DMZ – DIGITAL / TECHNIK ¦ Maya West ¦
Wie lässt sich die Qualität eines Tons messen? Schliesslich hört jeder Mensch unterschiedlich. Die Wahrnehmung wird von verschiedenen Dingen beeinflusst, allen voran die eigene Hörfähigkeit. Verfälscht wird die Wahrnehmung zudem durch Umgebungsgeräusche, schallschluckende Bauteile und anderes mehr. Wie lässt sich der Klang neutral messen und bewerten? Der Beitrag stellt die Geheimnisse des Oszilloskops vor.
Was ist ein Oszilloskop?
Der Begriff Oszilloskop setzt sich aus den lateinischen Begriff oscillare (schaukeln) und dem altgriechischen Wort skopein (betrachten) zusammen. Das Oszilloskop ist ein elektronischer Messapparat, der die elektrische Spannung auf einem Bildschirm darstellt. Der Faktor Zeit spielt eine besondere Rolle, denn so können die sich verändernden Spannungskurven dynamisch dargestellt werden.
Der Bildschirm zeigt dann etwa Schallwellen als sichtbare Wellenlinie an. Waren früher Bildröhren im Einsatz, wird heute praktisch überall LCD-Technik verwendet. Ein Oszilloskop, das jeder kennt, ist etwa das EKG. Mit diesem Gerät werden die Bewegung des schlagenden Herzens auf dem Monitor in Form von fortlaufend dynamischen Kurven sichtbar gemacht. Auf der horizontalen x-Achse läuft die Zeit, die vertikale Y-Achse gibt Auskunft über die gemessenen Spannungen. Das Ergebnis ist die fortlaufende Wellenbewegung, die als Oszillogramm bezeichnet wird.
Wozu ist ein Oszilloskop nötig?
Mit einem Oszilloskop lassen sich charakteristische Schwingungsbilder von Tönen, Klängen und Geräuschen sichtbar machen. Oszilloskope sind allgemein gesprochen in der Lage, Wechselstrom und pulsierenden Gleichstrom in Wellenform darzustellen. In den Bereichen Elektrotechnik und Elektronik sind Oszilloskopen unverzichtbar. Dies gilt insbesondere für Reparaturarbeiten und für die Entwicklungen neuer Apparaturen. Oszilloskope zeigen beispielsweise hochfrequente elektrische Signale von Fernsehgeräten, Computerelektronik und Radios an.
Spezielle Technik für besondere Anforderungen
RS Components GmbH vertreibt unter anderem Test- und Messtechnik und gilt als spezialisierter Fachhändler auf diesem Gebiet. Unter anderem sind online besonders hochwertige Oszilloskope zu finden, die Signal-Frequenzen von mehreren 100 Gigahertz messen und anzeigen können. Der Fachhändler bietet verschiedene Arten von Oszilloskopen an.
Zu den gebräuchlichsten auf dem Markt gehören analoge sowie digitale Oszilloskope und Geräte mit gemischter Signaltechnik (Mixed-Signal-Oszilloskope).
Analoge Oszilloskope - Analoge Oszilloskope sind die ältesten Geräte, die inzwischen fast komplett von digitalen Varianten verdrängt wurden. Sie zeigen die gemessene Frequenz auf dem Display an, indem Elektronenstrahlen auf der Oberfläche einer Kathodenstrahlröhre Muster produzieren.
Digitale Oszilloskope - Diese Geräte arbeiten digital mit Software- und Hardware-Modulen. Im Ergebnis werden elektronische Signale so verarbeitet, dass sie in Bildern angezeigt werden können.
Mixed-Signal-Oszilloskope - Es handelt sich um Geräte, die mit gemischter Technik arbeiten und zwar mit zwei oder vier analogen Kanälen und einer höheren Anzahl digitaler Kanäle.
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Wozu dient die Audiovisualisierung durch das Oszilloskop?
Mithilfe des Oszilloskops lassen sich Spannungen in der Tontechnik ermitteln und Audiodateien visuell darstellen. Ob Musik, gesprochene Sprache oder Geräusche, die dynamische Darstellung von Audiosignalen hilft dabei, eine technische Beurteilbarkeit herzustellen. Dies ist auch eines der Hauptziele im Zusammenhang mit der Audiovisualisierung durch das Oszilloskop.
