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Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Grundlagen der Tontechnik, Literatur- und Linktips

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Hannes_F
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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon Hannes_F » 29.11.2015, 12:10

alex hat geschrieben:
Hannes_F hat geschrieben:Haben Eure Raumspuren den identischen Dynamikumfang wie Eure Stütz-Spuren oder gibt es Unterschiede? Ich selber bin fast nur im Studio tätig und kann das da nicht so gut überprüfen.


Das erste Beispiel was mir einfällt, wäre Konzertflügel. Der kann in Stützmikrofonen je nach Aufstellort einen extrem starken Anschlagsimpuls zeigen, der bei größeren, halligen Räumen über die Haupt- oder Raummikrofone im Pegel kaum noch auffällt. Er "trägt nicht gut im Raum", wie manche dazu sagen.


Danke Alex. Es würde mich sehr interessieren, ob sich dieser Effekt durch (weitere) konkrete Beispiele nachweisen lässt, und wenn ja, wie er theoretisch erklärbar und quantifizierbar ist.

Ich mache auch gleich noch ein weiteres Fass auf: Nahe Aufnahmen weisen oft ein hohes Maß an Handhabungsgeräuschen auf (Fingerklopfen etc.), auch bei Verwendung von Druckempfängern. Diese Handhabungsgeräusche sind im Raum normalerweise komplett unhörbar. Sie lassen sich aus einem nah aufgenommenen Signal allerdings pragmatisch durch durch einen Bass-Rolloff entfernen. Nun frage ich mich, was die Physik dahinter ist. Konkret: Wir wissen, dass die Absorption durch die Luft abhängig vom Feuchteanteil vor allem die hohen Frequenzen dämpft, aber die Bassfrequenzen sollten davon unbeeinträchtigt sein. Wohin verschwinden die Bassfrequenzen mit zunehmendem Abstand in einem Saal, und hat dieser Effekt eventuell nichtlineare Anteile?

Eine erste Erklärung, die mir dazu eingefallen ist, wäre: Die meisten Instrumente haben, durch die Bauform und auch durch die Haltung vor dem Körper, eine bevorzugte Schallausbreitung nach vorne (ins Publikum). Bei tieferen Frequenzen kommt aber die Schallbeugung zum Tragen, so dass ein erheblicher Anteil der Energie nach hinten umverteilt wird und somit nach vorne hin fehlt. Ob diese Erklärung aber korrekt ist und ausreicht, um dieses Phänomen zu erklären, weiss ich noch nicht.

Also, zwei Fragen treiben mich gerade um: 1. Gibt es mit zunehmender Entfernung vom Instrument eine durch Messung nachweisbare und physikalisch erklärbare Kompression, und 2. existiert eine ebenso nachweisbare und erklärbare Verminderung der Bassfrequenzen?

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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon tillebolle » 29.11.2015, 13:27

Hannes_F hat geschrieben:Ich mache auch gleich noch ein weiteres Fass auf: Nahe Aufnahmen weisen oft ein hohes Maß an Handhabungsgeräuschen auf (Fingerklopfen etc.), auch bei Verwendung von Druckempfängern. Diese Handhabungsgeräusche sind im Raum normalerweise komplett unhörbar. ... und hat dieser Effekt eventuell nichtlineare Anteile?

Ich denke, der Grund ist ein ganz profaner: Jeder Raum hat ein gewisses Grundrauschen, in Konzertsälen oder Kirchen oft bis zu 30dB. Ein nah aufgenommenes Signal mit 40dB, z.B. das Räuspern eines Sängers, ist dort noch hörbar, geht aber weiter hinten komplett unter.

Gruß
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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon Tonzauber » 29.11.2015, 16:50

was auch nicht unberücksichtigt bleiben darf ist dass leise Signale in Entfernung durch den Nachhall lauterer Signale maskiert werden können
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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon alex » 29.11.2015, 20:55

Hannes_F hat geschrieben:Ob diese Erklärung aber korrekt ist und ausreicht, um dieses Phänomen zu erklären, weiss ich noch nicht.


