Künstlicher Nachhall ist beim heutigen Stand der Aufnahmetechnik ein unentbehrlicher Faktor im Studiobetrieb. Es gibt - von wenigen Ausnahmen abgesehen - kaum eine Musikaufnahme, die ohne künstliche Verhallung das "Auslangen" ?? findet. Selbst bei Aufnahmen, die in bekannt guten Sälen gemacht werden, ist es oft notwendig, zur Aufhellung einzelner Instrumentengruppen oder auch der Gesamtdarbietung etwas Nachhall beizumischen.

Derzeit gibt es zwei Möglichkeiten, hochwertigen Hall zu erzeugen:

• 1. den Hallraum,
• 2. die Hallplatte.

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Die Verwendung eines eigenen Hallraumes bringt zwar im allgemeinen hohe Klangqualität, bedeutet aber einen relativ hohen Aufwand mit dem zusätzlichen Nachteil, daß eine Veränderung der Nachhallzeit, wie sie oft gewünscht wird, nicht möglich ist. Um letzteres zu ereichen, müssen verschieden gedämpfte Hallräume gebaut werden.

Die Gewinnung des künstlichen Nachhalles mittels Hallplatte ist wesentlich einfacher allerdings muß im Vergleich zu hochwertigen Hallräumen eine Qualitätseinbuße in Kauf genommen werden. Dazu ist allerdings zu sagen, daß die Platte im Vergleich zum Raum einige spezifische Merkmale, die sich im Frequenzgang der Nachhallzeit einerseits und in der Klangfarbe andererseits auswirken, aufweist.

So ist z. B. die Nachhallzeit bei hohen Frequenzen wesentlich länger als bei natürlichem Hall. Diese spezifischen Merkmale werden in der heutigen Aufnahmetechnik bewußt als solche eingesetzt. Die Nachteile der Platte liegen nicht so sehr in ihrer Qualität, als vielmehr in ihren Dimensionen und in ihrem Gewicht, und damit verbunden in einer fast ausschließlich stationären Verwendbarkeit.

Nun ist es aber in der Außentechnik, also im Übertragungswagen, notwendig, mit künstlichem Hall zu operieren, da gerade hier dem Tontechniker die akustisch unterschiedlichsten Aufnahmeprobleme gestellt werden. Häufig wurden sogar eigene Leitungen zum Studio und der dort befindlichen Hallplatte geführt. Die daraus erwachsende hohen Kosten sind leicht vorstellbar. Daher gibt es seit jeher den Wunsch nach einem transportablen Gerät, das die in der Studiotechnik gewohnte Qualität liefert.

Um ein transportables Hallgerät zu entwickeln, bieten sich folgende Möglichkeiten:
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• a) Erzeugung künstlichen Halles mittels Tonbandgeräten;
• b) Erzeugung künstlichen Halles mittels einer stark verkleinerten Hallplatte als der derzeit üblichen;
• c) Erzeugung künstlichen Halles auf rein elektronischer Basis mittels elektronischem Speicher;
• d) Erzeugung künstlichen Halles mittels Torsionswellenleiter (T.W.L.).

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Bei kritischer Betrachtung kam AKG zur Ansicht, daß T.W.L. die günstigsten Realisierungsmöglichkeiten bieten, da sie bei geringem Raumbedarf relativ ökonomisch herstellbar sind. Allerdings sind in diesem Zusammenhang einige Vorurteile zu überwinden. Bis jetzt hatte der mit schraubfederähnlichen Elementen erzeugte Hall keineswegs Studioqualität und daher bürgerte sich eine Voreingenommenheit gegen diese Technik ein.

Bei der Beurteilung guten Halls orientiert sich der Hörer letztlich immer am natürlichen Raum, der nachrichtentechnisch gesehen ein sehr komplexes Übertragungsgebilde und naturgemäß mit mechanischen Mitteln schwer nachbildbar ist.

