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Richtiges Aussteuern

Mitgiftjäger brauchen nicht weiter zu lesen. Nein hier geht es nicht um Aussteuer, sondern ums Gegensteuern gegen das Übersteuern von Audio-Aufnahmen von analogen Tonquellen wie einem Tonbandgerät, Kopfhörerausgang oder eben dem Audiomixer einer Soundkarte.

Da muß ich leider erst einmal gaaanz weit mit dem Elektro-Akustik-Hammer ausholen. Meine Darstellung mag etwas flappsig und auch nicht immer wissenschaftlich korrekt sein- ich habe zwar vor 25 Jahren Elektrotechnik studiert und mußte ohne rechte Begeisterung auch einige Semester Nachrichtentechnik ertragen, aber nach mehr als 20 Jahren Informatik ist davon nicht mehr viel hängen geblieben. Aber dies ist ein Wiki und jeder Experte der es besser weiß ist herzlich zum Korrigieren statt Meckern eingeladen.

Watt Volt Ihr da Ohm?

Schall ist ja eigentlich ein mechanisches Phänomen, wo Luftteilchen zum Schwingen angeregt werden, um diese Schwingungen dann irgendwo an einer Membran auszulassen, deren Schwingungen dann etwa eine Spule in einem Magneten bewegen, wodurch in der Spule Elektronen bewegt werden und als Strom in einen Verstärker fließen. Die so verstärkten Ströme oder Spannungen werden dann in einem Aufzeichnungsgerät zu optisch oder mechanisch lesbaren Mustern kodiert und somit für die Nachwelt erhalten.

Zum Abspielen werden diese Muster dekodiert und regen Strom/Spannungs- mäßig verstärkt letztlich wieder eine Membran zum Schwingen an, die dann wieder Luftteilchen befördert, die schließlich als Schall in unser Ohr dringen.

Von Spannungen und Strömen in welcher Größenordnung ist hier die Rede? Das ist eben ganz unterschiedlich. Ein dynamisches Mikrofon mit der besagter Schwingspule bringt selbst beim kräftig-gegen-die-Wand hauen allenfalls ein paar Millivolt bzw. Microampere zustande. Ein Mikrofonverstärker ist dafür ausgelegt und erwartet an seinem Eingang auch nicht mehr.

Ein 1000W Subwoofer mit 8 Ohm Impendanz (Wechselstromwiderstand) muß dagegen schon ca. 90 Volt abbekommen, wobei ein Strom von 11 Ampere fließt, um wirklich so viel Krach zu veranstalten. Was passiert, wenn man so einen Subwoofer-Ausgang zwecks Aufnahme direkt mit dem Mikrofoneingang eines Notebooks verbindet, kann sich wohl auch ein Laie lebhaft vorstellen- naja im günstigen Falle nichts, andernfalls braucht man vielleicht ein neues Notebook, weil das alte streng riecht- vielleicht braucht man sogar noch einen neuen Subwoofer, weil der alte sich das Rauchen nicht mehr abgewöhnen kann.

Das Stichwort, das nun kommen muß ist Pegelanpassung. Spannungen und Ein/Ausgangs- Widerstände (Impendanzen) der verbundenen Anschlüsse müssen zusammen passen. Sonst besteht nicht nur die Gefahr eines „Übersteuerns“, das heißt der Eingang kann alle Spannungen über einer Höchstspannung zumindest signalmäßig nicht mehr unterscheiden (die Wärmeentwicklung hingegen kann schon unterschiedlich ausfallen), weil die Spannung am Verstärkerausgang halt auch eine Obergrenze hat.

Werden der Verstärker 10 Millivolt am Eingang erwartet und 100-fach verstärkt kommt dabei 1 Volt zustande. Wenn der Verstärkerausgang maximal 5 Volt haben kann, weil z.B. die Versorgungsspannung nicht mehr hergibt, kann alles über 50 mV also nicht mehr linear verstärkt werden- der Verstärker wird also übersteuert.

