Bei der Komplexität, die die meisten Schallfelder in alltäglichen Umgebungen durch Reflexionen mit sich bringen, könnte das Ohr schnell mit der Ortung von Schallquellen überfordert sein. Trotzdem ist es möglich, dank dem Präzedenzeffekt Schallquellen auch dann zu orten, wenn viele Reflexionen sich gegenseitig überlagern. Der Präzedenzeffekt beschreibt, dass der Schall aus der Richtung wahrgenommen wird, aus der die erste Wellenfront zuerst auf eines der beiden Ohren trifft. Deshalb wird er auch ‚Gesetz der ersten Wellenfront‘ genannt.[1]
Wenn also in einem komplexen Schallfeld mit vielen Reflexionen Schall auf das Ohr trifft, so kommt der Direktschall zuerst an und bestimmt die Ortung. Die nachfolgend auftreffenden Reflexionen kommen zeitverzögert an, da sie durch den ‚Umweg‘ über andere Oberflächen mehr Strecke zurücklegen und dafür länger brauchen. Sie geben beim verzögerten Auftreffen auf das Trommelfell nur noch Auskunft über die Beschaffenheit des Raums.
Trotzdem nimmt das Ohr die erste Wellenfront und die nachfolgenden ersten Reflexionen als ein Schallereignis wahr, wenn sie etwa unter 30 ms bis 40 ms verzögert auf das Ohr treffen. Diese Zeiten sind jedoch auch pegelabhängig. Ist der Pegel der zweiten Wellenfront z.B. 10 dB niedriger als der des Sekundärschalls, kann ab ca. 50 ms Verzögerung ein Echo identifiziert werden, also zwischen Primär- und Sekundärschall unterschieden werden. Wird der Pegel des Sekundärschalls höher, muss er auch schneller auf den Primärschall folgen, um nicht als Echo wahrgenommen zu werden.[2] Bei einer geringeren Zeitdifferenz als 30 ms kann der Sekundärschall sogar lauter als der Primärschall sein, ohne als Echo wahrgenommen zu werden.[3] Diese von Pegel und Zeit abhängige Grenze der Wahrnehmung des Sekundärschalls als getrenntes Hörereignis nennt sich „Echoschwelle“.[4]
Der Präzedenzeffekt (auch Gesetz der ersten Wellenfront oder Haas-Effekt) beschreibt, wie das Gehör mit zeitversetzten Kopien desselben Schalls umgeht: Treffen zwei gleiche Signale aus unterschiedlichen Richtungen kurz nacheinander ein, ortet man die Quelle dort, wo das zuerst eintreffende Signal herkommt. Das spätere Signal wird nicht als eigenes Ereignis gehört, sondern mit dem ersten verschmolzen. Es trägt zu Lautheit und Klangfarbe bei, aber kaum zur Richtung.
Die Wirkung hängt von der Verzögerung ab:
- 0 bis ca. 1 ms: Summenlokalisation. Es entsteht eine Phantomschallquelle zwischen den beiden Richtungen, die sich mit Laufzeit- und Pegeldifferenz verschiebt (wie bei Stereo).
- ca. 1 ms bis zur Echoschwelle: Das ist der eigentliche Präzedenzeffekt. Die erste Wellenfront bestimmt die Ortung.
- Oberhalb der Echoschwelle: Das spätere Signal wird als getrenntes Echo wahrgenommen. Die Schwelle hängt stark vom Signal ab. Bei Klicks liegt sie bei wenigen ms, bei Sprache bei etwa 30–50 ms und bei langsamer Musik teils darüber.
Haas hat 1951 gezeigt, dass das verzögerte Signal im Bereich von etwa 10–30 ms sogar bis ca. 10 dB lauter sein darf, ohne dass die Ortung zu ihm wandert.
In der Praxis ist das relevant für:
- Delay-Lines in der Beschallung: Man verzögert die Delay-Lautsprecher etwas mehr als die reine Laufzeit, typischerweise um zusätzliche 10–20 ms. So kommt der Schall der Hauptanlage oder der Bühne zuerst an, und die Ortung bleibt vorne.
- Raumakustik: Frühe Reflexionen stören die Ortung nicht, weil der Direktschall zuerst ankommt.
- Mixing: Kurze Delays auf einer Seite (Haas-Trick) machen ein Signal breiter, ohne dass es als Echo hörbar wird. Das kann allerdings bei Mono-Wiedergabe Kammfiltereffekte verursachen.