Man muß also aus dem Vergleich mit dem Raum folgende wesentliche Kriterien für künstlichen Hall, für welche Anordnung auch immer, fordern:
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• 1. hohe Resonanzfrequenzdichte,
• 2. hohe Impulsdichte,
• 3. möglichst statistische Diffusität im Frequenz- und Zeitbereich - damit ist gemeint, daß keinerlei Gesetzmäßigkeiten in den beiden betrachteten Bereichen vorhanden sein dürfen.
• 4. eine Übertragungscharakteristik, die zu Tiefen wie zu Höhen leicht abfallend ist,
• 5. ein Frequenzgang der Nachhallzeit, der zu tiefen Frequenzen etwas ansteigt, während zu hohen Frequenzen ein leichter Abfall erwünscht ist,
• 6. der Einsatz des Nachhalles muß 20 bis spätestens 50 msec nach dem unverhallten Schallereignis erfolgen,
• 7. aus der Anwendungstechnik kommt dann noch die zusätzliche Forderung der Regelbarkeit der Nachhallzeit.

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Nach Kenntnis dieser Forderungen kann auf der Basis des T. W. L. wie folgt vorgegangen werden:

Die hohe Resonanzfrequenzdichte bedingt sehr lange Schraubfederelemente. Unserer Erfahrung nach soll die Länge, einer Verzögerungszeit von 300 msec vom Anfang zum Ende entsprechen. Dies ergibt unter der Annahme, daß das Aufsprech- und Abnahmesystem jeweils an einem Federende angeordnet ist, eine Resonanzfrequenzdichte von 1,7. Dabei ist zu berücksichtigen, daß diese mögliche Dichte der Eigenresonanzen Ausgangspunkt für alle weiteren Überlegungen ist. Die Dichte wie Verteilung dieser Eigenresonanzen werden durch die noch zu beschreibenden Maßnahmen, die letztlich den guten Hallcharakter erbringen, verändert.

Zur Erreichung der hohen Impulsdichte wie auch der statistischen Diffusität im Zeit- und im Frequenzbereich ist es notwendig, die Übertragungseigenschaften der Feder statistisch zu variieren. Dies geschieht durch statistische Veränderungen der Masse- und Federelemente längs der Schraubfeder.

Der Frequenzgang kann durch elektrische Mittel entzerrt werden.
Der Hallfrequenzgang wird durch Anordnung geeigneter Dämpfungen längs des Federverlaufes erreicht. Diese zusätzlichen Dämpfungen sind notwendig, da die Variation der Nachhallzeit, die - wie später beschrieben wird - nach dem „motional-feedback-Prinzip" an den Federenden vorgenommen wird, nur einen beschränkten Regelbereich ermöglicht und daher die notwendigen Initialdämpfungen mechanisch vorzusehen sind.

Das bedeutet, daß das elektronisch ungedämpfte System die längste gewünschte Nachhallzeit aufweisen muß. Der Einsatz des Nachhalles nach 20 bis 50 msec wird durch eine noch zu erläuternde Kompensationschaltung, basierend auf den statistischen Übertragungseigenschaften der Feder, bewirkt.

Um all diese angedeuteten Maßnahmen besser verständlich zu machen, soll im folgenden das von der Firma AKG entwickelte Nachhallgerät BX 20, das ein transportables Studiohallgerät ist, näher erläutert werden.

Das Gerät arbeitet mit Torsionswellenleitern und besteht im wesentlichen aus 3 Teilen:

• 1. der elektromechanischen Halleinheit,
• 2. dem elektrischen Teil,
• 3. der elastischen Lagerung.

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Die Konzeption des BX 20 ist konsequent zweikanalig, um echte Vollstereophonie zu gewährleisten. Dadurch ist die Möglichkeit der getrennten Verhallung der beiden Stereokanäle gegeben. Im Bedarfsfall allerdings können die Eingänge der beiden Kanäle parallel geschaltet werden. Darüber hinaus ist jeder Kanal für sich verwendbar, wobei auch die Hallzeit getrennt regelbar ist.

Als eigentliches hallerzeugendes Medium wird eine Schraubfeder, die hauptsächlich zu Torsionsschwingungen angeregt wird, verwendet. Diese Feder weist infolge der geforderten Grundverzögerungszeit von 300 msec eine Länge von 1,20m im ungespannten Zustand auf.

