Schallleistung" auf, wodurch Schäden am Gehör (Haarzellen) verursacht werden.

Schallenergiegrößen, wie etwa die Schallleistung werden uns Hörenden gerne von Akustikern und Schallschützern (Lärmbekämpfern) aufgedrängt, auch wenn wir diese eher nicht brauchen.

Viele Grüße ebs
ebs ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 15.06.2012, 08:13   #11
paschulke2
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Zitat:
Zitat von ebs Beitrag anzeigen
Interessant ist eine Google-Suche zum hier angesprochenen Thema "Das Ohr als Empfänger von Schallleistung":
http://www.google.com/search?q=Das+O...stung&filter=0
oder "Ohr und Schallleistung":
http://www.google.com/search?q=Ohr+S...stung&filter=0
Die obige Behauptung wird hier nicht unterstützt.
Deshalb hatte ich ja auch dieses geschrieben:
Zitat:
Zitat von paschulke2 Beitrag anzeigen
Natürlich ist es so, dass das Ohr/Gehör Schalldruck auswertet. Daraus zu schließen, das Ohr nehme keine Schallleistung auf, ist allerdings falsch.
Zitat:
Zitat von ebs Beitrag anzeigen
Viele Amateure lassen sich bei Lautsprechern auf das "Leistungsdenken" ein, dabei wissen wir, dass Mikrofone und Trommelfelle als Schallsensoren keine "Leistungsempfänger" sind und Lautsprecherschwingspulen schlicht durch höhere "Audio-Spannungen" aus dem Endverstärker härter rangenommen werden und mit Lautstärke reagieren. Auch die immer wieder bemühte Leistungsanpassung zwischen Verstärker und Lautsprecher ist ein Märchen, denn wir haben dort immer Spannungsanpassung. Die Spannung des Verstärkers soll unvermindert (also ohne Dämpfung) voll an die Schwingspule gelangen.
Es geht doch nicht darum, welche Größe das Ohr auswertet (Druck, Schnelle, Leistung), sondern darum, ob das Ohr Schallleistung aufnimmt und zur Wahrnehmung verwendet (hier: Härchen in der Cochlea bewegen). Verletzt Deiner Ansicht nach das Ohr den Energieerhaltungssatz?

Was die Anpassung zwischen Verstärker und Lautsprecher mit dem Thema zu tun haben soll, ist mir unklar. Anpassung zur optimalen Übertragung von Leistung braucht man bei der Leistungsübertragung mit Wellen (HF im Koax-Kabel, Schall in Luft, …). Der passende Lautsprechervergleich wäre also die Anpassung der akustischen Impedanz eines Lautsprechers an die Umgebung mit einem Horn. Sinn des Unterfangens ist es, den Wirkungsgrad (den echten, also akustische Leistung geteilt durch elektrische Leistung, nicht den Kennschalldruck, der häufig umgangssprachlich verwendet wird) zu verbessern.

Zitat:
Zitat von ebs Beitrag anzeigen
Interessant ist auch folgendes Thema:
"Schalldruckpegel (SPL) und zulässige Einwirkungszeit bei Lärm"
http://www.sengpielaudio.com/Zulaess...rkungszeit.htm
Siehe da, die hörbaren Schäden liegen an der Länge der Einwirkungszeit und der Höhe der Schalldruckpegels. Somit nimmt das Ohr wohl eben nicht so gut die "Schallleistung" auf, wodurch Schäden am Gehör (Haarzellen) verursacht werden.
Ja, das ist wirklich sehr interessant, vielen Dank. Schönes Eigentor ;)

Da steht also, dass sich oberhalb von 85dB SPL mit jeder Zunahme des SPL um 3dB die Dauer der Schalleinwirkung halbiert, mit der der gleiche Hörschaden verursacht wird.

Bei einer Zunahme des Schalldruckpegels (SPL) um 3dB nimmt selbiger um den Faktor Wurzel zwei (ca. 1,4) zu. Die Schallleistung nimmt um den Faktor 2 zu. Auf Deiner Seite steht also (korrekterweise), dass oberhalb von 85dB SPL das Produkt aus Schallleistung und Einwirkungsdauer für den gleichen Hörschaden konstant ist. Dieses Produkt ist übrigens die Schallenergie (Energie = Leistung x Zeit). Das ist auch der Konsens im Moment, nämlich, dass für hohe SPLs (> 85dB SPL) die aufgenomme Schallenergie maßgeblich für den verursachten Hörschaden ist.