Das wegweisende Paper von Helmut Haas, das die wissenschaftliche Grundlage für den sogenannten Haas-Effekt (oft synonym mit dem Präzedenz-Effekt oder Gesetz der ersten Wellenfront verwendet) bildet, wurde ursprünglich 1949 als Dissertation verfasst. ]
Die bekanntesten Veröffentlichungen dazu lauten:
1. Die deutsche Originalarbeit (Dissertation)
Titel: Über den Einfluss eines Einfachechos auf die Hörsamkeit von Sprache
Jahr: 1949
Institution: Technische Hochschule Göttingen (heute Georg-August-Universität Göttingen) ,
2]
2. Der wissenschaftliche Zeitschriftenartikel (Deutsch)
Titel: Über den Einfluss eines Einfachechos auf die Hörsamkeit von Sprache
Magazin: Acustica (Band 1)
Jahr: 1951
Inhalt: Hierin beschrieb Haas systematisch, wie das menschliche Gehör Schallreflexionen verarbeitet, die innerhalb von
1 bis ca. 40 Millisekunden nach dem Direktschall eintreffen. Das Gehirn lokalisiert die Schallquelle in Richtung des zuerst eintreffenden Signals (Direktschall), während die spätere Reflexion zur Erhöhung der Gesamtlautstärke und Räumlichkeit beiträgt, ohne als separates Echo wahrgenommen zu werden. ,
2]
3. Die englische Übersetzung (Standardreferenz im Audio-Bereich)
Da die Arbeit für die weltweite Audiotechnik und Raumakustik von enormer Bedeutung war, veröffentlichte die Audio Engineering Society (AES) später eine englische Übersetzung, die bis heute international zitiert wird:
Titel: The Influence of a Single Echo on the Audibility of Speech
Magazin: Journal of the Audio Engineering Society (JAES), Vol. 20, No. 2
Jahr: 1972 (Übersetzung) ]
Der Präzedenzeffekt im Detail
Begriffe und Geschichte
Die Begriffe werden oft gleich verwendet, stammen aber aus verschiedenen Arbeiten:
- Gesetz der ersten Wellenfront: Lothar Cremer, 1948, im Kontext der Raumakustik.
- Precedence Effect: Wallach, Newman und Rosenzweig, 1949. Sie haben systematisch mit Klicks über Kopfhörer und Lautsprecher gearbeitet.
- Haas-Effekt: Helmut Haas, 1951, Dissertation in Göttingen. Genau genommen hat Haas mit Sprache untersucht, ab wann ein verzögertes Signal als störendes Echo wahrgenommen wird. Die Ortung war nicht sein Hauptkriterium. Im Sprachgebrauch der Beschallung steht „Haas-Effekt“ aber meist für das Ganze.
Die drei Zeitbereiche
- [TAB]
- Verzögerung | Wahrnehmung
- 0 bis ca. 1 ms | Summenlokalisation: eine Phantomquelle zwischen den Richtungen
- ca. 1 ms bis Echoschwelle | Präzedenzeffekt: Ortung zur ersten Wellenfront, ein Hörereignis
- über der Echoschwelle | zwei getrennte Hörereignisse (Echo)
Summenlokalisation: Unterhalb von etwa 1 ms verrechnet das Gehör beide Signale zu einer Phantomschallquelle. Bei Stereo über zwei Lautsprecher reichen etwa 1 ms Laufzeitdifferenz oder etwa 15–20 dB Pegeldifferenz, damit die Phantomquelle ganz in einen Lautsprecher wandert. Das ist die Grundlage von Laufzeit- und Intensitätsstereofonie.
Präzedenzeffekt: Ab etwa 1 ms bestimmt das erste Signal die Richtung. Die Forschung (u. a. Litovsky et al., 1999) unterscheidet dabei drei Teilphänomene:
- Fusion: Man hört nur ein Ereignis, nicht zwei.
- Lokalisationsdominanz: Die Richtung kommt vom ersten Signal.
- Gehemmte Richtungsauswertung des späten Signals: Das Gehör kann Richtungsänderungen des späteren Signals deutlich schlechter erkennen, als wenn es allein käme.
Das späte Signal ist trotzdem nicht „weg“. Es verändert Lautheit, Klangfarbe, wahrgenommene Breite und Räumlichkeit.
Echoschwelle: Sie hängt stark vom Signal ab. Bei kurzen Klicks liegt sie bei etwa 2–10 ms, bei Sprache bei etwa 30–50 ms und bei langsamer Musik mit weichen Einsätzen teils bei 80 ms und mehr. Je impulshaltiger das Signal, desto früher hört man das Echo. Auch der Pegel spielt eine Rolle: Ist das verzögerte Signal deutlich lauter, sinkt die Schwelle.