Um zu günstigen Einbaugrößen zu kommen, ist es notwendig, diese Feder zweimal weitgehendst reflexionsfrei umzulenken, wobei das zu verhallende Signal mittels Drehspulsystemen an beiden Feder-Enden aufgesprochen und das verhallte Signal in analoger Weise wieder an den Enden abgenommen wird.

Diese Drehspulsysteme schwingen in einem starken Magnetfeld und bestehen aus zwei mechanisch starr verbundenen Spulen. Die beiden Spulen sind elektrisch und magnetisch weitgehendst voneinander entkoppelt, wobei eine Hälfte zum Aufsprechen und die andere Hälfte zur Abnahme des Signals dient.

Die notwendige statistische Diffusität im interessierenden Übertragungsbereich wird teils durch statistische Veränderungen der Oberfläche des Federdrahtes, teils durch Verformung einzelner Windungen, die wiederum regellos über die Feder verteilt werden, erreicht.

Die Übertragungseigenschaften einer zu Torsionsschwingungen angeregten Schraubfeder werden durch das Trägheitsmoment bzw. die Federung pro Längeneinheit bestimmt. Im wesentlichen handelt es sich ja um eine Leitung mit geringer innerer Reibung.

Nun ist das Trägheitsmoment von der dritten Potenz des mittleren Schraubfederdurchmessers und die Federung von der vierten Potenz des Drahtdurchmessers abhängig.

Aufgrund dieser Tatsache ist es möglich, mit relativ geringfügigen Veränderungen große Wirkungen zu erzielen. Diese Veränderungen werden durch Ätzen der Drahtoberfläche erreicht, wobei örtliche Abtragungen mit einer maximalen Ätztiefe von 20% des Drahtdurchmessers entstehen. Diese Veränderungen, die einerseits die Masse reduzieren, andererseits auch die Nachgiebigkeit aller Federelemente stark verändern, wirken bei hohen Frequenzen naturgemäß mehr als bei tiefen.

Dies bedeutet, daß für tiefe Frequenzen, unter 1 kHz, zusätzlich Maßnahmen notwendig werden. Das Problem wird durch Verformung einzelner Federwindungen gelöst, und zwar werden Teilbereiche der Windung zur Federachse eingebogen. Die Auswahl der zu verformenden Windungen erfolgt statistisch.

Neben diesen technologischen Maßnahmen, die die notwendige Diffusität realisieren, muß die Feder noch mittels mechanischer Dämpfung quasi auf die geforderte Ausgangsnachhallzeit eingestellt werden. Mechanische Schwingungssysteme weisen im Durschnitt eine zu tiefen Frequenzen ansteigende Güte und damit verbunden eine zu tiefen Frequenzen ansteigende Nachhallzeit auf.

Dieser Anstieg liegt in der Größenordnung von 1:10, wenn man als Grenzfrequenz 50Hz und 10kHz in Beziehung setzt.

Da aber durch technologische Maßnahmen die Nachhallzeit bei höheren Frequenzen künstlich erhöht werden muß, ist dieser Anstieg um so unakzeptabler. Aus diesem Grund fügt man längs der Schraubfeder zusätzliche Dämpfungen ein, die in erster Linie tiefe Frequenzen unter 1 kHz beeinflussen. Man erreicht solcherart einen gewünschten Ausgangshallfrequenzgang, der ca. bei 500 Hz eine Nachhallzeit von 4,5sec. bei 100 Hz von 6sec. und bei 5 kHz von 2sec. aufweist.

Eine derartige Dämpfung besteht aus einem auf einer Achse sitzenden Scheibchen, das zwischen zwei Schaumstoffplättchen zu liegen kommt, die mittels Blenden unter leichtem Druck gegen das Scheibchen gepreßt werden. Solche Dämpfungen werden einige Male im Verlauf der Feder eingebaut, und zwar so, daß die Enden der aufgetrennten Feder mit den Enden der Scheibchenachse verlötet werden.

