Laufzeit- und Pegelstereofonie

Die Laufzeit- und Pegelstereofonie sind die beiden grundlegenden Verfahren zur Erzeugung von räumlichen Hörerlebnissen in Zweikanal-Audiosystemen. Sie nutzen die natürlichen binauralen Lokalisationshinweise des menschlichen Gehörs.

1. Laufzeitstereofonie (AB-Stereofonie)

1.1. Grundprinzip

Zeitdifferenzen zwischen linkem und rechtem Kanal simulieren die interauralen Zeitdifferenzen (ITD) bei natürlichem Hören.

1.2. Mikrofonanordnung

AB-Setup:

• Omnidirektionale Mikrofone im Abstand von 0,2 - 1,5 m
• Typische Abstände: 20 cm (ORTF-ähnlich) bis 150 cm (Wide AB)
• Ausrichtung: Meist parallel nach vorn gerichtet

1.3. Laufzeitberechnung

Für eine Schallquelle im Winkel $\varphi$ zur Mittelachse:

$\Delta t = \frac{a \cdot \sin(\varphi)}{c}$

wobei:

• $a$ = Mikrofonabstand
• $c$ = Schallgeschwindigkeit (340 m/s)
• $\varphi$ = Einfallswinkel

Beispiel:

• Mikrofonabstand: 1 m
• Seitlicher Einfall (90°): $\Delta t = 2,9$ ms

1.4. Phantomschallquellen-Positionierung

Lokalisationsfunktion: $PSP(\%) = f(\Delta t)$

Typische Werte:

• $\Delta t = 0$ ms → Zentrale Position (0%)
• $\Delta t = 0,4$ ms → Ca. 25% seitlich
• $\Delta t = 1,2$ ms → Vollständige Seitenlokalisierung (100%)

1.5. Charakteristika

Vorteile:

• Natürliche räumliche Abbildung
• Gute Tiefenstaffelung
• Weite, luftige Stereobasis
• Kompatibel mit monauraler Wiedergabe

Nachteile:

• Unschärfere Lokalisierung einzelner Quellen
• Längere Aufbauzeit für Positionierung
• Raumabhängigkeit der Aufnahme

2. Pegelstereofonie (XY-Stereofonie)

2.1. Grundprinzip

Pegeldifferenzen zwischen den Kanälen simulieren die interauralen Pegeldifferenzen (ILD) durch koinzidente Richtmikrofone.

2.2. Mikrofonanordnung

XY-Setup:

• Richtmikrofone (meist Niere) am gleichen Ort
• Achsenwinkel: Typisch 90° - 135°
• Kapselmittelpunkte: Maximal wenige cm Abstand

2.3. Pegeldifferenz-Berechnung

Für Nierencharakteristik bei Winkel $\theta$ zur Mikrofonachse:

$\Gamma(\theta) = 0,5 \cdot (1 + \cos(\theta))$

Richtungsmaß: $G(\theta) = 20 \log(\Gamma(\theta))$

2.4. Lokalisationskurven

Phantomposition in Abhängigkeit der Pegeldifferenz:

2.5. Charakteristika

Vorteile:

• Präzise Lokalisierung einzelner Quellen
• Kompakte Aufstellung
• Gute Monokompatibilität
• Definierte Aufnahmebasis

Nachteile:

• Weniger natürliche Räumlichkeit
• Geringere Tiefenstaffelung
• "Flacheres" Klangbild

3. Kombinierte Verfahren

3.1. ORTF-Stereofonie

Parameter:

• Achsenwinkel: 110°
• Mikrofonabstand: 17 cm (entspricht Ohrabstand)
• Kompromiss: Laufzeit- und Pegelstereofonie

Eigenschaften:

• Aufnahmewinkel: Ca. 160°
• Ausgewogene räumliche Abbildung
• Standard in Rundfunk und Klassik-Aufnahmen

3.2. NOS-Stereofonie

Parameter:

• Achsenwinkel: 90°
• Mikrofonabstand: 30 cm
• Niederländische Rundfunk-Entwicklung

3.3. DIN-Stereofonie (EBS)

Parameter:

• Achsenwinkel: 90°
• Mikrofonabstand: 20 cm
• Deutsche Norm für Orchesterbeschallungen

4. Technische Umsetzung

4.1. Panning-Verfahren

Amplituden-Panning: $L = \cos(\alpha) \cdot S$ $R = \sin(\alpha) \cdot S$

wobei $\alpha$ der gewünschte Panningwinkel ist.

4.2. Zeit-basiertes Panning

Haas-Panning:

• Verzögerung: 0-30 ms auf dem schwächeren Kanal
• Precedence Effect: Lokalisation folgt früherem Signal
• Anwendung: Besonders bei Sprache wirksam

4.3. Stereo-Aufnahmewinkel

Definition: Winkelbereich, der die volle Stereobasis ausnutzt

Berechnung für XY: $\alpha_{aufnahme} = 2 \cdot \arcsin\left(\frac{\sin(\beta/2)}{\cos(\theta_0)}\right)$

wobei:

• $\beta$ = Achsenwinkel der Mikrofone
• $\theta_0$ = Grenzwinkel für -6 dB Richtungsmaß

4.4. Kompatibilität

Monokompatibilität:

• Laufzeitstereofonie: Sehr gut (reine Addition)
• Pegelstereofonie: Gut bei koinzidenter Anordnung
• Kritisch: Bei großen Laufzeitdifferenzen (Kammfilter)

5. Anwendungsbereiche

5.1. Klassische Musik

Bevorzugt: AB- oder ORTF-Verfahren Grund: Natürliche Raumwiedergabe und Tiefenstaffelung

5.2. Popular Music

Bevorzugt: XY-Verfahren oder Multi-Mikrofonierung Grund: Präzise Quellenortung und Mix-Kontrolle

5.3. Rundfunk

Standard: ORTF als Kompromiss Grund: Gute Monokompatibilität bei akzeptabler Räumlichkeit

5.4. Live-Beschallung

Anwendung: Zeit-basiertes Panning für Sprachverständlichkeit Grund: Nutzung des Precedence Effects

6. Psychoakustische Aspekte

6.1. Summenlokalisation

Phänomen: Lokalisierung liegt zwischen den physikalischen Quellenpositionen Anwendung: Grundlage für Phantom-Schallquellen im Stereodreieck

6.2. Gesetz der ersten Wellenfront

Bedeutung: Das zeitlich erste Signal bestimmt primär die Lokalisation Konsequenz: Laufzeitunterschiede wirken bereits ab ~1 ms

6.3. Kritische Laufzeiten

• < 1 ms: Reine Klangfärbung (Kammfiltereffekte)
• 1-5 ms: Lokalisationsverschiebung
• 5-40 ms: Haas-Effekt (Precedence)
• > 40 ms: Echo-Wahrnehmung

Die Laufzeit- und Pegelstereofonie bilden das theoretische Fundament für alle stereofonen Aufnahme- und Wiedergabeverfahren und sind essentiell für das Verständnis räumlicher Audioproduktion.