Das Ultraphon

Von Otto Kappelmayer (1925)

Die Erscheinung des räumlichen Hörens beruht
auf dem Hören mit 2 Ohren, und der physikalische
Grund, warum wir die Richtung einer Schallquelle
angeben können ist der, daß der Schall, wenn er von
links kommt, in die rechte Ohrmuschel eine 1/100 Sekunde
später einfällt, weil die Schallgeschwindigkeit
in freier Luft ca. 310 Meter/sec-1 und die Entfernung
zwischen beiden Ohrmuscheln 30 cm beträgt. Sitzen
wir im Konzertsaal, wo ein großes Orchester spielt,
so treffen demzufolge die Töne der einzelnen Instrumente,
auch wenn sie exakt gleichzeitig erklingen,
unser Ohr mit verschiedenen kleinsten Zeitdifferenzen,
die Ãœberlagerungen hervorbringen und sich im Gehirn
zu einem homogenen, stark räumlichen Gesamtklangeindruck
zusammensetzen. Erzeugen wir dieses komplizierte
Klangbild durch Schwingungen einer Fläche,
beispielsweise einer Membrane, so fallen natürlich Interferenzen
und Überlagerungen fort, weil die Zeitintervalle fehlen und aus dem zeitlich differenzierten räumlichen wird ein flächenhaftes Klangbild.


Die Deutsche Ultraphongesellschaft
hat unter Benutzung einer Erfindung von H. J. Küchenmeister
einen Grammophonapparat gebaut, der den
flächenhaften Klang des bisherigen Grammophons
überwindet und an seine Stelle den Raumklang setzt.
Die Vorführung eines erlesenen Programms im Hotel
Esplanade klappte vorzüglich. Das der Presse übergebene
Rundschreiben, ließ allerdings viel an Klarheit
zu wünschen übrig, wie folgende geradezu klassischen
Sätze daraus beweisen mögen: „Die Theorie
Küchenmeisters besteht darin, unter genauester Erfassung
der subjektiven Wahrnehmungsfähigkeit des
Hörers diejenigen Reizmittel auf dem Wege von der
Tonquelle zum menschlichen Ohr einzuschalten, die
dem Subjekt die Möglichkeit eines mehrdimensionalen
Toneindrucks geben. Küchenmeister konstruierte
einen Apparat, der durch mehrfache Anwendung von
gleichen Tonschwingungen dem Menschen das mehrdimensionale
naturnotwendige Hörenwollen von Tongebilden
ermöglicht."

Verständlich ausgedrückt geschieht beim neuen
Grammophon folgendes: Statt einem werden zwei
komplette Tonarme mit Membranen und Stiften verwendet,
die beide in je einem Trichter endigen, von
denen der eine gegen den anderen um 90 Grad versetzt
ist. Die zu dem einen Trichter gehörige Nadel
spielt stets 8,4 cm weiter nach vorn auf der Platte
als die des anderen Trichters (siehe Abb. 1). Da nun
hierdurch eine künstliche Zeitdifferenz, und zwar
gerade die oben erwähnte von 1/100 Sekunde beim
Abspielen hervorgerufen wird, erzielt man beim
Ultraphon neben einer sehr erheblichen Tonverstärkung
auch eine Raumwirkung des Tones.





Der Radio-Amateur, III. Jahrg. 1925, Heft 47

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Vorbemerkung der Schriftleitung. Wir geben den
nachfolgenden Darlegungen gern Raum, da wir es,
so weit man sich nach den Schilderungen derer, die
den Küchenmeisterschen Apparat zu hören Gelegenheit
hatten, ein Urteil bilden kann, nicht für ausgeschlossen
halten, daß das von Küchenmeister
benutzte Prinzip auch für den Rundfunkempfang
praktische Bedeutung erlangen wird. Interessant
sind diese Darlegungen auch besonders insofern, als
aus ihnen hervorgeht, daß die Küchenmeistersche
Erfindung nicht die Hervorbringung einer Raumwirkung
zum Ziele hat. Dann sollte man aber auch
logischerweise nicht von einer Plastik der Wirkung
sprechen. Überhaupt scheint uns die Küchenmeistersche
Wahl der „Fachausdrücke" wenig glücklich
und nur geeignet, Verwirrung hervorzurufen.
Der von ihm für eine angebliche uns wenig klar erscheinende
Eigenschaft der Tonerzeugung gewählte
Ausdruck ,,Stoßerregung" ist doch eine bereits
vergebene Bezeichnung für einen klar umrissenen
physikalischen Effekt, auch der Ausdruck „faradische"
Schwingung erscheint uns nicht geschickt
gewählt. Überhaupt scheint uns die gegebene
physikalische Theorie nicht einwandsfrei.
Die Schriftleitung.