Unser Subwoofer kann aber bereits ohne Eingangssignal schon mit 100 mV Ausgangspegel rauschen und schon dieses Grundgeräusch übersteuert den empfindlichen Mikrofonverstärker. Rauschen entsteht bei einem Verstärker immer allein schon durch thermische Bewegungen von Elektronen in Halbleitern und auch anderen Bauteilen wie Kohleschicht-Widerständen. Außerdem werden noch Störsignale etwa durch Übersprechen von anderen Leitungen oder unsaubere Stromversorgung mitverstärkt. Ein offener Verstärkereingang oder gar einer mit einer unabgeschirmten Leitung am Eingang verstärkt mit Sicherheit auch das allgegenwärtige 50 Hertz- Netzbrummen und Unlinearitäten des Verstärkers können auch Mittelwellensender demodulieren, sodaß man auch ohne Radio in den zweifelhaften Genuss des falschen Radiosenders kommen kann.

Halte Abstand von den Störern

Je hochohmiger der Eingang ist, desto geringere Ströme sind zum Stören nötig, allerdings belastet ein niederohmiger Eingang auch den Ausgang des angeschlossenen Geräts stärker- vielleicht zu stark- weshalb man auch die Impendanzen der verbundenen Anschlüsse beachten muß.

Wir haben es also immer mit einem Störabstand bzw. Fremdspannungsabstand zwischen Signal und solchen Störungen zu tun. Die Größe dieses Störabstands ist neben dem Frequenzgang das wichtigste Qualitätsmerkmal von Verstärkern und anderen Audio-Komponenten.

Um rauszufinden was hier gut ist, betrachtet man sich einfach mal natürliche Schallereignisse und wie unsre Ohren darauf reagieren. Die wahrgenommene Lautstärke ist leider sehr subjektiv, da gibt es zwar eine neue Maßeinheit „Sone“, für unsere Betrachtungen sind aber die in dB(A) gemessenen Schalldruckpegel interessanter. Auffällig ist zuerst einmal deren logarithmischer Charakter.

Ein „Bel“ ist nichts anderes als der dekadische Logarithmus eines Faktors bezogen auf einen bestimmten Schalldruck oder Pegel. 1 Bel ist also ein Faktor von 10, 2 Bel sind schon 100, 3 Bel sind 1000 und 10 Bel entsprechen schon einem Faktor von 10 Milliarden. Da diese Zahlen wegen sicher zu erwartenden Nachkommastellen unhandlich sind, rechnet man mit 1/10 Bel bzw. Dezibel als Maßeinheit.

Bei den dB(A) ist sinnigerweise 0 dB(A) die Hörschwelle, 40 db(A) ein leises Gespräch, 60 dB(A) gehen noch als für einen in Zimmerlautstärke betriebenen Fernseher durch und ab 90 dB(A) ist mit bleibenden Hörschäden zu rechnen, was Diskotheken nicht dran hindert, auch die 100 dB(A) Grenze noch deutlich zu überschreiten.

Wenn man nun die oben genannten Faktoren betrachtet, sieht man das 100 dB bzw. ein Faktor von 10 Milliarden für den Störabstand eine ziemliche technische Herausvorderung darstellen. Dann dürften nämlich bei 100V Signalleistung nur Störspannungen von 10-8 Volt, also 10 Nanovolt zu messen sein. So etwas geht natürlich nicht- selbst bei Studiogeräten sind 70 dB schon ein sehr guter Wert, bei 40-50 dB befindet man sich bereits im Hifi- Mittelfeld.

Bei all diesen Spannungen muß man beachten, daß es sich um Wechselspannungen handelt und hier stets von einem Effektivwert oder quadratischem Mittelwert die Rede ist. Bei Sinusschwingungen ist die Umrechnung von Spannungspitzen zu diesem Effektivwert noch einfach- die Spitzenwerte sind Sqrt(2) mal größer als der Effektivwert oder andersrum: Haben wir Spitzenwerte von 10 Volt, beträgt die effektive Spannung circa 7.07 Volt. Bei einem wilden Frequenzgemisch wie Musik ist weder die effektive noch die reale Spannung oder an einem Anschluß erbrachte Leistung einfach zu bestimmen- jedoch legt man Anschlüsse von Studiogeräten meist für 1 Volt effektiv -Pegel aus und benennt einen Spannungswert von 1 Volt effektiv als Vollaussteuerung von 0 dB. Übersteuerungen von 3-6 dB (3 dB ist immerhin schon die doppelte Spannung) werden kurzfristig toleriert, alles andere gilt als übersteuert und muß neu aufgenommen werden.