Die Haas-Kurve
Haas hat gezeigt, dass das verzögerte Signal bei Verzögerungen von etwa 10–30 ms bis zu etwa 10 dB lauter sein darf als das erste, bevor es als gleich laut bzw. störend empfunden wird. Unter 10 ms und über 30 ms fällt diese Toleranz ab. In der Praxis wird daraus meist die Regel abgeleitet, dass die Ortung bis etwa +10 dB beim ersten Signal bleibt. Das ist vereinfacht, taugt aber als Faustregel. Auf der sicheren Seite ist man, wenn das späte Signal nicht mehr als etwa 6 dB lauter ist.
Wichtige Bedingungen
Transienten sind nötig. Der Effekt wirkt über die Einschwingvorgänge, also Signalanfänge. Bei stationären Sinustönen funktioniert er kaum. Dann entstehen Interferenzen, und die Ortung wird unklar. Breitbandige, impulshaltige Signale wie Sprache, Schlagzeug oder Anschläge zeigen den Effekt am deutlichsten.
Aufbau und Zusammenbruch. Wiederholt man ein Lead-Lag-Paar mehrfach (z. B. Klickfolgen), steigt die Echoschwelle. Das Gehör „gewöhnt“ sich an die Reflexionssituation. Ändert sich die Situation plötzlich, z. B. wenn Lead und Lag die Rollen tauschen, bricht der Effekt kurz zusammen und man hört das Echo wieder (Clifton-Effekt). Das spricht dafür, dass nicht nur einfache Hemmung im Hirnstamm beteiligt ist, sondern auch höhere Verarbeitung, die mit Erwartungen über den Raum arbeitet.
Physiologie. Ganz geklärt ist die Grundlage nicht. Nachgewiesen sind Hemmungsmechanismen im Hirnstamm (u. a. im Colliculus inferior), die Neuronen nach einem ersten Reiz für einige Millisekunden weniger empfindlich machen. Dazu kommen die genannten kortikalen Anteile.
Biologischer Sinn. In jedem Raum kommen nach dem Direktschall viele Reflexionen aus anderen Richtungen. Ohne den Präzedenzeffekt wäre Ortung in geschlossenen Räumen kaum möglich.
Anwendungen
Delay-Lines: Grundverzögerung = Abstand zur Hauptanlage bzw. Bühne / 343 m/s. Bei 34 m sind das etwa 100 ms. Dazu kommen typischerweise 10–15 ms, damit die Hauptanlage sicher zuerst ankommt. Den Pegel des Delay-Lautsprechers am Hörplatz hält man im Rahmen der Haas-Toleranz. So klingt es nah und verständlich, aber die Ortung bleibt vorne.
Ortungsstützen und Frontfills: Kleine Lautsprecher an der Bühnenkante oder direkt bei der Quelle, die zeitlich vor der Hauptanlage ankommen. Das Delta-Stereofonie-System (Steinke, u. a. in Theatern eingesetzt) nutzt genau das: Die Hauptanlage wird so verzögert, dass der Direktschall oder eine Ortungsstütze zuerst beim Publikum ist.
Links-rechts-PA: Der Präzedenzeffekt ist der Grund, warum echtes Stereo in großen Sälen nur in einem schmalen Bereich funktioniert. Wer nahe am linken Stack sitzt, bekommt dessen Signal einige ms früher und hört fast alles von links. Deshalb mischt man live oft weitgehend mono oder nutzt Stereo nur für Effekte und Breite.
Raumakustik: Frühe Reflexionen innerhalb von etwa 50 ms (Sprache) bzw. 80 ms (Musik) stören die Ortung nicht und erhöhen Lautheit und Verständlichkeit. Das spiegelt sich in Maßen wie D50 und C80 wider. Einzelne starke, späte Reflexionen, etwa von einer Rückwand, können dagegen über die Echoschwelle kommen und als Echo stören.
Aufnahme: Stützmikrofone werden auf das Hauptmikrofon zeitlich ausgerichtet bzw. leicht dahinter gelegt. Sonst kommt das Stützsignal früher an und zieht die Ortung zu sich, obwohl es leiser ist.
Mixing: Beim Haas-Trick liegt ein Signal auf einer Seite um etwa 5–30 ms verzögert. Es klingt breit, bleibt aber auf der früheren Seite geortet. Nachteil: Bei Mono-Summierung entsteht ein Kammfilter. Die erste Auslöschung liegt bei f = 1/(2τ), bei 10 ms also bei 50 Hz, danach alle 100 Hz eine weitere.