Gruß

Thomas
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Alt 16.06.2012, 08:50   #12
paschulke2
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Zitat:
Zitat von ebs Beitrag anzeigen
Täglich habe ich auf Emails einzugehen, in denen mir nicht nur Anfänger etwa die Frage stellen, welche Schallgrößen denn die "Lautstärke" bestimmen und warum man denn die dB-Werte einer Schalldruckpegel-Tabelle nicht aus einer Tabelle der Schalleistungspegel ablesen kann oder wie man die Werte ineinander umrechnen könne und wie denn der Schallleistungspegel mit der Entfernung von der Schallquelle abnimmt?
Nochmal: Nirgendwo habe ich behauptet, dass die Schallleistung die wahrgenommene Lautstärke bestimmt. Das ist eine blödsinnige und unfaire Unterstellung.

Es ging erstens um die sehr hohe Empfindlichkeit des Gehörs bei mittleren Frequenzen, die eine direkte Folge der Tatsache ist, dass das Gehör in diesem Frequenzbereich sehr effizient ist.

Zweitens ging es darum, dass die vom Ohr aufgenommene Schallenergie maßgeblich für die Verursachung von Hörschäden ist.

Wie man auf seine eigene Website Zahlen stellen kann, die genau das zeigen, um dann im nächsten Schritt wieder die Fakten zu leugnen, ist mir allerdings unklar.

Zitat:
Zitat von ebs Beitrag anzeigen
Ich bin mir mit Mikrofonentwicklern einig, dass ein Mikrofon den einfallenden Schallwechseldruck als mechanische Bewegung der Mikrofonmembran in Audiospannung umwandelt.
Ach. Gilt das auch für Bändchenmikrofone? Nein, gilt es nicht. Ein Bändchenmikrofon ist eher ein Schallschnellewandler, vor allem dann, wenn das Bändchen sehr leicht ist. Weil die Abneigung gegen alles, was nicht Schalldruck ist, in der Tontechnikerszene allerdings so groß ist (wie hier von Eberhard Sengpiel eindrucksvoll vorgeführt), wird dort lieber von einem "Druckgradientenempfänger" gesprochen.

Zitat:
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Hier gibt es keine Betrachtung der Schallenergie oder Schallleistung!
Interessant. Lass Dir doch mal von diesen Mikrofonentwicklern erklären, wie man das Rauschen (das war mal das Thema dieses Threads, nur so zur Erinnerung …) eines Mikrofons berechnen kann, ohne mit der Rauschleistung zu rechnen.

Tauchspulenmikrofone liefern übrigens ein Signal (eine Spannung U an einem Widerstand R, also eine Leistung P=U^2/R) ohne zusätzliche Energiequelle (Batterie oder Netzteil). Wo diese Leistung wohl herkommt? Die Schallleistung kann es ja auf gar keinen Fall sein. Vakuumfluktuationen? Potentialwirbel? Tesla'sche Raumenergie? Freie Energie?

Die Tontechnik ist wirklich voll von Wundern …

Geändert von paschulke2 (16.06.2012 um 09:02 Uhr).
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Alt 16.06.2012, 17:24   #13
KSTR
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Zitat:
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Ein Bändchenmikrofon ist eher ein Schallschnellewandler, vor allem dann, wenn das Bändchen sehr leicht ist.
Keineswegs.
http://www.sengpielaudio.com/Schalls...ckgradient.pdf

Mit der messerscharfen Präzision und Erfahrung des Herrn Sengpiel ist nicht zu spaßen, da zieht man schnell/oft den kürzeren ;)
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Alt 16.06.2012, 18:45   #14
paschulke2
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Mit der messerscharfen Präzision und Erfahrung des Herrn Sengpiel ist nicht zu spaßen, da zieht man schnell/oft den kürzeren ;)
Zitat aus dem verlinkten PDF von Johannes Kammann:

"Alle Mikrofone, die eine Membran enthalten (also praktisch alle verwendeten Mikrofone), reagieren auf die Druckdifferenz zwischen der Vorder- und der Rückseite der Membran. Je nachdem, ob nur die Vorderseite oder auch die Rückseite an das Schallfeld angekoppelt sind, werden die Mikrofone als Druck- oder Druckgradientenempfänger bezeichnet. Reine Druckmikrofone weisen eine Kugelcharakteristik auf, reine Gradientenempfänger eine Achtercharakteristik.