Man könnte mit der Erklärung auch ebensogut umgekehrt ansetzen: dass tieffrequente, auch außerhalb der Hauptabstrahlrichtung des Instruments ausgesendete Schallanteile von um so mehr umliegenden Begrenzungsflächen reflektiert werden und darum der Raum auf sie stärker reagiert.

Ein klassisches Beispiel hierfür wären Trompeten und besonders Posaunen mit ihrem zu den Obertönen hin extremen Bündelungsgrad (für die Posaune rund 15 dB bei 3 kHz laut Meyer-Bibel). Solche Instrumente klingen in großen, halligen Räumen eher grundtönig, was einerseits durch Dissipation und zu höheren Frequenzen in abnehmende Nachhallzeiten verursacht ist, andererseits möglicherweise auch durch den enger werdenden Richtkegel und die daraus folgende geringere Begrenzungsfläche für die ersten Reflexionen.

Mir scheint die Zusammenhänge sind doch zahlreicher, vielfältiger und komplexer, als dass sie in eine simple, leicht fassliche Theorie passen können. Möglicherweise spielen hier auch die abgestrahlte Schallenergie oder der Unterschied zwischen impulshaften und quasistationären Signalen eine Rolle?

Grüße, Peter
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Hannes_F
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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon Hannes_F » 29.11.2015, 23:15

Danke Euch allen für's Mitdenken - bin wirklich froh, dies hier diskutieren zu können, denn in anderen Umgebungen ist kaum jemand am Verstehen interessiert, da wird einfach angewendet und fertig.

Auf der Suche nach eindeutigen Hinweisen (ist es nur ein Dreck-/Placebo-/Fliegenhusten-Effekt oder ist wirklich was dran) habe ich zunächst versucht, einige Aufnahmen zu analysieren. Es wäre jetzt schön gewesen, wenn in einem Spot-Mix mehr Bässe gewesen wären als in den Raum-Mikrofonen - das Ergebnis war aber zu uneindeutig. Ich bräuchte hier besseres Untersuchungsmaterial oder eine richtige Messung.

Ersatzweise habe ich mal rosa Rauschen durch verschiedene Hall-Algorithmen geschickt. Gerade bei Altiverb steht bei den verschiedenen Raumantworten oft der Mikrofontyp dabei, und wenn man sich da immer an die Omnis hält, fällt man wenigstens nicht auf den Nahbesprechungseffekt herein. Das Ergebnis ist sehr eindeutig: Es gibt neben dem zu erwartenden Höhenabfall immer auch einen Bass-Rolloff, der etwa bei 100 Hz beginnt, und er nimmt mit steigendem Mikrofonabstand ebenso deutlich zu. Besonders deutlich ist es, wenn nur die frühen Reflexionen verwendet werden (also ohne Hallfahne).

Man könnte vermuten, dass das Signal gleich mit einer Bassreduzierung (Hochpass) aufgenommen wurde. Das Mikrofon ist bei Altiverb aber bekannt, es ist das DPA/B&K 4006 (also nicht gerade bass-schwach), und eine angenommene Filterung bei der Aufnahme oder beim Postprozessing würde noch nicht erklären, warum der Bass-Rolloff bei den frühen Reflexionen stärker ist und mit der Mikrofonentfernung zunimmt.

Ich habe die verschiedensten Räume durchprobiert (Studios, Konzertsäle, Kirchen) und das Ergebnis ist eindeutig. Deswegen lehne ich mich mal aus dem Fenster und denke, der Effekt ist echt. Im unteren Bild ist Pink das rosa Rauschen, rot das mit der Raumantwort gefaltete Signal.

Schöne Grüße, Hannes
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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon juppy » 29.11.2015, 23:31

alex hat geschrieben:Das erste Beispiel was mir einfällt, wäre Konzertflügel. Der kann in Stützmikrofonen je nach Aufstellort einen extrem starken Anschlagsimpuls zeigen, der bei größeren, halligen Räumen über die Haupt- oder Raummikrofone im Pegel kaum noch auffällt. Er "trägt nicht gut im Raum", wie manche dazu sagen.