Durch Wahl des Durchmessers und der Oberfläche des Scheibchens, des Schaumstoffes und auch des Druckes, kann die frequenzabhängige Dämpfung in Grenzen variiert werden. Derartige Systeme wirken in erster Linie als Dämpfungen und weniger als Impedanzen, d. h., die Reflexionen an diesen Stellen bleiben in tolerablen Grenzen.

Abgesehen von der erwünschten Dämpfung bieten sie auch einen guten Schutz gegenüber mechanischen Stößen. Sie ermöglichen es sogar, daß das gesamte Hallsystem letztlich ohne zusätzliche Arretierungen zu transportieren ist.

Der elektrische Teil besteht, wie man aus dem Blockschaltbild (Bild 1 siehe Seite 15) entnehmen kann, - pro Kanal gesehen - aus einem Aufsprechverstärker, einem Abnahmeverstärker und zwei Dämpfungsverstärkern. Die Anregung der Feder geschieht, wie erwähnt, durch Zuführung des Aufsprechsignals an je eine Spulenhälfte der Drehspulsysteme an den beiden Federenden. Die Zuführung erfolgt gleichphasig.

Das verhallte Signal wird von den verbleibenden beiden Spulenhälften abgenommen, verstärkt und gegenphasig zusammengeschaltet. Durch diese Art des Aufsprechens und Abnehmens des Signals wird eine Kompensation aller Signale, die in einer gesetzmäßigen Beziehung zueinander stehen, erreicht.

Dazu ist folgendes zu sagen: Würde man das Schaltungsprinzip bei einer idealen Leitung anwenden, so ergäbe sich kein Ausgangssignal. Durch die statistische Veränderung der Übertragungseigenschaften der Feder erzielt man unregelmäßige, frequenzabhängige Reflexionen innerhalb derselben, wobei die an den Federenden abgenommenen Signale zueinander in keinerlei Gesetzmäßigkeit stehen. Diese Signale können daher auf die beschriebene Weise abgenommen werden.

Der verbleibende Rest wird kompensiert. Durch diese Kompensationsschaltung wird aufgrund der diffusen Übertragungseigenschaften der Feder die Forderung nach Einsetzen von Rückwürfen etwa 20 bis 50 msec nach Aufsprechen des zu verhallenden Signals ebenfalls erfüllt. Da es naturgemäß einer gewissen Zeit zur Ausbildung der Rückwürfe bedarf, ist also auch die Zeit, ab der der Nachhall einsetzt, durch den Grad der Diffusität, beeinflußbar.

Mit Hilfe der Dämpfungsverstärker ist die Nachhallzeit nach dem „motional feed-back-Prinzip" in bestimmten Grenzen veränderbar.

Unter dem „motional feedback-Prinzip" versteht man einen geschlossenen Signalkreis, bestehend aus Abnahmesystemverstärker mit beliebigem Fequenz- und Phasengang und Aufsprechsystemen, wobei die Signalabnahme und Aufsprache an ein und derselben Stelle des mechanischen Schwingungssystems stattfindet.

Die dafür vorgesehenen Drehspulsysteme sind bewußt an den Federenden angebracht, um neben anderem die größtmögliche Variation der Nachhallzeit zu erreichen. Es ist bekannt, daß bei einer idealen, mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossenen störstellenfreien Leitung die Nachhallzeit „0" erreichbar ist.

Bei einer Leitung allerdings, die eine Vielzahl von Inhomogenitäten aufweist, ist durch Anbringen eines einfachen reellen Widerstandes nur mehr ein Minimum der Hallzeit zu erzielen, da es nicht mehr möglich ist, mit einem frequenzunabhängigen reellen Widerstand eine ideale Anpassung zu realisieren. Dies erklärt den verringerten Regelbereich.

Der reelle frequenzunabhängige Widerstand an den Federenden wird auf folgende Weise erreicht: Das zu verhallende Signal wird auf eine Drehspulsystemhälfte aufgesprochen, von der anderen abgenommen, in der Phase um 180 gedreht und der ersten Spulenhälfte wieder aufgesprochen. Je nach Verstärkung kann eine größere oder kleinere Reibung am Federende bewirkt werden.