Frequenzabhängigkeit
1. Zeitauflösung des Gehörs ist frequenzabhängig
Der Präzedenzeffekt braucht zwei getrennte Einsätze, also ein erstes und ein spätes Signal, die das Gehör zeitlich unterscheiden kann. Das hängt von der Bandbreite der Hörfilter ab. Schmale Filter schwingen länger nach:
- bei ca. 100 Hz (ERB ca. 35 Hz): Nachschwingen im Bereich von 10–30 ms
- bei ca. 4 kHz (ERB ca. 450 Hz): nur wenige ms
Bei tiefen Frequenzen fällt ein 5 ms späteres Signal also noch in das Nachschwingen des ersten. Es gibt keinen getrennten zweiten Einsatz, die Signale überlagern sich einfach. Dazu kommt, dass tiefe Töne ohnehin langsame Einschwingvorgänge haben. Der Präzedenzeffekt im engeren Sinn wirkt deshalb vor allem im mittleren und hohen Frequenzbereich. Im Bass ist die Ortung in Räumen sowieso schwach.
2. Unterschiedliche Ortungsmerkmale
- Unter ca. 1,5 kHz: Ortung über Laufzeitunterschiede der Feinstruktur (ITD).
- Darüber: Pegelunterschiede (ILD) und Laufzeitunterschiede der Hüllkurve.
Bei breitbandigen Signalen dominiert für die Richtung meist der Bereich um etwa 500–1500 Hz (u. a. Wightman & Kistler, 1992). Dieser Bereich trägt entsprechend auch viel zur Lokalisationsdominanz beim Präzedenzeffekt bei. Der Effekt funktioniert aber auch mit reinen Hochpass-Signalen, dann über die Hüllkurve.
3. Spektrale Überlappung von erstem und spätem Signal
Die Unterdrückung des späten Signals ist am stärksten, wenn beide Signale ähnliche Spektren haben. Unterscheiden sie sich stark, wird der Effekt schwächer und das späte Signal eher als eigenes Ereignis oder aus eigener Richtung gehört (u. a. Divenyi, 1992). Die Studienlage zu den Details ist nicht ganz einheitlich, die Grundaussage aber gut belegt.
Praktische Folgen
Delay-Lines: Über große Entfernung verliert die Hauptanlage durch Luftdämpfung Höhen. Der Delay-Lautsprecher liefert am Hörplatz dagegen das volle Spektrum. Das späte Signal hat dann mehr Höhen als das erste, genau dort, wo die Zeitauflösung gut ist. Folge: Die Ortung kann trotz korrekter Verzögerung zum Delay wandern. Gegenmaßnahmen sind moderater Pegel, etwas mehr Zusatzverzögerung oder eine leichte Höhenabsenkung am Delay. Tiefe Frequenzen spielt man über Delays oft gar nicht ab, weil sie von der Hauptanlage ausreichend ankommen und hier ohnehin nur Überlagerung stattfindet.
Subwoofer: Tiefer Bass ist kaum ortbar, der Übernahmebereich und Oberwellen aber schon. Manche legen die Subs deshalb zeitlich minimal hinter die Tops, damit deren Einsätze die Ortung bestimmen. Das muss man gegen die Phasenlage im Übernahmebereich abwägen.
Klangfärbung: Bei kurzen Verzögerungen (unter ca. 10–20 ms) entsteht ein Kammfilter. Die Schwelle, ab der man diese Färbung hört, liegt deutlich unter der Echoschwelle. Man kann also richtig orten und trotzdem eine hörbare Verfärbung haben, die im Bass als Pegelschwankung und in den Höhen als hohler oder phasiger Klang auffällt.
Literatur zum Weiterlesen
- Blauert: Räumliches Hören – das Standardwerk, sehr ausführlich zu Summenlokalisation und Präzedenzeffekt.
- Litovsky, Colburn, Yost, Guzman (1999): The precedence effect, JASA – guter Überblick über die Forschung.
- Haas (1951): Über den Einfluss eines Einfachechos auf die Hörsamkeit von Sprache, Acustica.
Literatur
- ^vgl. Thomas Görne, Tontechnik: Hören, Schallwandler, Impulsantwort und Faltung, digitale Signale, Mehrkanaltechnik, tontechnische Praxis, 4., aktualis. Aufl (Hanser, 2015), 128
- ^vgl. Stefan Weinzierl, Hrsg., Handbuch der Audiotechnik (Springer Berlin Heidelberg, 2008), 104, https://doi.org/10.1007/978-3-540-34301-1
- ^vgl. Stefan Weinzierl, Hrsg., Handbuch der Audiotechnik (Springer Berlin Heidelberg, 2008), 105, https://doi.org/10.1007/978-3-540-34301-1
- ^Stefan Weinzierl, Hrsg., Handbuch der Audiotechnik (Springer Berlin Heidelberg, 2008), 103, https://doi.org/10.1007/978-3-540-34301-1