Meintest Du mit "Anschlagimpuls" auch die Geräusche, die von der Mechanik erzeugt werden?
Dies könnte in der Abstrahlcharakteristik der Instrumentes bzw. darin, inwieweit diese über
den Resonanzboden übertragen werden, begründet liegen.

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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon alex » 30.11.2015, 00:14

juppy hat geschrieben:Meintest Du mit "Anschlagimpuls" auch die Geräusche, die von der Mechanik erzeugt werden?
Dies könnte in der Abstrahlcharakteristik der Instrumentes bzw. darin, inwieweit diese über
den Resonanzboden übertragen werden, begründet liegen.


Die Geräusche der Flügelmechanik sind vom "reinen" Anschlagimpuls der Saite in der Praxis nicht leicht zu trennen. Am meisten tritt dabei eine Art "Klopfen" hervor, ein knackähnliches Geräusch, dessen Färbung durch die stärksten Resonanzen des Instruments bestimmt wird. Nach J. Meyer liegen Schwerpunkte dieses Geräusches bei angeschlagenen Tönen der mittleren Lage zwischen 200...500 Hz, in der Diskantlage um 1 kHz. Meist werden diese Geräusche durch den eigentlichen Klavierklang verdeckt. Sie werden klarer hörbar, sobald laute Einzeltöne in Diskantlage angeschlagen werden, wie es z.B. fürs Klavierstimmen charakteristisch ist. Dann kann das Geräusch nicht mehr durch frequenzmäßig tiefer liegende Grundtöne oder deren Harmonische verdeckt werden. In der mittleren Basslage dagegen ist das Klopfgeräusch selbst mit FFT-Analyse nur schwerlich nachweisbar, durch seine Breitbandigkeit ist eine genaue Pegelbestimmung kaum möglich.

Zurück zu Hannes' Frage: Ich habe Konzertsäle erlebt, wo derartige Klopfgeräusche sich besonders wohlzufühlen scheinen: dort sind sie auf fast allen Plätzen hörbar und manchmal regelrecht störend. Andere scheinen solche Geräusche nachgerade zu schlucken. Bei anderen wiederum scheinen Art und Aufstellort der Instrumente eine stärkere Rolle zu spielen als anderswo.

Mir fällt es schwer, hierfür allgemeingültige Regeln oder eine zusammenfassende Theorie zu formulieren. Wir scheinen es eher mit einem recht komplexen Zusammenwirken aus Instrumentenklang und -richtcharakteristik sowie den spezifischen akustischen Eigenschaften des jeweiligen Aufführungsraumes zu tun zu haben.

Grüße, alex
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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon Hannes_F » 30.11.2015, 00:40

alex hat geschrieben:Wir scheinen es eher mit einem recht komplexen Zusammenwirken aus Instrumentenklang und -richtcharakteristik sowie den spezifischen akustischen Eigenschaften des jeweiligen Aufführungsraumes zu tun zu haben.


Du hast völlig recht, schon bei zwei einander überlagernden Effekten hat man oft Schwierigkeiten, allgemeine Gesetzmäßigkeiten herauszufinden.

Was mich brennend interessiert, sind die Vorgänge, die für eine Bassabschwächung überhaupt in Frage kommen. Wenn da etwas verschwindet, dann muss es etwas geben, dass die Energie aufisst, das sagt der Energieerhaltungssatz. Beim näheren Nachdenken kommen folgende Kandidaten in Frage:

1. Die Absorption in der Luft
-- kann es nicht sein, denn die kümmert sich kaum um lange Wellen

2. Schall, der bei der (frühen) Wechselwirkung mit Grenzflächen nach außen dringt, z. B. durch Türen, Fenster, dünnere Wände, und so dem Saal verloren geht
-- das ist ziemlich wahrscheinlich, und Basswellen transportieren Energie viel leichter nach draußen als mittelhohe Töne