Voraussetzung für die Funktion ist, daß beide Spulenhälften in keiner elektrischen und magnetischen Verbindung stehen und mechanisch konphas schwingen. Die Verstärkung des Dämpfungsverstärkers ist mittels Gleichspannung regelbar.

Dieses Regeln geschieht auf rein elektronischem Weg, und zwar wird das Signal von einem Spannungsverstärker, bestehend aus 2 Widerständen, wobei ein Widerstand elektronisch verändert ist, abgenommen. Dadurch erreicht man erstens die Fernsteuerung an sich, zweitens die Unempfindlichkeit gegenüber Einstreuungen auf die Steuerleitung, drittens die Möglichkeit der Veränderung der Nachhallzeit während der Aufnahme vom Regietisch aus. Dies erscheint uns besonders wichtig, da die Nachhallzeit dem zu übertragenden musikalischen Ereignis angepaßt werden kann, ohne daß es dabei zu Störgeräuschen, o. ä. kommt. Man hat die Möglichkeit, „partiturgetreu" zu verhallen.

Der mechanische Aufbau der Verstärker erfolgte in Einschubtechnik, wobei pro Kanal ein Verstärkerprint vorgesehen ist. Jeder Verstärker weist einen eigenen Regelteil für die Versorgung auf, der Aufbau erfolgte weitgehendst mit IC's.

Die Pegel sind den Forderungen der Studiotechnik angepaßt, d. h.  +6db am Eingang, +6db am Ausgang. Eingangsimpedanz > 1 kOhm, Ausgangsimpedanz > 50 Ohm, beide vollsymmetrisch. Anhand der folgenden Bilder soll die praktische Realisierung der besprochenen Forderungen gezeigt werden:

Bild 2 zeigt einen Frequenzgangausschnitt (1000 bis 1030 Hz) einer technologisch unbehandelten Feder, bei der das Signal auf einer Seite aufgesprochen wird und die Abnahme auf der anderen Seite erfolgt. Pol- und Nullstellenverteilung ist periodisch und äquidistent. Bild 3 zeigt denselben Frequenzgangausschnitt (1000 bis 1030 Hz) einer nach obigen Gesichtspunkten geätzten und gedellten Feder, aus dem sehr deutlich die Regellosigkeit der Verteilung der Pol- und Nullstellen zu ersehen ist. Bild 4 zeigt das Impulsverhalten des Nachhallgerätes wobei ein Einzelimpuls mit der Breite von 1 msec als Eingangssignal verwendet wurde (Hallzeit 2 sec).

Die Bilder 5a und 5b zeigen untereinander das unverhallte Eingangssignal und das verhallte Ausgangssignal, wobei diesmal als Signale Tonbursts der Frequenzen 100 und 400 Hz mit einer Impulsbreite von 10 msec dienten. Der Einsatz des Nachhalles erfolgt 20 bis 50 msec nach dem Aufsprechsignal, wobei dieser nicht schlagartig, sondern kontinuierlich einsetzt.

Bild 6a zeigt den Übertragungsfrequenzgang des BX 20 und Bild 6b den Frequenzgang der Nachhallzeit. Die Messungen erfolgten mit rosa Rauschen in Terzbandbreite, wobei die Terzmitte die Bezugsfrequenz bildet (Hallzeit 2 sec).

Zuletzt soll die elastische Lagerung der Halleinheit diskutiert werden. Diese hat zwei Funktionen zu erfüllen: Fernhaltung von Körper- und Trittschall und Schutz vor Transportstößen. Darüber hinaus muß noch Sorge getragen werden, daß Luftschall genügend gedämmt wird, da die Feder selbst mikrofonisch ist und daher unerwünschte Rückkopplungen auftreten könnten.

Die beiden Federn sind gemeinsam mit den Magnetsystemen und den Halterungen zu einer Einheit zusammengefaßt, die ihrerseits in einem Rohr aus dämpfenden Faserstoffen eingebaut ist. Das Rohr ist innen zusätzlich mit porösem Schaumstoff ausgekleidet. Der Einbau in dieses Rohr erfolgt möglichst schalldicht. Zweierlei wird erreicht:

• 1. eine sehr gute Dämmung,
• 2. keine membranösen Schwingungen der Wände, da die innere Reibung des Faserstoffes (Pappe) sehr groß ist.