In Heft 47 des „Radio-Amateur" erschien eine
kurze Abhandlung über das Küchenmeistersche Ultraphon.
Leider ging aus derselben die große Bedeutung dieser
Erfindung auch für die Rundfunkübertragung nicht
hervor, vielmehr übergingen die Ausführungen gerade
das wesentlich Neue und die außerordentlich interessante
Theorie. Schuld hieran sind offenbar die auch mir
vorliegenden Unterlagen, die die Küchenmeister Komm.-
Ges. seinerzeit an die Presse versandte und die derartig
„metaphysisch" gehalten sind, daß der Durchschnittstechniker,
der nicht in die Küchenmeistersche Terminologie
eingeweiht ist, kaum ein Wort versteht. Es dürfte
daher erwünscht sein, doch noch etwas Näheres über
diese Neuerungen zu erfahren.

Zunächst werden in dem angezogenen Artikel zwei
vollkommen verschiedene und voneinander unabhängige
Tatsachen durcheinandergebracht, nämlich einmal die
Richtungsempfindung durch das Vorhandensein und
den gleichzeitigen Gebrauch beider Ohren einerseits
und die „Plastik" der natürlichen Tonerzeugung andererseits.
Die erste Erscheinung beruht darauf, daß infolge
der Entfernung der beiden Ohren voneinander eine
Schallwelle diese nicht genau gleichzeitig erreicht, und
daß die dadurch in den beiden Ohren entstehende
Phasendifferenz von uns auf Grund unserer Erfahrung
in die betreffende Richtung, aus der der Schall kommt,
umgesetzt wird. Beim gewöhnlichen Orchester nimmt
dieses nun einen ziemlich breiten Raum im Saal ein,
und wir unterscheiden auf Grund dieses Richtungssinnes,
daß die verschiedenen Instrumente sich in verschiedenen
Richtungen von uns befinden.

Erfolgt die Wiedergabe mit Grammophon oder Lautsprecher, so
kann man die Phasendifferenz dadurch mit aufnehmen,
daß man bei der Aufnahme zwei Mikrophone oder
Aufnahmetrichter verwendet, die ungefähr um den
Ohrenabstand voneinander entfernt sind, und hat die
Phasendifferenz damit im Ãœbertragungs- bzw. Wiedergabemittel
fixiert, so daß sie auch bei der Wiedergabe
zum Ausdruck kommt; aber sie kommt dabei beiden
Ohren gleichzeitig zum Bewußtsein, so daß damit also
die Richtungsempfindung wieder verloren geht. Man
hört mit beiden Ohren nur die Phasendifferenz, die
dadurch entsteht, daß beide Ohren von dem Wiedergabetrichter
verschieden weit entfernt sind, und empfindet
die Lautquelle daher doch nur als punktförmig und
sämtliche Schallwellen als aus der gleichen Richtung
kommend. Es ist dies dieselbe Erscheinung, wie es
z. B. keine plastische Wirkung erzeugt, wenn man ein
stereoskopisches Doppelbild mit beiden Augen gleichzeitig
betrachtet und nicht dafür sorgt, daß eben jedes
Auge nur ein Bild sieht.

Eine Möglichkeit, diese Wirkung beim Rundfunk zu erzeugen, gibt es nur durch zwei
getrennte Übertrager, deren jeder mittels Kopfhörer nur
je ein Ohr bedient. Derartige Versuche sind ja verschiedentlich
mit gutem Erfolge angewandt worden,
bedeuten aber keinen wesentlichen Fortschritt, da die
eigentliche „Plastik" dadurch nicht erreicht wird,
sondern nur das scheinbare Verschwinden der punktförmigen
Wiedergabequelle. Zur Erzeugung der gleichen
Illusion genügt u. U. ein Aufnahmemikrophon und
mehrere auf größerer Fläche verteilte Lautsprecher, da
man dann mit seinen beiden Ohren verschiedene Schallrichtungen
feststellt und nicht mehr den Eindruck der
punktförmigen Schallquelle hat. Die Wirkung kann
man dadurch verstärken, daß man den einzelnen Lautsprechern
verschiedene Resonanzlagen gibt, so daß der
eine die hohen Töne der Flöte, ein zweiter die mittleren
der Oboen und ein dritter die tiefen der Posaunen in
besonderem Maße verstärkt. Dann hört man scheinbar
von der einen Seite die einen, von der anderen die
anderen Instrumente wie in der üblichen Besetzung des
Orchesters. Das Resultat ist aber nicht so bedeutend,
daß sich die Anschaffung der ziemlich kostspieligen
Anlage mehrerer Lautsprecher lohnte.