3. Schall, der Grenzflächen zum Schwingen anregt und durch Reibungswärme Energie verliert
-- hier ist es wahrscheinlich vor allem der Boden, der in Frage kommt. Die Art des Bodens und auch das Material haben hier sicherlich Auswirkungen (Holz, Stein oder Linoleum, massiver Boden oder Podium)

4. Umverteilungen von Ungleichverteilungen durch Richtwirkung von Instrumenten mittels Reflektion und Beugung
-- da geht zwar keine Energie direkt verloren, aber es gibt eine Zeitentwicklung, die eine Rolle spielen könnte

Ach, das wäre so ein Thema, da würde ich gerne eine Doktorarbeit drüber machen, mit Messungen und Theorie :opa:

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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon alex » 30.11.2015, 06:31

Hannes_F hat geschrieben:Was mich brennend interessiert, sind die Vorgänge, die für eine Bassabschwächung überhaupt in Frage kommen.


Mich würde dabei zunächst interessieren, ob (1) eine solche Bassabschwächung auch dann auftritt, wenn die Nachhallzeit zu tiefen Frequenzen hin ansteigt, was in vielen - nach Burkowitz', Steinkes et al. Einschätzung viel zu vielen - historischen Konzertsälen zu beobachten ist ("Raummulm"), und (2) falls ja, wie dies zu erklären wäre.

Hannes_F hat geschrieben:Ach, das wäre so ein Thema, da würde ich gerne eine Doktorarbeit drüber machen, mit Messungen und Theorie :opa:


Dazu muss ich aber jetzt nicht die alte (und für manche ernüchternde) Weisheit leidgeprüfter Akustiker zitieren, oder? :oops:

Grüße, alex
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Wolfus
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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon Wolfus » 30.11.2015, 10:10

Ich bin ziemlich sicher, dass der bereits angeprochene Effekt des geänderten zeitlichen Verlaufs zum gehörten geringeren Dynamikumfang mit Raumhall beiträgt.

Das gilt für kurze Impulse, die bei perkussiven Instrumenten die Peaks dominieren können und noch mehr für kurze Pausen. Der Hall füllt diese mit Signal auf. Da sie nun vom Pegel her so gut wie verschwinden, wird durchaus die Dynamik verringert, weil der Pegelverlauf zeitlich "verschmiert" wird. In der Optik passiert das selbe: Durch Unschärfe verschwindet der Kontrast bei engen Strukturen. Man kann das auch so sehen, dass der Frequenzgang der Hüllkurve zu höheren Frequenzen (nicht des Tons!) abfällt.

Ich hänge mal ein PDF an. Oben der Pegelverlauf eines Klavierstücks, unten das Selbe nach Verhallung (berechnet, aber dieser Hall ist auch linear und verschmiert den Pegelverlauf zeitlich ). Man sieht schön, dass vor allem die Lücken aufgefüllt werden. Das heist, der Pegelunterschied zwischen lauten und leisen Stellen ist wiklich geringer.

Trotzdem ist das System linear: Wenn ich das gesamte Stück im Pegel verändere (sagen wir, 3dB weniger), passiert die gleiche Änderung auch mit dem Hall.

Bild
'Though nothing shows, someone knows. I wish that one was me. (Procol Harum, Quite Rightly So)

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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon Hannes_F » 30.11.2015, 11:20

alex hat geschrieben:
Hannes_F hat geschrieben:Was mich brennend interessiert, sind die Vorgänge, die für eine Bassabschwächung überhaupt in Frage kommen.