Die so gewonnene Einheit erhält in ihrer Schwerpunktebene senkrecht zur Zylinderachse am Rohrumfang Stützpunkte, in die Federn eingehängt sind, die ihrerseits mit den Endpunkten eines starren Vierbeins, das oberhalb des Rohres angeordnet ist, verbunden sind.

Von der Mitte des Vierbeins führt eine Perlonschnur zum eigentlichen Aufhängungspunkt. Es handelt sich also um eine elastisch Einpunkt-Pendelaufhängung, wobei durch die Pendellänge, das Gewicht der Einheit und die Federkonstanten die Eigenresonanzen bestimmt sind und für sämtliche möglichen Anregungen unter 1 Hz liegen.

Diese tiefen Aufhängeresonanzen sind notwendig, da die eigentlichen Hallfedern infolge ihrer Länge trotz der eingefügten Dämpfungen Eigenresonanzen zwischen 5 und 10 Hz aufweisen.
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Das gesamte Gerät befindet sich in einem formstabilen Holzgehäuse, das noch zusätzlich schalldämmend wirkt. Die Rückwand des Gerätes ist als Tür ausgebildet, wobei an der Innenseite die Verstärker montiert sind und außen das Steckerfeld angeordnet ist. Es ist noch Sorge zu tragen, daß bei extremen Stößen oder Umstürzen des Gerätes der Aufprall des Papperohres gegen die Holzwand vermieden wird. Aus diesem Grund sind Abfangtrommeln vorgesehen, die ober- und unterhalb des Pappzylinders elastisch angeordnet sind. Sie haben allerdings den Nachteil, daß sie den normalen Betriebsfall max. möglichen Neigungswinkel des Gehäuses einschränken.

Durch diese konstruktiven Maßnahmen ist es möglich, auf eine Transportarretierung zu verzichten, da es besser ist, während des Transportes den fallweisen Aufprall des Papprohres auf die Trommel in Kauf zu nehmen, als alle kleinen und mittleren Stöße direkt auf das System einwirken zu lassen und die Federn in dauernder mechanischer Bewegung zu halten. Die Gefahr von Ermüdungsbrüchen wird auf diese Weise weitgehend ausgeschaltet.

Bild 7 zeigt Schalldämmungsmessungen, wobei das Gerät in einem schalltoten Raum einem Schalldruck von 100 db SPL ausgesetzt wurde. Der Ausgangspegel in Abhängigkeit der Frequenz wurde aufgezeichnet, wobei man Spitzenpegel im Frequenzbereich von 130 und 400 Hz von 5 bis 8 mV bemerken kann. Diese Ausgangspegel sind so gering, daß praktisch jede Rückkopplungsgefahr ausgeschlossen ist. Man kann ohne weiteres das verhallte Signal über Lautsprecher direkt auf das Gerät mit Pegel bis zu 100 dB abstrahlen, ohne daß Rückkopplung eintritt.

Die Bilder 8a und 8b zeigen Körperschallmessungen, wobei das Holzgehäuse mittels schwerer Hammerschläge impulsartig angeregt wird.

Bild 8a zeigt den Anregeimpuls, der unmittelbar neben der Anregestelle mittels Beschleunigungsaufnehmers gemessen wurde.
Bild 8b zeigt das infolge der Körperschallanregung auftretende verhallte Signal (Hallzeit 2 sec). Bild 9 zeigt die Halleinheit mit den Magnetsystemen, Umlenkungen, Dämpfungen etc.
Abschließend soll noch bemerkt werden, daß es mit dem beschriebenen Gerät gelungen ist, einen über Fernsteuerung regelbaren künstlichen Nachhall zu schaffen, der allen Anforderungen der Studiotechnik gerecht wird, eine ausgezeichnete Klangtreue des verhallten Schallereignisses bietet, und keinerlei Kolorationen, Flatterechos und ähnliche störende Merkmale aufweist sowie die Charakteristiken eines natürlichen Raumes weitgehend nachbildet.