Spitzenleistungen der taiwanesischen Industrie

Leider ist für die letzlich am Ausgang eines Geräts gemessene Spannung sogar das angeschlossene Gerät mitverwantwortlich. Man sollte nicht denken, Spannungsspitzen, die höher als die Versorgungsspannung sind, seien nicht möglich. Auch kann kurzzeitig mehr Strom fließen, als das Netzteil hergibt. Das wissen leider auch clevere Marketingleute, welche meist taiwanesische PC-Lautsprecher-Plastik-Brüllwürfel mit 5 Watt Steckernetzteil anbieten, die dann 240 Watt :de:PMPO- (Peak Music Power Output)- Leistung haben sollen.

Leider kann man das denen auch nicht verbieten, denn Kondensatoren und Spulen können sich aufladen, um dann die gespeicherte Energie sehr schnell abgeben zu können. Spulen mit hoher Induktivität können aus läppischen 12V beim plötzlichen Entladen leicht über 10000 Volt machen, wie jede Auto-Zündspule oder der Zeilentrafo eines Fernsehers beweist. Entladeströme von 1000 Ampere wiederum schafft ein dicker Elektrolyt-Kondensator, der kurzgeschlossen wird auch ohne Probleme (allerdings vielleicht nur einmal). Multipliziert man solche Zahlen, kommt man zu so beachtlichen Leistungen, welche mit PMPO-Leistung angegebene Heimkino-Anlagen und PC-Lautsprecher angeblich vollbringen.

Auch wenn man solche Übertreibungen nicht ernsnehmen sollte - man erkennt, daß beim Aufnehmen von Audioquellen solche „überraschenden“ Spannungsspitzen ein ziemliches Problem darstellen und kurzfristiges Übersteuern kaum zu vermeiden ist. Ganz besonders kritisch sind sie aber beim Digitalisieren.

Abgetastet

Bei der Analog-Digital-Wandlung werden ja die Spannungen mit einer Abtastrate von 11025 bis 44100 mal pro Sekunde gemessen und in einen entsprechenden Zahlenwert (Sample) umgewandelt (Pulscode-Modulation / PCM). Diese Zahlen haben einen Wertebereich von 8, 16, 24 oder 32 Bits, was zu folgenden diskreten d.h. unterscheidbaren Werten führt:

Bits diskrete Werte max. Störabstand
8 256 24 dB
16 65536 48 dB
24 16777216 72 dB
32 4294967296 96 dB

Hier habe ich auch gleich die günstigenfalls vorstellbaren Störabstände ausgerechnet, die z.B. zeigen, daß die für CDs verwendete 16-Bit PCM-Codierung zwar mit 48 dB für den Hausgebrauch reicht, aber im Studio mit 24 oder 32 Bit PCM-Samples gearbeitet werden muß.

Erschwerend kommt aber hinzu (deshalb oben das „günstigenfalls“), daß bei sehr kleinen Signalpegeln auch nur sehr wenige diskrete Werte übrig bleiben- nämlich etwa nur 0 und 1- aus einer Sinuskurve wird also eine Rechteck-Impulsfolge. Übersteuert man, ist bei 8 Bit bei 255 „schlagartig“ Schluß, das Signal wird „geclipped“ weil der Wertebereich ausgeschöpft ist.

Dieses clippen bei hohen und die starke Treppchenbildung bei niedrigen Signalen sind das Kernproblem der digitalen Tontechnik. Die entstehenden Ecken und Sprünge führen nämlich zu Oberwellen, was sich als Begriff harmlos anhört- als Geräusch aber nicht.