Mich würde dabei zunächst interessieren, ob (1) eine solche Bassabschwächung auch dann auftritt, wenn die Nachhallzeit zu tiefen Frequenzen hin ansteigt, was in vielen - nach Burkowitz', Steinkes et al. Einschätzung viel zu vielen - historischen Konzertsälen zu beobachten ist ("Raummulm")

Das ist sicherlich so. Hier ist ein Beispiel aus Altiverb, das rosa Rauschen ist hier mit der kompletten Raumantwort gefaltet. In dem Wasserfalldiagramm rechts oben ist schön zu sehen, dass die Nachhallzeit zu tiefen Frequenzen tatsächlich sehr stark ansteigt. Der 'Mulmbereich' befindet sich etwa zwischen 100 und 200 Hz.

Unterhalb von 100 Hz (ganz grob) fallen jedoch sowohl die Nachhallzeit als auch die Gesamtintensität wieder ab - womit man eigentlich nicht rechnen würde.

Bass_rolloff_Chapel_ER_Tail.jpg


alex hat geschrieben:, und (2) falls ja, wie dies zu erklären wäre.

Ein Denkansatz wäre dieser: Bei der ersten Wechselwirkung mit der Raumhülle (erste Reflexion) geht erst einmal ein großer Teil der Bassenergie 'aus dem Fenster' (bei Kirchen wortwörtlich). Dies ist auch in dem angehängten Beispiel schön zu sehen (dunkelblaues Spektrum).

Bass_rolloff_Chapel_ER.jpg

Dadurch, dass die tieferen Frequenzen prinzipiell einen längeren Nachhall haben, 'holen sie' dann im Lauf der Zeitentwicklung 'wieder etwas auf', d. h. das Spektrum füllt sich in den Tiefen, vor allem aber in den Tiefenmitten wieder. Das reicht aber nicht aus, um die Verluste auszugleichen, es bleibt in der Summe effektiv bei einem Bass-Rolloff.

alex hat geschrieben:Dazu muss ich aber jetzt nicht die alte (und für manche ernüchternde) Weisheit leidgeprüfter Akustiker zitieren, oder? :oops:

Du meinst vielleicht: Zwischen Theorie und Praxis gibt es theoretisch keinen Unterschied ... praktisch aber schon ... :aargh: :lol:
Haha ... aber das zeigt doch nur, dass die Theorie auch vollständig sein und vollständig angewendet werden muss. Mit anderen Worten, wenn wir nur richtig denken, dann gibt es wirklich keinen Unterschied. :mrgreen:

Also zum Beispiel: Wenn ein Raum sehr 'nebengeräuschfreudig' ist, dann würde ich in Zukunft darauf tippen, dass er wenig/gar keine Fenster hat, schwere, schalldichte Türen und Betonwände (tendenziell). Und würde es mit einer zusätzlichen Absenkung unterhalb von 100 Hz versuchen. Wenn das alles zusammenpasst, dann sind wir vielleicht ein Stückchen weiter.
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Zuletzt geändert von Hannes_F am 30.11.2015, 11:47, insgesamt 3-mal geändert.

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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon Hannes_F » 30.11.2015, 11:25

Wolfus hat geschrieben:Ich bin ziemlich sicher, dass der bereits angeprochene Effekt des geänderten zeitlichen Verlaufs zum gehörten geringeren Dynamikumfang mit Raumhall beiträgt.

Das gilt für kurze Impulse, die bei perkussiven Instrumenten die Peaks dominieren können und noch mehr für kurze Pausen. Der Hall füllt diese mit Signal auf. Da sie nun vom Pegel her so gut wie verschwinden, wird durchaus die Dynamik verringert, weil der Pegelverlauf zeitlich "verschmiert" wird. In der Optik passiert das selbe: Durch Unschärfe verschwindet der Kontrast bei engen Strukturen. Man kann das auch so sehen, dass der Frequenzgang der Hüllkurve zu höheren Frequenzen (nicht des Tons!) abfällt.


Wolfus, ein schönes Beispiel. So habe ich es mir auch überlegt.

Mich würde nun interessieren, inwieweit diese Erklärung in Bezug auf den Dynamikumfang bereits vollständig ist. Und ob echte Vergleichsaufnahmen sich hierin genauso verhalten wie Tests mit Hallalgorithmen. Denn wir sind ja nicht sicher, ob die Hersteller von Hallgeräten/-plugins bereits alles bedacht haben, was die Natur macht. (Ich kenne zumindest deutliche Gegenbeispiele).