Vollkommen verschieden hiervon ist jedoch das,
was von Küchenmeister mit „Plastik" bezeichnet wird:
Jeder kennt von dem Grammophon und in gewissem
Umfange auch vom Lautsprecher den hohlen Grabeston,
mit dem die Stimme wie aus einem Keller heraufzudringen
scheint. Das Wesentlichste der menschlichen
Stimme z. B., der Schmelz und das Timbre oder die
natürliche Klangfarbe der Instrumente — man kann
bekanntlich eine Flöte kaum von einer Violine unterscheiden
— fehlt ebenso wie das, was man mit „Fülle"
bezeichnet. Es ist Küchenmeisters Verdienst, zuerst auf
den Unterschied zwischen Fülle und Lautstärke hingewiesen
zu haben. Man kann wohl, wie jeder Besucher
der Funkausstellungen von den dort aufgestellten
Siemens-Bändchenlautsprechern weiß, zu phantastischen
Lautstärken gelangen, trotzdem bleibt aber die Stimme
dünn und ohne Ausdruck, es fehlt eben die „Fülle".
Worauf beruht nun die Fülle? Offenbar, sagt
Küchenmeister, nicht auf einer Vergrößerung der
Schwingungsamplitude, sondern auf einer Vergrößerung
der von dem Wellenzug eingeschlossenen Fläche. Es
sei dahingestellt, ob das gewählte Bild den tatsächlichen
physikalischen Verhältnissen ganz entspricht, aber es
gibt uns eine gewisse Anschaulichkeit der Vorgänge, die
zunächst wesentlich ist.

Der Unterschied zwischen einem vollen und einem nicht vollen Ton ist der gleiche
wie zwischen einer Sinus- und einer faradischen
Schwingung. Während die erste fast einen
Halbkreis einschließt, bildet die letzte nur ein ganz
spitzwinkliges Dreieck mit kleinem Flächeninhalt. Wie
kann man nun aus einer gegebenen Schwingung eine
solche größeren Volumens machen ? Bekanntlich tritt
eine solche Erscheinung bei jeder Ãœberlagerung auf,
wenn man zwei Wellen gleicher Frequenz aber verschiedener
Phase miteinander zur Interferenz bringt.
Im oberen Teil sind zwei derartige Wellenzüge
mit 90° Phasendifferenz gezeichnet und unten die resultierende Wellenlinie.

Man sieht, daß die Amplitude
die gleiche bleibt, ebenso die Wellenlänge, daß aber
die eingeschlossene Fläche bedeutend größer wird und
die Umgrenzungslinie sich bedeutend mehr der Sinuslinie
nähert. Eine derartige Schwingung wird uns,
behauptet Küchenmeister auf Grund exakter Überlegungen,
voller erscheinen. Diese Erklärung klingt
etwas gesucht, aber wie der volle Erfolg der weiteren
Ausspinnung dieses Gedankens und später die Umsetzung
in die Praxis gezeigt hat, muß sie die Verhältnisse
richtig wiedergeben. Nun entsteht die weitere Frage:
Wenn die natürliche menschliche Stimme die Fülle
besitzt, die Wiedergabe im Grammophon aber nicht,
wodurch wird denn die Verkleinerung der Wellenfläche
hervorgerufen, da doch die Nadel alle Schwingungen
naturgetreu in die Plattenmasse eingräbt ? Hier stellt
Küchenmeister eine zweite Theorie auf, indem er behauptet,
daß die natürliche menschliche Stimme z. B.
nicht einen, gewöhnlichen Schwingungszug erzeugt,
sondern mehrere frequenzgleiche, aber phasenverschobene,
die erst im Ohr zur Ãœberlagerung kommen
und dann den Eindruck der Fülle hervorrufen. Er
bezeichnet diese Erscheinung mit Stoßerregung und
sagt ganz allgemein, daß die Plastik darin beruht,
daß im Ohr Stoßerregung hervorgerufen wird.