Der deutsche Begriff „Klirrfaktor“ beschreibt anschaulicher, was hier geschieht, die abrupten Sprünge der digitalen Tontechnik klingen aber nicht so schön wie Jimi Hendrix Gitarrenriffs, die auch Oberwellen und Übersteuerung zu verdanken sind, sondern knirschen eher wie Fingernägel auf einer Schiefertafel. So etwas hört sich garantiert niemand gern und lange an.

Deshalb ist das Thema „Aussteuern“ für digitale Aufnahmen fast noch wichtiger als für die ungünstigenfalls Bräute verbrennenden Mitgiftjäger des indischen Subkontinents.

Ab durch den Mixer

Jeder PC mit Soundkarte (sofern diese nicht noch ein Uralt-Soundblaster ist) hat einen per Software steuerbare Mixer- Hardware. Gerade in der Ausstattung dieses Mischpults unterscheiden sich Soundkarten sehr, insbesondere in Art und Anzahl der verfügbaren Aufnahme- und Wiedergabe-Regler. Das Bild oben zeigt die Wiedergabe-Regler, die PC-Motherboards mit Nvidia-Chipsatz haben, das Bild unten zeigt die Aufnahmeregler des gleichen Soundchips.

Solch ein Mischpult läßt schon manchen Hobbymusiker vor Neid erblassen, ein Nichtmusiker, der mal eben was Aufnehmen will, ist davon oft schon überfordert und kriegt einfach keinen Pieps aufgenommen obwohl er ins Mikro brüllt und es schließlich auf dem Tisch zerschlägt.

Ein Grund dafür ist, daß man ohne den Menüpunkt „Optionen-Eigenschaften“ gar nicht zu den Aufnahmereglern kommt und hier erst mal einen Aufnahmekanal ankreuzen muß. Im Bild oben bedeutet z.B. Stereomix, daß der Mixerausgang wieder mit dem Mixereingang verbunden ist und man so auch von Kanälen wie Wave oder Midi aufnehmen kann, die sonst nur wiedergeben. Das ist beispielsweise für NapCap wichtig, weil der Mediaplayer die Musik über den Wave-Kanal wiedergibt und wir das Aufnehmen wollen.

Leider mixen wir dabei auch den Sound der Eingabekanäle -etwa dem Mikro noch ein zweites, drittes, n-tes Mal immer mehr zeitversetzt dazu, der Fachmann erkennt hier sofort einen prima Echogenerator mit kostenlosem Rückkopplungs-Gepfeife. Will man sich das ersparen, sollte man die „Ton Aus“ Checkbox finden und bei allen Kanälen aktivieren, die man nicht aufnehmen will. Gerade beim Mikro empfieht sich das, weil der empfindliche Mikrofonverstärker meist auch stark rauscht oder das eingebaute Mikrofon eines Notebooks auch noch Umgebungsgeräusche aufnimmt.

Verwirrend ist auf jeden Fall auch noch die Vielzahl der Regler in der Aufnahme-Kette:

  1. Regler im Mediaplayer
  2. Wave-Regler im Mischpult (Wiedergabe)
  3. Summen-Regler im Mischpult (Wiedergabe)
  4. Stereomix-Regler (Aufnahme)

Man kann dabei leider nicht nur mit dem Stereomix-Regler die Aufnahme übersteuern, mit den Wave- und Summen- Regler kann man auch den Mixer übersteuern, obwohl der Aufnahmepegel gut zu sein scheint. Der Stereomix-Regler sollte nicht zu hoch stehen, damit man nicht das ganze Mixerrauschen mit verstärkt. Am besten man stellt alle Regler erst mal auf Mittelstellung und reguliert mit dem Aufnahmepegel nach.