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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon Hannes_F » 30.11.2015, 11:41

Noch ein Detail, soeben entdeckt: Wenn man in das Wasserfalldiagramm des obigen Beispiels (nur die frühen Reflexionen) hineinzoomt, dann ist zu sehen, dass die Bassfrequenzen ganz am Anfang noch prominent vorhanden sind, dann aber einen erheblichen ersten Verlust erleiden. Leider gibt es hier keine ablesbare Zeitskala, aber es spricht wieder für einen frühen Verlust von Bassenergie durch die Fenster.

Bass_rolloff_Chapel_ER_detail.jpg

Beim Hinzuschalten der Hallfahne wird deutlich, dass sich der Bassbereich danach noch einmal erholt und dann gleichmäßig abklingt. Es könnte bedeuten: Es stellt sich im Raum ein stehendes Wellenfeld ein, und das benötigt erst einmal etwas Zeit, um stabil zu werden. Dieses wird durch den Verlust durch die Grenzflächen dann gleichmäßig (exponenziell) ausgezehrt.

Bass_rolloff_Chapel_ER_Tail_detail.jpg
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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon alex » 30.11.2015, 13:15

Hannes_F hat geschrieben:Mit anderen Worten, wenn wir nur richtig denken, dann gibt es wirklich keinen Unterschied. :mrgreen:


Genau hierhin zielt der Akustikersatz, an den ich dachte:
"Auch wenn Rechnung und Messung übereinstimmen, kann beides falsch sein."

Dabei fällt mir ein, dass trotz intensiver Grundlagenforschung bis zum heutigen Tage ungeklärt geblieben ist, warum die analoge Magnetbandaufzeichnung mit HF-Bias tatsächlich funktionierte. Doch sie tat es und hat immerhin einen ganzen Industriezweig über 60 Jahre lang am Laufen gehalten.

Grüße, Peter
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Re: Raumakustik: Ist der Raum ein lineares System?

Beitragvon RainerG » 30.11.2015, 14:52

alex hat geschrieben:
Dabei fällt mir ein, dass trotz intensiver Grundlagenforschung bis zum heutigen Tage ungeklärt geblieben ist, warum die analoge Magnetbandaufzeichnung mit HF-Bias tatsächlich funktionierte.
Grüße, Peter



Hallo Peter "Alex",

Ich glaube wir brauchen so weit gar nicht mal gehen: Wenn man es genau nimmt, fragt man sich, WARUM ist um einen stromdurchflossenen Leiter - auch bei Gleichstrom - ein Magnetfeld? Ich glaube kein Mensch kann sich das erklären.
Die Maxwellschen Gleichungen erklären dies nicht, sondern beschreiben nur den Zusammenhang zwischen E-Feld und H-Feld.
In der Schule hat man uns in Physik beigebracht: "Wenn Windungen einer Spule von magnetischen Feldlinien 'GESCHNITTEN' werden, entsteht eine Induktionsspannung". Das ist völliger Quatsch. Denn: Wie "merkt" die Sekundärwicklung eines Trafos, daß im Trafokern ein sich zeitlich ändernder magnetischer Fluß vorhanden ist, dessen Feldlinien ja nicht nach außen dringen und die Windungen der Sekundärwicklung "schneiden".
Und trotzdem: Es funktioniert auf der ganzen Welt schon seit über 100 Jahren!

Und nochwas: "Strom" ist Bewegung von Elektronen, soviel wissen wir heute alle. Aber was ist "Magnetismus"?

Grüße
RainerG
Wer in der Demokratie schläft, wacht in der Diktatur wieder auf (Quelle unbekannt).
Siege wenn Du kannst, verliere wenn Du mußt, aber kapituliere nie! (André Kudelski).
Lautsprecher verstärken nur die Stimme - nicht die Argumente! (Hans Kasper)


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