Richtmikrofone reagieren also auf Druckdifferenzen, nicht aber auf die Schallschnelle. Auch das Bändchenmikrofon nicht, obwohl es häufig als Schnellemikrofon bezeichnet wird. Das Bändchen galt früher als so leicht, dass man irrtümlich glaubte, es würde der Luftteilchenbewegung unmittelbar folgen. Das ist aber, wie ein rechnerischer Vergleich der Geschwindigkeiten zeigt, nicht der Fall."


Diesen rechnerischen Vergleich der Geschwindigkeiten würde ich gerne mal sehen, so richtig mit Zahlen und so. Oder z.B. einen Phasenvergleich zwischen einem Kondensatormikrofon und einem Bändchen in einem ebenen Schallfeld. So gibt dieses PDF zur Frage, ob ein Bändchenmikro ein Schnelle-Empfänger ist, wenig her, außer natürlich der Behauptung, es sei keiner.

Unstrittig dürfte wohl sein, dass die Ausgangspannung eines Bändchens proportional zur Schnelle des Bändchens ist (Induktionsgesetz: U = v x B x l, U=Spannung, v=Schnelle oder Geschwindigkeit, B = magn. Flussdichte, l = Länge des Bändchens). Für einen linearen Frequenzgang sollte die Schnelle des Bändchens also auf jeden Fall proportional zur Schallschnelle sein (im ebenen Schallfeld sind Schalldruck und Schallschnelle zueinander proportional; siehe Bild unten rechts im verlinkten PDF von Johannes Kammann). Wie sähe der Frequenzgang eines Bändchenmikrofons aus, wenn die Ausgangsspannung proportional zum Druckgradienten wäre (siehe Bild unten links im verlinkten PDF)?

Und weil eigenes Denken sowieso weniger zählt als die Bezugnahme auf Autoritäten, zitiere ich jetzt auch mal ein bisschen, nämlich aus -> diesem Skript:

Zu den Autoren, falls daran jemand herummäkeln möchte:

"Dr.-Ing. Gerhart Boré studierte in München und Aachen Elektrotechnik und war von 1956 bis 1982 bei der Georg Neumann GmbH als Mikrophonentwickler tätig.

Dipl.-Ing. Stephan Peus studierte an der TU Berlin Elektrotechnik und Akustik und ist seit 1971 bei der Georg Neumann GmbH in der Mikrophonentwicklung tätig, die er seit vielen Jahren leitet."


Zum Druckgradienten-Empfänger (Seite 11 f.)

"3.2 Druckgradienten-Empfänger
[…]
Da jeder im Schallfeld hervorgerufene Druckunterschied sofort eine entsprechende Schallschnelle in der Richtung dieses Druckunterschiedes zur Folge hat, ist die von Druckgradienten-Mikrophonen abgegebene Spannung immer auch der Schallschnelle proportional. Im Ausland werden diese Mikrophone daher auch als Schnelle-Empfänger (Velocity Microphones) bezeichnet. Vorzugsweise sollte diese Bezeichnung aber Mikrophonen vorbehalten bleiben, deren Membran schallweich ist (d.h. eine kleine akustische Impedanz besitzt) und somit weitgehend die Bewegung der Luftteilchen mitmacht."


Zum Bändchenmikrofon (Seite 28):

"Beim Bändchenmikrophon wirkt das Schallfeld unmittelbar auf den Leiter, ein wenige μm starkes, zwischen den Polen eines Dauermagneten schwingungsfähig aufgehängtes Aluminiumbändchen, das zum Beispiel 2 ... 4 mm breit und einige Zentimeter lang sein kann. Die sehr kleine Bändchenimpedanz wird durch einen Spezialübertrager, der in das Mikrophon eingebaut ist, auf übliche Werte wie 200 Ohm hinauftransformiert.

Werden beide Seiten des Bändchens dem Schallfeld ausgesetzt, so ergibt sich Achtercharakteristik, und das Mikrophon darf wegen der großen Nachgiebigkeit des Bändchens als „Schnelle-Empfänger“ bezeichnet werden. Die erforderliche Tiefabstimmung bereitet im allgemeinen keine Schwierigkeit, hat jedoch zur Folge, daß diese Mikrophone gegen schnelles Bewegen sowie gegen Erschütterungen und Wind empfindlicher als andere Mikrophone sind, und zwar um so mehr, je weiter sich der Übertragungsbereich zu tiefen Frequenzen hin erstreckt."