Wenn man keinen Stereomix-Regler hat, muß man leider Kabel ziehen. Im Idealfall verbindet man Line-In mit Line-Out, gibt es kein Line-Out bleibt nur der Kopfhörerausgang, dessen Lautstärke man dann aber eher gemäßigt und ohne Equalizer- und sonstige Effekte betreiben sollte, der ist für Line-In eigentlich auch schon zu hochpegelig. Gibt es auch kein Line-In, dann herzliches Beileid. Natürlich bleibt dann noch der Mikrofoneingang, aber der ist nicht nur zu empfindlich, um ihn direkt mit dem Kopfhörer-Ausgang zu verbinden, er ist auch noch verrauscht und sein Frequenzgang ist nach unten und evtl. auch nach oben beschnitten, um Plopp- und Rumpel-Geräusche zu unterdrücken.

Zur Pegelabsenkung kann man ggf. noch ein Potentionmeter in das Verbindugskabel löten. Dabei ist evtl. sogar ein „logarithmisches“ Potentionmeter von Vorteil, das muß man aber richtig anschließen. In jedem Fall gehört der mittlere Pin, der das Signal abgreift, mit dem Soundkarten-Eingang verbunden. Dann liegt am Soundkartenausgang ein konstanter Widerstand an und es gibt da keinen Kurzschluß, wenn man den Poti zudreht. Im Gegenzug ist der „Kurzschluß“ am Eingang vorteilhaft, weil er mit dem Pegel auch alle Störungen runterregelt und den Eingang niederohmig macht. Wichtig ist auch, daß der eingelötete Poti nicht die Abschirmung unterbricht, er gehört daher in ein Blechgehäuse, das mit den Abschirmungen des Kabels Kontakt hat- sonst brummt es gewaltig (siehe: allgegenwärtiges Netzbrummen).

Was ist schon normal?

Hätten alle Audioquellen immer die gleiche Lautstärke, wäre die Aussteuerung einfach, man könnte sie „ab Werk“ fest einstellen und bräuchte die ganzen Regler nicht. Oder man würde sich die Mixerregler einmal richtig einstellen und so lassen. Hier kommmt aber gerade bei einem Audio Batch Converter wie NapCap ein großes Problem.

Zwar sind wohl alle Musikstücke, die wir konvertieren wollen, bei der ursprünglichen Aufnahme von einem Toningenieur richtig ausgesteuert worden, beim digitalisieren (rippen) wurde aber „geschlampt“ und nun haben wir unterschiedlich „laute“ Musikstücke. Wir müssen also für jedes Stück erst wieder die optimale Aussteuerung finden, also die Aufnahme möglichst noch vor dem neuen Encodieren als MP3 „normalisieren“. Bei einer normalisierten Aufnahme hat die lauteste Stelle den höchstmöglichen Pegel, ist also gerade noch nicht übersteuert. Die Lautstärke vom Rest wird entsprechend angepasst. Problematisch ist diese Lösung nur für Alben, die willkürlich in mehrere Stücke zerhackt wurden, von denen einige eher laut und andere leise sind. Hier muß sichen dann halt all diese Stücke an der lautesten Stelle des lautesten Stücks orientieren.

Um das so regeln zu können, müßte man jedenfalls alle Stücke erst mal abspielen und als WAV-Dateien aufnehmen und alles normalisieren bevor das Album als MP3 encodiert. Eventuell sehe ich so ein Feature für NapCap vor, auf jeden Fall werde ich nicht in einem Durchgang MP3-Dateien aufnehmen sondern:

  1. das Stück als WAV aufnehmen
  2. die WAV Datei normalisieren
  3. die WAV Datei zu MP3 encodieren
  4. die ID3 Metadaten eintragen

Das mag zwar länger dauern, aber den Löwenanteil braucht sowieso das Abspielen, die anderen Durchläufe gehen vergleichsweise schnell. Nachteilig ist nur ein recht hoher Bedarf an temporärem Festplattenplatz, insbesondere wenn man ganze Alben erstmal als WAV speichern will.

Bonus fürs Lesen

So, wer meine weitschweifigen Abhandlungen zum Thema Lärm bisher durchgehalten hat, darf sich zur Belohnung mal wieder mit was praktischem beschäftigem: dem am Kopf dieser Seite dargestellten DirectShow Oszilloskop

start/themen/richtiges_aussteuern.txt · Zuletzt geändert: 2018/09/21 16:45 (Externe Bearbeitung)