Neben der rein technischen Zielsetzung, die hinter der Visualisierung von Tönen oder Geräuschen steht, nutzen kreative Menschen Oszilloskope auch dazu, sich künstlerisch auszudrücken. Sie untermalen ihre Musik mittels der visualisierten Töne auf einem Bildschirm und erheben die Technik zur Kunstform. Kurz gesagt, Farben haben Töne und Töne lassen sich mit der Technik auch künstlerisch einsetzen.
Bei einer Panorama-Anzeige werden der linke und der rechte Audiokanal visualisiert. Eine Seite, z. B. die Linke, beeinflusst die horizontale Ausrichtung des Elektronenstrahls, die rechte Seite steuert die vertikale Ausrichtung. Die Seiten können natürlich auch vertauscht werden. Die Panorama-Anzeige bzw. Panorama-Messung kommt regelmässig in Musikstudios zum Einsatz. Auch in der Fernseh- und Radiotechnik ist sie üblich, um die Stereobreite eines Signals zu analysieren und beurteilen zu können.
Pegelmesser (Peakmeter) sind Messgeräte, um Audiosignale entsprechend auszusteuern. Bei Tonaufnahmen sind diese Peakmeter, auch Aussteuerungsmesser genannt, nach wie vor im Einsatz. Auch bei Live-Konzerten und in Tonstudios sind sie im Einsatz. Ein Peakmeter visualisiert die Lautstärke nicht in Wellenform, sondern in Form eines Balkens. Gerät dieser in den roten Bereich, liegt die Lautstärke ausserhalb der festgelegten Werte. Tontechniker können entsprechend regulierend eingreifen. Mithilfe des Gerätes wird es außerdem möglich zu beurteilen, ob Audiosignale beim Empfänger wirklich angekommen sind.
Um zu erklären, wie sich dies in der Praxis darstellt, soll ein Beispiel dienen:
Es wird ein Ton von einer Klaviersaite mit einem Mikrofon aufgenommen. Das Mikrofon wandelt die akustischen Schallwellen der Klaviersaite in elektrische Schwingungen um. Die elektrische Schwingung wird von den Lautsprechern wieder umgewandelt in Schallwellen. Dabei ist es wichtig, dass die umgewandelten Schallwellen mit den eingangs erhaltenen elektrischen Schwingungen akustisch gesehen identisch sind. Ob das der Fall ist, wird mit einem Oszilloskop überprüft. Dieser vergleicht die Wellenformen und macht sichtbar, ob diese übereinander passen.
Sind die Wellenformen gleich, dann sind Frequenzgang, Phasengang und Klirrfaktor identisch. Ausserdem ist dann sichergestellt, dass auch die Tonhöhe korrekt wiedergegeben wird. Lautsprecher müssen praktisch in einer Zeitspanne jeweils die richtige Schallamplitude in korrekter Polarität wiedergeben. Nur dann wird das aufgenommene Original hinsichtlich des Anschlags der Klaviersaite genauso wiedergegeben, wie es klingen muss. Denn nur dann wird der Schalldruckverlauf an unser menschliches Ohr korrekt weitergegeben. Stellt das Oszilloskop Abweichungen fest, was aufgrund der aktuell verfügbaren Lautsprechertechnik häufig der Fall ist, können Massnahmen ergriffen werden, um die Übertragungseigenschaften zu optimieren.
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Phasendreher optisch sichtbar machen
In der Vergangenheit wurden Oszilloskope eingesetzt, um sogenannte Phasendreher sichtbar zu machen. Wenn ein Kanal verdreht ist, also das rechte und das linke Audiosignal genau konträr zueinander schwingen, können sich die beiden Schwingungen gegenseitig aufheben. Im Ergebnis hört man nichts mehr und das, obwohl Signale messbar sind.
Das Problem ist, dass das menschliche Gehör eine solche Phasenverschiebung nicht wahrnimmt. Um herauszufinden, ob eine Phasenverschiebung stattfindet, brauchte es ein technisches Gerät. Früher waren Oszilloskope dafür im Einsatz, die zusätzlich mit dem bereits beschriebenen Peakmeter kombiniert wurden. Die Daten, die der Peakmeter und das Oszilloskop lieferten, wurden zusammengefasst und ausgewertet. Bewegten sich die Balken für die linke und die rechte Seite, doch das Monosignal bleibt praktisch stumm, konnte man von einem Phasendreher ausgehen.
Inzwischen werden hochqualitative Operationsverstärker eingesetzt, die Probleme wie diese fast komplett ausräumen. Werden Audiosignale digital abgemischt, kommen Phasendreher praktisch nicht mehr vor.
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