Ansonsten bin ich natürlich saublöd, diesen Nebenschauplatz aufgemacht zu haben, weil auf diese Weise natürlich wunderbar von den eigentlichen Fragen (Nehmen Mikrofone oder nimmt das Ohr Schallenergie auf? Besteht ein Zusammenhang zwischen Hörschaden und aufgenommener Schallenergie?) abgelenkt werden kann.

Geändert von paschulke2 (16.06.2012 um 18:55 Uhr).
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Alt 16.06.2012, 20:05   #15
ebs
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Zitat von paschulke2 Beitrag anzeigen
Ach. Gilt das auch für Bändchenmikrofone? Nein, gilt es nicht. Ein Bändchenmikrofon ist eher ein Schallschnellewandler, vor allem dann, wenn das Bändchen sehr leicht ist. Weil die Abneigung gegen alles, was nicht Schalldruck ist, in der Tontechnikerszene allerdings so groß ist (wie hier von Eberhard Sengpiel eindrucksvoll vorgeführt), wird dort lieber von einem "Druckgradientenempfänger" gesprochen.
Der Mikrofonentwickler Manfred Hibbing teilt in einer E-Mail mit: Mikrofone reagieren auf Druckdifferenzen, nicht aber auf die Schallschnelle. Auch das Bändchenmikrofon nicht, obwohl es häufig als Schnellmikrofon bezeichnet wird. Das Bändchen galt früher (in den 1930er Jahren) als so leicht, dass man irrtümlich glaubte, es würde der Luftteilchenbewegung unmittelbar folgen. Das ist aber, wie ein rechnerischer Vergleich der Geschwindigkeiten zeigt, nicht der Fall. Auch die Bändchenmembran wird wie bei jedem anderen Membranmikrofon durch die Kraft angetrieben, die sich als Produkt aus der Druckdifferenz zwischen beiden Membranseiten und der Membranfläche ergibt; siehe:

"Schallschnelle, Druckgradient und Mikrofone":
http://www.sengpielaudio.com/SchallschnelleDruckgradientMikrofone-HibbingMails.pdf
Das Märchen von der Schnelle des leichten Bändchens ist schon recht alt und nicht auszurotten.

Zitat:
Zitat von paschulke2 Beitrag anzeigen
Interessant. Lass Dir doch mal von diesen Mikrofonentwicklern erklären, wie man das Rauschen (das war mal das Thema dieses Threads, nur so zur Erinnerung …) eines Mikrofons berechnen kann, ohne mit der Rauschleistung zu rechnen.
Es gibt kein Problem mit der Rauschspannung beim Thermischen Rauschen der Mikrofone. In der Tontechnik interessiert eher die Rauschspannung als Störquelle bei Verstärkern und bei Mikrofonen; siehe:

"Rauschspannung - Thermisches Rauschen oder Wärmerauschen":
http://www.sengpielaudio.com/Rechner-rauschen.htm
Wer die Rauschleistung zur Berechnung braucht, der soll sie doch einfach anwenden. P ~ U². Wo liegt das Problem? Meine Mikrofone und Audioverstärker sind in der Praxis der Tonaufnahmetechnik mit der Spannung zufrieden - übrigens meine Lautsprecher auch.

Zitat:
Zitat von paschulke2 Beitrag anzeigen
Tauchspulenmikrofone liefern übrigens ein Signal (eine Spannung U an einem Widerstand R, also eine Leistung (P = U² / R) ohne zusätzliche Energiequelle (Batterie oder Netzteil). Wo diese Leistung wohl herkommt? Die Schallleistung kann es ja auf gar keinen Fall sein. Vakuumfluktuationen? Potentialwirbel? Tesla'sche Raumenergie? Freie Energie? Die Tontechnik ist wirklich voll von Wundern …
Wie schön, dass es noch nachvollziehbare "Wunder" gibt. Ein Tauchspulmikrofon ist ein dynamisches Mikrofon, das wie alle Mikrofone den Schall in eine Audiospannung wandelt. Das funktioniert dort genau umgekehrt wie beim Lautsprecher; siehe:

"Elektrodynamische Schallwandler: Dynamisches Mikrofone, Tauchspul-Mikrofon":
http://www.sengpielaudio.com/ElektrodynamischeSchallwandler.pdf

Viele Grüße ebs

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