Diese Stoßerregung wirkt zwar auch auf die Nadel des Aufnahmeapparates,
aber die Feinheiten der Phasenverschiebung
gehen in der Trägheit des Materials und
der Wiedergabemittel verloren. Alle Versuche, diese
Nachteile durch Wahl anderer Materialien und anderer
Ausführungsformen zu überwinden, haben keinen Erfolg
gehabt, und die Grammophonindustrie hat seit über
zehn Jahren nichts wesentlich Neues mehr geschaffen,
das einen Fortschritt nach dieser Richtung bedeutet hätte.
Hier setzt ein neuer Gedankengang Küchenmeisters ein:
Wenn es nur die Stoßerregung ist, die die Fülle
ausmacht, und wenn diese auf dem Wege von der Aufnahme
bis zur Wiedergabe verloren geht, so muß es
möglich sein, wenn bei der Wiedergabe eine neue Stoßerregung
als Kompensation der Verluste erzeugt wird,
hierdurch wieder den Eindruck der Fülle im Ohr hervorzurufen.
Der Weg, auf den dies beim Grammophon
erreicht wird, ist theoretisch ein verhältnismäßig einfacher,
indem man zwei Membranen hintereinander
anordnet und dadurch zwei phasenverschiedene Schallwellen
erzeugt. Derartige Versuche sind auch schon
mehrfach gemacht worden, teils unabhängig von Küchenmeister,
teils diesem wohl nacherfunden. Da diese
Experimentatoren aber durchweg nur empirisch vorgingen,
fehlten ihnen die Voraussetzungen, den erzielten
Vorteil wirklich auszunutzen, und diese Versuche verliefen
daher stets ebenfalls negativ. Erst die Durchführung
der Versuche auf Grund seiner Theorie gestattete
Küchenmeister, einen wirklich vollen Erfolg zu
erzielen.

Hierzu war außer der Verwendung der zwei
Schalldoscn noch eine besondere Art der Tonführung in
zwei getrennten Trichtern ganz bestimmter Formgebung
sowie die Beachtung einer Reihe anderer wesentlicher
Momente notwendig.

Das Resultat einer Wiedergabe in dem Küchenmeisterschen,
Ultraphon, genannten, Apparat ist ein
durchaus frappierendes. Nicht nur, daß der Ton wirklich
die Fülle einer Originaldarbietung erlangt, treten gleichzeitig
auch alle sonst verlorenen Einzelheiten, wie
Schmelz und Timbre, wieder hervor, so daß man tatsächlich
den Eindruck hat, eine echte menschliche
Stimme zu hören. Als Nebenerscheinung, die aber auch,
besonders im Hinblick auf die Benutzung im Rundfunk
mit seinen atmosphärischen Störungen, besonders wichtig,
zeigt sich, daß nur die reinen harmonischen Töne auf
diese Weise im Ohr Stoßerregung hervorrufen, während
alle unregelmäßigen Geräusche, die also keine ausgesprochene
Frequenz haben, bei der Ãœberlagerung,
offenbar durch Interferenzen, ausgelöscht oder wenigstens
nicht mitverstärkt werden, so daß es bei einem Ultraphon
z. B. möglich ist, durch Verstellen eines Hebels das
Nadelgeräusch allmählich schwächer zu machen und
schließlich vollkommen zum Verschwinden zu bringen.
Daß durch die spezielle Konstruktion des Instruments
eine besondere Anreicherung der Obertöne erreicht und
damit die Klangfarbe der wiedergegebenen Schallquellen
besonders naturgetreu wird, sei nur nebenher
erwähnt.

Es wurde auf die Einzelheiten und die Ausführung
und Wirkung beim Grammophon deshalb an dieser
Stelle so ausführlich eingegangen, weil sich hieraus die
Grundlagen ergeben, wie das Ultraphonprinzip beim
Rundfunk angewandt werden kann. Von Seiten des
Erfinders sind auch auf diesem Gebiete schon Versuche
vorgenommen worden, die voll befriedigt haben. Die
Schwierigkeit liegt hier darin, daß die sehr viel größere
Geschwindigkeit der Ausbreitung der Hochfrequenzschwingungen
natürlich nicht die Erzielung einer
Phasendifferenz erlaubt, die nach den Küchenmeisterschen
Untersuchungen eineVerzögerung um 1/15 bis 1/20 Sekunden
hervorrufen muß. Aus den Kluthschen Arbeiten ist
bekannt, daß eine Verzögerung, die zwar nicht die angegebene
Größe erreicht, aber sich wenigstens in der
Größenordnung dieser nähert, dadurch erzeugt werden
kann, daß man die Phasenverschiebung in den niederfrequenten
Stromweg legt. Küchenmeister selbst geht,
um die Verzögerung zu vergrößern, auf ganz anderen
Wegen vor, die zwar auch schon von anderer Seite
versucht sind, aber in Unkenntnis der Theorie zu ganz
anderen Zwecken, und die daher nicht richtig ausgewertet
wurden und daher auch nicht den gewünschten
Erfolg brachten. Über diesen Teil der Küchenmeisterschen
Arbeiten kann aus naheliegenden Gründen im Augenblick
noch nicht berichtet werden, doch wird dies nach kurzer
Zeit, sobald dies möglich ist, nachgeholt werden.


Der Radio-Amateur, III. Jahrg. 1925, Heft 47